【正文】 我國(guó)礦井瓦斯監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低水平到高水平的發(fā)展過程。從新中國(guó)成立初期到 20世紀(jì) 70 年代，煤礦下井人員主要使用光學(xué)瓦斯檢定儀、風(fēng)表等攜帶式儀器檢測(cè)井下環(huán)境參數(shù)。 20 世紀(jì) 60 年代初期，我國(guó)開始研制載體催化元件，隨著敏感元件制造水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使監(jiān)控技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。 20 世紀(jì) 70 年代瓦斯斷電儀問世，裝備在采掘工作面、回風(fēng)港道等井下固定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯的自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)及超限自動(dòng)切斷被控制設(shè)備的電源。隨后，陸續(xù)研制了便攜式瓦斯監(jiān)控檢測(cè)報(bào)警儀、瓦斯報(bào)警礦燈。 1983 年至 1985 年，從歐美國(guó)家先后引進(jìn)了數(shù)十套監(jiān)控系統(tǒng)及配套的 4 傳感器和便攜式儀器裝備煤礦礦井，并相應(yīng)地引進(jìn)了部分監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器和敏感元件制造技，由此推動(dòng)了我國(guó)礦 井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。 1983 年以后，國(guó)內(nèi)有多種型號(hào)礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過了技術(shù)鑒定，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦礦井安全、生產(chǎn)多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，特別是網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機(jī)遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，豐富了我國(guó)煤礦安全監(jiān)控 產(chǎn)品的市場(chǎng)，改善了煤礦安全技術(shù)裝備的面貌，縮小了我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平的差距。 傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)大體可以分為兩大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通過各種檢測(cè)設(shè)備（各種 傳感器，如風(fēng)量傳感器、負(fù)壓（壓力）傳感器、一氧化碳傳感器和礦用設(shè)備開停傳感器等）來采集井下各種氣體的濃度與含量、井下空氣狀況、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄?。在井上，井下傳上來的?shù)據(jù)通過專線與煤礦安全管理辦公室服務(wù)器和更高一級(jí)安全主管部門服務(wù)器連接。服務(wù)器上面運(yùn)行的是監(jiān)控軟件。上面有井下每一個(gè)傳感器的標(biāo)簽，所顯示的數(shù)據(jù)通過上傳數(shù)據(jù)的改變而不斷刷新。同時(shí)，監(jiān)控軟件還可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理、分析和存檔，可以作為相關(guān)負(fù)責(zé)人員決策的重要依據(jù)。并且監(jiān)控軟件具有超標(biāo)自動(dòng)報(bào)警功能，用來提示工 作人員對(duì)設(shè)備的故障或現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時(shí)采取措施，避免重大事件的發(fā)生。 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的意義不言而喻。以山西省為例，近幾年，特別是 2021 年以來，山西省煤炭系統(tǒng)在黨和各級(jí)政府及安全部門的重視下，全省煤礦信息化工作有了新發(fā)展，取得了新成績(jī)。特別是由瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)所形成的全省煤礦四級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)用于瓦斯安全治理的一項(xiàng)創(chuàng)舉，極大的促進(jìn)了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系統(tǒng) 2021 年底累計(jì)安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng) 3868 套。目前，該省國(guó)有重點(diǎn)煤礦 121 座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系 統(tǒng)，并全部聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在線運(yùn)行率達(dá) 100%。地方煤礦現(xiàn)有 2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，已連網(wǎng)運(yùn)行 2671座。這些系統(tǒng)的運(yùn)用，極大的降低了煤礦瓦斯事故。 由此可知，為了最大限度的降低煤礦瓦斯事故的發(fā)生，除了對(duì)工作人員嚴(yán)格要求外，加緊建設(shè)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，它對(duì)預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生具有舉足輕重的作用。 5 測(cè)量?jī)x器的概念 煤礦安全儀器是用來檢查測(cè)量礦井安全狀況的物質(zhì)手段。什么是測(cè)量呢 ?測(cè)量是人們對(duì)自然界的客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認(rèn)識(shí)過程。在這一過程中，借助 于專門的技術(shù)工具，通過實(shí)驗(yàn)方法，求出以所采用的測(cè)量單位表示的未知量的數(shù)值大小。測(cè)量的目的是為了在限定的時(shí)間內(nèi)盡可能正確地收集被測(cè)對(duì)象未知信息，以便掌握被測(cè)對(duì)象的參數(shù)及控制生產(chǎn)過程。例如，在采煤機(jī)上安裝采煤機(jī)瓦斯斷電控制儀。它不僅可以連續(xù)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)附近風(fēng)流的甲烷濃度，而且在甲烷濃度超限時(shí)還可發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)切斷采煤機(jī)的工作電源以防發(fā)生瓦斯事故 , 確保生產(chǎn)安全。 