煤礦硫化氫檢測方法研究

鄭 雪

（山東省煤田地質局第五勘探隊，山東 濟南 250100）

煤礦中硫化氫是危害人體健康的毒氣，為快速檢測硫化氫氣體，做出及時預防，許多專家學者針對此開展相關研究。曾永達等人[1]對硫化氫檢測方法和原理進行歸納總結，對其中的物理方法以及化學方法進行分析得出最優的檢測方法，并且對檢測儀器發展現狀進行綜述。周田田[2]對含硫油氣開采問題進行研究并在此基礎上對硫化氫危害進行了更為詳細的分析，并對其產生原因歸納總結，提出應急管理辦法。劉美等人[3]基于工業生產導致的惡劣環境，通過無線傳感器網絡設計一款新型硫化氫檢測儀，并測試該儀器的具體功能效益。

本文以探究硫化氫的檢測方法為目的，通過測量原理和試驗系統分析對試驗方法和儀器進行結果分析，并進行儀器穩定性測試，得出該方法的相對誤差，研究該硫化氫檢測方法的推廣價值。

1 煤礦概況

甕安煤礦為兼并重組保留礦井，礦井于2020年5 月取得貴州省國土資源廳頒發的采礦許可證，礦井生產規模為90 萬t/a，開采方式為地下開采，礦區面積27.508 1 km2，開采深度+1395～+600 m，有效期限2020 年05 月—2032 年05 月。礦區范圍由30 個拐點圈定，呈不規則多邊形。

2 煤礦硫化氫危害及來源

我國是主要煤炭使用國之一，我國煤礦資源豐富，但煤炭過度開發也導致我國環境受到危害。硫化氫為氣態，無色且有毒，在空氣中極易與氧氣接觸產生火災，其具有腐蝕性，危害系數極大。當硫化氫濃度較低時，人體就能感受到呼吸困難；當硫化氫濃度超過5×10-5時，就能使人體頭暈目眩；當硫化氫濃度超過1×10-4時，可直接對人體帶來損傷并威脅生命。

硫化氫一般來自工業產生的廢氣之中，屬于人為因素，另一種是煤礦、石油的開采產生，屬于自然因素，主要源于硫化礦物水解、煤體內部以及其他來源。

3 測量原理和試驗系統分析

3.1 Beer-Lambert 定律

本文基于TDLAS 技術[4]，對發生光譜進行技術分析，依據Beer-Lambert 定律通過對波長的調節，從而對氣體進行定量分析。由于氣體本身組織結構構成決定了氣體的物理特性，這導致特定波長能夠與其實現共振，從而形成波長范圍，并通過吸收光譜來判斷氣體成分。由于氣體濃度決定氣體微小粒子數量，且粒子濃度與粒子損失成正比，因此可通過吸收光強度衰弱情況來判斷氣體濃度的變化，其吸收光譜測量如圖1。

圖1 吸收光譜測量圖

3.2 調節光譜技術

基于Beer-Lambert 定律的驗證，雖然其可以較為準確表達氣體濃度和光的強度之間的關系，但當氣體濃度低于一定值時，依然存在測量錯誤現象的發生。為解決該問題，可采用波長調節光譜的技術進行氣體檢測，其原理主要是通過激光驅動的形式加載一條高頻率信號，該信號具有周期性，當信號經過氣體介質后被吸收，進而通過放大器進行調節，從而得到相關諧波信號，示意圖如圖2。

圖2 調節光譜技術測量圖

在波長調節光譜技術中，目標信號屬于被調節對象，因此低頻噪聲只有通過放大器，之后被過濾掉，才能提升信噪比。其他條件不變時，諧波信號隨氣體濃度升高而升高。當準備工作完成后，便可進行硫化氫檢測過程。

3.3 試驗系統

由于硫化氫氣體在不同波段會有不同的吸收峰，尤其是在1589 nm 波段時，吸收峰較強，該情況下溫度為25 ℃，壓強為標準大氣壓，不易受到其他氣體影響。試驗過程如圖3，試驗系統主要由激光溫控和電流驅動以及激光器、探測器等儀器組成，最后將數據輸入到計算機進行計算。

圖3 系統過程示意圖

該系統流程主要以激光器為核心板塊，通過控制DFB 激光器運行過程，包括電流輸出和溫度，使儀器一直維持在吸收波較強的波段，并以此通過調節儀器周期性來驅動激光器工作。經過該階段流程后，經過探測器，探測器將信號的光屬性轉化為電屬性，通過數據采集和運算并經過MCU 控制顯示器轉到計算機上。為了進一步提升儀器光的吸收概率，本文設置如圖4 所示的氣室，該氣室可以在數學幾何理論下限制氣室光程的增加程度。由圖4 可知，該儀器兩邊具有放射鏡（凹面鏡），由于其具有聚焦的功能，可以有效提升光的吸收能力，提升吸收信號能力。

