煤礦生產(chǎn)中瓦斯檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

摘要：煤礦生產(chǎn)中瓦斯的檢測(cè)和預(yù)防瓦斯爆炸一直是煤礦行業(yè)中的重中之重。本論文討論了幾種傳統(tǒng)的瓦斯檢測(cè)技術(shù)以及新型檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)瓦斯檢測(cè)設(shè)備未來的發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞：瓦斯 濃度 檢測(cè)

0 引言

由于我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)能源的需求急劇增大，根據(jù)統(tǒng)計(jì)我國能源需求的70%來源于煤炭【1】，因此煤炭生產(chǎn)在我國的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中起到了中流砥柱的作用。煤礦的安全生產(chǎn)一直是困擾各地政府和煤礦生產(chǎn)人員的一個(gè)重大問題，其中由瓦斯引起的爆炸對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅最大。瓦斯爆炸事故嚴(yán)重危害了礦工的生命以及國家的財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)還可能會(huì)帶來惡劣的社會(huì)影響，是煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患。

近年來，我國由于瓦斯爆炸所造成的煤礦生產(chǎn)安全問題不斷發(fā)生。2009年11月21日，黑龍江鶴崗新興煤礦爆炸，死亡108人。2012年2月3日15時(shí)左右，四川省宜賓市筠連縣釣魚臺(tái)煤礦井下發(fā)生一起瓦斯爆炸事故，造成13人死亡，8人受傷。2012年2月14日15時(shí)30分左右，新疆昌吉州瑪納斯縣興達(dá)煤礦井下發(fā)生了一起瓦斯爆炸事故，造成8人死亡。2012年5月15日18時(shí)40分左右，位于新疆自治區(qū)塔城地區(qū)烏蘇市的農(nóng)七師新疆準(zhǔn)南煤礦所屬托力拜勒勘探區(qū)（平硐），在探巷施工過程中發(fā)生一起瓦斯爆炸事故，造成6人死亡。同年8月13日6時(shí)許，吉林省白山市吉盛煤礦一井發(fā)生瓦斯事故，造成18人死亡。因此預(yù)防瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重。

瓦斯爆炸的主要原因是甲烷與氧氣的比例達(dá)到一定界限并且存在著火源點(diǎn)，比如氣電性火源，沖擊性火源以及化學(xué)性火源【2】。采用高效的瓦斯氣體濃度檢測(cè)手段，實(shí)施監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋瑢?duì)于預(yù)防瓦斯爆炸事故，盡量避免或者減少生命財(cái)產(chǎn)損失，具有極其重要的意義。

1 常用的瓦斯檢測(cè)技術(shù)

目前被廣泛應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)的瓦斯檢測(cè)技術(shù)主要有半導(dǎo)體氣敏法、載體催化法、熱導(dǎo)型檢測(cè)法以及光干涉法等。

1.1 半導(dǎo)體氣敏法

半導(dǎo)體氣敏法【3】是采用氧化物半導(dǎo)體作為基本的吸附材料，瓦斯氣體吸附在半導(dǎo)體材料表面引起半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率等電學(xué)特性產(chǎn)生變化，通過對(duì)這些電學(xué)特性信號(hào)的收集來達(dá)到檢測(cè)瓦斯氣體濃度的目的。目前常用的氧化物半導(dǎo)體有：氧化鋅、氧化錫、氧化鎂、氧化鈷等。半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、耗能少。缺點(diǎn)是：選擇性差，受水蒸氣的影響比較嚴(yán)重，通過添加某些材料或者改變反應(yīng)溫度雖然可以提高它的選擇性，但作用不是很難明顯，而且由于其測(cè)量范圍窄，檢測(cè)可燃性氣體濃度的精度性差，目前在煤礦開采中較少使用。

1.2 載體催化法

催化燃燒型瓦斯檢測(cè)儀的檢測(cè)原理為【4】：利用敏感元件（俗稱黑白元件）對(duì)瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上發(fā)生無火焰燃燒，釋放出熱量使元件溫度上升，增加敏感元件鉑絲的電阻值。通過下圖所示的惠斯登電橋測(cè)量電路（見圖1），可以測(cè)量其敏感元件電阻值變化量。

1942年美國就成功制造了世界上最早的催化型瓦斯檢測(cè)技術(shù)，稱為VCC瓦斯測(cè)量儀，所采用的催化材料為純鉑絲；隨后，日本在銅絲元件上加上涂有催化劑的載體小珠制成世界上最早的載體催化元件；1960年后，世界上大部分工業(yè)發(fā)達(dá)國家，都把研制催化型儀器【5】作為瓦斯檢測(cè)的主要發(fā)展方向。目前，波蘭、英國等國家依然主要采用催化型檢測(cè)技術(shù)作為其瓦斯?jié)舛鹊闹饕獧z測(cè)技術(shù)。

載體催化法具有精度高，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在包括我國在內(nèi)的許多國家的煤礦生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，但是也存在著零點(diǎn)漂移以及穩(wěn)定性不夠等缺點(diǎn)。

1.3 熱導(dǎo)型檢測(cè)法

熱導(dǎo)型檢測(cè)法【6】的原理是利用甲烷氣體與空氣熱導(dǎo)率不同來檢測(cè)甲烷氣體，并得到甲烷的濃度數(shù)據(jù)。由于甲烷氣體與空氣熱導(dǎo)率差距較大，因此當(dāng)甲烷氣體濃度較高時(shí)，該方法檢測(cè)精度較高，而當(dāng)甲烷濃度較低（小于5%）時(shí)，熱導(dǎo)率變化幅度很小，很難被檢測(cè)到，因此該方法僅適用于高甲烷濃度的檢測(cè)，通常與催化型檢測(cè)方法聯(lián)合使用。

1.4 光干涉法

光干涉瓦斯檢測(cè)儀【7】是利用光在不同空氣中的折射率不同的光學(xué)原理，通過測(cè)量不同瓦斯含量的空氣與不含瓦斯空氣的折射率的變化來確定瓦斯?jié)舛取Ｍ还庠窗l(fā)出的兩束光分別經(jīng)過充有標(biāo)準(zhǔn)氣樣的參考?xì)馐液统溆写郎y(cè)氣體的測(cè)量氣室，相遇時(shí)兩束光將會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，待測(cè)氣體的濃度不同，干涉條紋的位置就不同，根據(jù)干涉條紋的不同位置，即可測(cè)定氣體的濃度。它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，使用壽命長等，但是由于溫度、濕度以及壓力等外部因素都會(huì)影響氣體的折射率，因此光干涉法對(duì)環(huán)境要求較高。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于傳統(tǒng)的瓦斯氣體檢測(cè)方法都存在各種各樣的限制和不足，因此需要研發(fā)一些新型的瓦斯檢測(cè)技術(shù)。目前研究的熱點(diǎn)主要集中在紅外光譜法和氣相色譜法等。

2.1 紅外光譜法

紅外光譜法的原理【8】是根據(jù)不同氣體在光譜作用下由于分子結(jié)構(gòu)以及鍵能不同而表現(xiàn)出不同的吸收峰，通過收集吸收峰的波長以及吸收強(qiáng)度可以計(jì)算出空氣中甲烷或者其他氣體的濃度。紅外甲烷檢測(cè)設(shè)備是利用甲烷在1.33μm以及1.66μm處附近所產(chǎn)生的強(qiáng)烈吸收峰來檢測(cè)甲烷氣體，而空氣中的水蒸氣以及二氧化碳等氣體在此處均無吸收峰，因此可以精確測(cè)量甲烷氣體的濃度，光信號(hào)傳輸主要依靠光纖。它的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、不受雜質(zhì)氣體干擾以及無零點(diǎn)漂移困擾等。

1978年，日本Tohoku大學(xué)的Inaba.Humio等人首先提出了光譜吸收法，通過光纖傳輸光信號(hào)，進(jìn)行了長距離的大氣污染監(jiān)測(cè)。1986年，K.ehan和H.Ito等人采用InGaAs材料的LED作為光源，針對(duì)甲烷氣體在1.66μm處的吸收峰，檢測(cè)了甲烷氣體的濃度，配合窄帶干涉濾光片，系統(tǒng)的靈敏度提高了一倍。2006年，俄羅斯科學(xué)研究院物理研究所報(bào)道了采用單頻激光，進(jìn)行甲烷氣體在1.66um處的吸收實(shí)驗(yàn)。2008年，GrawfordMassie報(bào)道了便攜式瓦斯光學(xué)傳感器，選擇的是1.66um處的吸收譜線。

我國在利用紅外光譜法檢測(cè)瓦斯氣體濃度方面起步較晚，從上世紀(jì)80年代末期才開始。2002年，吉林大學(xué)的王一丁教授設(shè)計(jì)了具有新型光路和電路結(jié)構(gòu)的便攜式紅外瓦斯氣體檢測(cè)儀。近年來，安徽光機(jī)所在光譜吸收氣體方面做過許多研究，比如采用激光遠(yuǎn)程吸收和波長調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了瓦斯氣體濃度的檢測(cè)。