圖4 氣室結構示意圖

4 結果分析

4.1 標定結果和瞬態響應分析

儀器測量值隨諧波高度增加而增加，因此測量前需對儀器進行離線標定，其激光的透射信號表達式：

式中：I（t）為激光的透射信號；I0（t）為初始激光的透射信號；τ、v和a為透射率、掃描信號平均頻率（cm-1）和調節幅度（cm-1）；ω為調節頻率（cm-1）。結合煤礦巷道背景，其甲烷和二氧化碳含量較低，因此在實際施工中，產生的硫化氫相對較少，甚至可以忽略不計。因此在標定過程中，結合氮氣的背景下對硫化氫進行標定。基于室內試驗，利用質量混合氣體儀器制出質量濃度不同的硫化氫氣體進行標定，本文選用的硫化氫氣體濃度分別為0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、10 mg/L 以及20 mg/L，具體情況如圖5（a）。標定完成后通入濃度分別為3 mg/L、8 mg/L 以及16 mg/L 的硫化氫氣體，進行誤差分析，具體情況如圖5（b）。

圖5 硫化氫標定結構和誤差分析

由圖5（a）可知，基于試驗系統檢測出的硫化氫氣體濃度與實際硫化氫氣體濃度相差不大，屬于較為穩定的直線段內，說明儀器標定準確率較高。由圖5（b）可知，當通入濃度分別為3 mg/L、8 mg/L 以及16 mg/L 的硫化氫氣體進行相對誤差分析，其中通入硫化氫氣體濃度為16 mg/L 時檢測的硫化氫氣體濃度結果相差最大，而通入硫化氫氣體濃度為8 mg/L 時檢測的硫化氫氣體濃度結果相差最小，相對誤差無明顯變化規律，但誤差值基本維持在±2%以內。為研究儀器瞬態響應特性，基于初始試驗步驟，將質量濃度分別為3 mg/L、8 mg/L、15 mg/L 以及20 mg/L 的硫化氫氣體通入600 s，如圖6（a）所示，0～10 min、10～20 min、20～30 min以及30～40 min 分別對應通入3 mg/L、8 mg/L、15 mg/L 以及20 mg/L 的硫化氫氣體，其具體誤差值如圖6（b）。

圖6 瞬態響應結果和誤差分析

由圖6（b）可知，瞬態響應特性所示誤差示意圖，其誤差范圍維持在±2%以內，表明硫化氫檢測儀器的瞬態響應誤差值較小，且誤差范圍較為穩定，短時間內可維持在穩定的波動范圍。

4.2 穩定性測試

儀器的標定結果和瞬態響應確定較為穩定后，儀器的整體穩定性也是檢測硫化氫準確率的重中之重。本文基于實際工況對甕安煤礦監測采集井上隅角和采空區氣體濃度進行檢測，設置氣室基本條件，該氣室的密閉性良好，其溫度維持在25 ℃，并在氣室設置一個標準大氣壓，之后利用流量平臺分別將上隅角和采空區的硫化氫氣體通入氣室，并對該儀器進行3 d 的測試。在此期間，關閉氣室閥門，觀測儀器測量數據變化情況和程度。試驗變化結果如圖7。

圖7 硫化氫穩定性結果分析

由圖7 可知，上隅角和采空區的硫化氫在3 d的時間變化中，儀器的測量結果波動總體較小，且基本維持在穩定區間。其中上隅角和采空區的硫化氫的測量值分別為2.2 mg/L 和5.7 mg/L，其測量值上下波動較小，且誤差范圍在0.1～0.2 mg/L，基本處于穩定區間。基于儀器穩定性測試不難發現，該儀器的測量結果較為穩定。在氮氣單獨背景下，測量結果誤差范圍維持在±2%以內；基于實際工況，面對復雜的氣體環境，其測量穩定性依然較強，在長時間的測量情況下，誤差范圍在0.1～0.2 mg/L，說明該硫化氫檢測方法值得推廣。

5 結論

本文主要研究硫化氫的檢測情況，并以硫化氫本身的危害為研究背景，通過測量原理和試驗系統分析對硫化氫測量方法和儀器進行標定結果和瞬態響應分析以及儀器穩定性測試，得出該儀器方法的相對誤差，得出以下結論：

1）基于儀器測量的硫化氫氣體濃度與實際硫化氫氣體濃度相差不大，并且其相對誤差值最小，無明顯變化規律，但誤差值基本維持在±2%以內。

2）硫化氫檢測儀器的瞬態響應誤差值較小，且誤差范圍較為穩定，短時間內可維持在穩定的波動范圍，相對誤差范圍維持在±2%以內。

3）基于甕安煤礦監測采集井，3 d 儀器測量結果波動總體較小，且基本維持在穩定區間，上隅角和采空區的硫化氫的測量值分別為2.2 mg/L 和5.7 mg/L，誤差范圍在0.1～0.2 mg/L。硫化氫檢測方法不受外部環境變化而影響其檢測準確率。