2.2 氣相色譜法

氣相色譜法主要是利用物質(zhì)的沸點(diǎn)、極性及吸附性質(zhì)的差異來實(shí)現(xiàn)混合物的分離。待分析樣品在氣化室氣化后被惰性氣體（即載氣，也叫流動(dòng)相）帶入色譜柱，柱內(nèi)含有液體或者固體固定相，由于樣品中各組分的沸點(diǎn)、極性或吸附性能的不同，每種組分都傾向于在流動(dòng)相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但是由于載氣是流動(dòng)的，這種平衡實(shí)際上很難建立起來，也正是由于載氣的流動(dòng)，使樣品組分在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行反復(fù)多次的分配或吸附/解吸，結(jié)果導(dǎo)致較難吸附的組分隨著載氣較快地向前移動(dòng)而先流出色譜柱，而較易吸附的組分移動(dòng)較慢，后流出色譜柱。當(dāng)組分流出色譜柱后，立即進(jìn)入檢測(cè)器，檢測(cè)器能夠?qū)悠方M分的存在與否并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而電信號(hào)的大小與被測(cè)組分的量或濃度成比例。當(dāng)將這些信號(hào)放大并記錄下來時(shí)，就形成了色譜圖，它包含了色譜的全部原始信息。在沒有組分流出時(shí)，色譜圖記錄的是檢測(cè)器的本底信號(hào)，即色譜圖的基線。

氣相色譜法具有效能高、選擇性高、靈敏度高、分析速度快、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)， 但儀器比較笨重，實(shí)時(shí)性難以保證。

色譜法是最早被俄國科學(xué)家茨維特在分離并研究植物色素時(shí)所發(fā)明的一種檢測(cè)的手段。直到上世紀(jì)80年代才逐漸被應(yīng)用于瓦斯氣體以及煤裂解氣的分離與檢測(cè)。

1981年Gangwal等人利用氣相色譜法對(duì)煤裂解氣的成分進(jìn)行了分離與檢測(cè)，2008年Grazyna等人利用氣相色譜法分離出了煤礦氣體中的一氧化碳和甲烷；2011年Zubkova等人報(bào)道了通過氣相色譜法對(duì)煤裂解氣中的各項(xiàng)成分進(jìn)行了分離并測(cè)定了其濃度。國內(nèi)最早在1989年報(bào)道了利用氣相色譜法分離并測(cè)定了煤礦氣體樣本中的瓦斯?jié)舛取?】。

3 展望

瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)是煤礦開采領(lǐng)域的重大安全課題，目前所擁有的瓦斯檢測(cè)技術(shù)難以滿足在各種條件下對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)還有待完善，在提高檢測(cè)響應(yīng)速度以及精度的基礎(chǔ)上，還需要在便攜性、實(shí)時(shí)性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化等方面做出努力。

提高檢測(cè)設(shè)備的便攜性就是要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的微型化，隨著微電子工藝和微機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展，瓦斯檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)有了向微型化和智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)，并且具有自動(dòng)補(bǔ)償功能、自計(jì)算和處理功能以及自診斷功能的微型瓦斯檢測(cè)設(shè)備有望在不久的將來在煤礦生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，還應(yīng)在瓦斯檢測(cè)設(shè)備上配備網(wǎng)絡(luò)接口，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控并隨時(shí)儲(chǔ)存檢測(cè)數(shù)據(jù)以備研究。

另外，集成化、多功能化、微功耗無源化、高精度和高可靠性都是研究傳感器的熱門課題。

4參考文獻(xiàn)

[1] 張浩. 煤礦機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)[J]. 科技信息. 2012， 10： 355

[2] 劉永平. 紅外技術(shù)在煤礦井下測(cè)溫和測(cè)氣中的應(yīng)用. 紅外技術(shù)[J]. 2000，22（4）：59-62

[3] 彭士元. 改善氧化錫氣體傳感器檢測(cè)甲烷選擇性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 監(jiān)控技術(shù). 1994， 13（4）： 32～33

[4] 袁維貴， 褚福愛. 煤礦瓦斯檢測(cè)傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 煤炭科技. 2012，4： 99-100

[5] 童敏明. 補(bǔ)償元件對(duì)載體催化元件輸出特性的影響[J]. 傳感器技術(shù). 1995， 4： 15-21

[6] 江國舟， 江超.微弱信號(hào)檢測(cè)的基本原理與方法的研究[J]. 湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)自然出版社， 2001： 76一81

[7] 王鴻， 雷光. 干涉型與催化劑型瓦斯檢定器應(yīng)用對(duì)比分析[J]. 煤炭技術(shù). 2008，27（2）

[8] 張帆. 紅外甲烷傳感器溫度校正模型研究[J]. 煤礦機(jī)械. 2009， 30（10）： 43-35

[9] 時(shí)延. 以氣相色譜法測(cè)定煤層瓦斯成分及煤、焦活性[J]. 煤炭分析及利用. 1989， 4（3）： 29-32