測(cè)量?jī)x器的基本性能 評(píng)價(jià)測(cè)量?jī)x器品質(zhì)的指標(biāo)是多方面的。儀器的基本性能，主要是衡量?jī)x器測(cè)量能力的一些指標(biāo)，如精確度、穩(wěn)定性、測(cè)量范 圍、動(dòng)態(tài)范圍等。但工作可靠性、經(jīng)濟(jì)性也很重要，這些因素在很大程度上影響儀器的使用。 ：是指在測(cè)量中所測(cè)數(shù)值重復(fù)一致的程度。即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量在相同的規(guī)定工作條件下，由同一測(cè)量者用同一儀器在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)按同一方法連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量示值的不一致程度。不一致程度愈小，說明測(cè)量愈精密。 ：是指儀器的性能在工作條件保持恒定的情況下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保持不變的能力。它用精密度的數(shù)值和觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短一起來表示。 ：儀器由于室溫、大氣壓、振動(dòng)等外部狀態(tài)變化及電源電壓、工作條件變化對(duì) 示值的影響統(tǒng)稱為環(huán)境影響，為儀器在校準(zhǔn)時(shí)都規(guī)定有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作條件，用影響系數(shù)表示。 4. 可靠性是指儀器對(duì)規(guī)定的條件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所要求功能的能力。 5. 經(jīng)濟(jì)性 ：任何工業(yè)產(chǎn)品都要講究經(jīng)濟(jì)性。對(duì)生產(chǎn)者來講，以重金制造高質(zhì)量的產(chǎn)品是比較容易的。但是，如果生產(chǎn)出的儀器價(jià)格太高，使用者無力購(gòu)買，出就談不上發(fā)揮作用。對(duì)使用者來講總是希望有最少的錢買到一臺(tái)具有指定性能的儀器。所以，工程檢測(cè)儀器的經(jīng)濟(jì)性也是其重要的指標(biāo)之一。 6 2 礦內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的基本介紹 礦內(nèi)污染物種類繁多，不可能逐一測(cè)量，研 究的思路是用一個(gè)典型的污染物來代表一類污染物，這種污染物稱為評(píng)價(jià)指標(biāo)。 （ 1）瓦斯（ CO）：是一種無色、無味、無臭的氣體；它可燃燒，當(dāng)含量在 13％～ 75％時(shí)，遇火能引起爆炸；瓦斯極毒，當(dāng)其含量達(dá) 0． 4％時(shí)，人在短時(shí)間內(nèi)就可中毒死亡?！睹旱V安全規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）規(guī)定其最高容許濃度為 0． 0024％。 （ 2）硫化氫（ HzS）：是一種無色、微甜、有臭雞蛋味的氣體，易溶于水，遇火后能燃燒及爆炸；硫化氫極毒，它能使血液中毒，對(duì)眼睛及呼吸系統(tǒng)的粘液膜有強(qiáng)烈的刺激作用?！兑?guī)程》容許其最高濃度為 0． 00066％。 （ 3）二氧化硫（ SO2）：是一種無色、有強(qiáng)烈硫磺味及酸味的氣體，同呼吸氣管潮濕表皮接觸能產(chǎn)生硫酸，刺激并麻痹上部呼吸氣管的細(xì)胞組織，使肺及支氣管發(fā)炎?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為 ％。 （ 4）二氧化氮（ NO2）：為紅褐色，易溶于水，是劇毒氣體，對(duì)人的眼睛及呼吸器官有強(qiáng)烈刺激作用。《規(guī)程》容許其最高濃度為 0． 00025％。 （ 5）沼氣（ CH。）：沼氣是煤礦常見的有害氣體 ,化學(xué)名稱叫甲烷，無色、無味、無臭、無毒；它比空氣輕常聚集在巷道上方，當(dāng)其在空氣中含量高時(shí)可降低氧含量，引起窒息；它具有爆炸性，爆炸 濃度一般為 5%～ 16％。《規(guī)程》中對(duì)沼氣容許濃度因在井下各點(diǎn)不同。 （ 6）氨氣（ NH。）：是一種無色氣體，有似氨水的劇臭；它極毒，能刺激皮膚和上呼吸道并能嚴(yán)重?fù)p傷眼睛?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為 0． 004%。 （ 7）二氧化碳（ COz）：是一種無色、微毒、稍有酸味的氣體，它不助燃，也不維持久的呼吸，它比空氣重，常聚集在巷道的下方及通風(fēng)不良的下山盡頭；易溶于水，生成碳酸，對(duì)人的眼、鼻、喉的粘膜有刺激作用?！兑?guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為 0． 5％。 為做到全國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，原國(guó)家煤炭部曾在 1964 年就已經(jīng)提出煤礦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化， 1986年在全國(guó)開展實(shí)施。國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局分別于 2021 年 2月 23 日對(duì)原部頒標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以煤安監(jiān)辦字【 2021】 24號(hào)文下發(fā)了《關(guān)于印發(fā) “ 煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核 7 評(píng)級(jí)辦法（試行） ” 的通知》。于 2021 年 8月 8日，國(guó)家安監(jiān)總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局對(duì) 標(biāo)準(zhǔn)再次修訂，聯(lián)合頒布安監(jiān)總煤行〔 2021〕 150 號(hào)《關(guān)于印發(fā) “ 煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評(píng)級(jí)辦法（試行） ” 的通知》。現(xiàn)在執(zhí)行的是國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局于 2021年 1月 17日以煤安監(jiān)行管 [2021]1號(hào)文件下發(fā)的《煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 化考核評(píng)級(jí)辦法（試行）》版本。 3 礦內(nèi)空氣傳感器的原理及主要元器件 甲烷濃度檢測(cè)儀原理分析 甲烷濃度傳感器按其工作原理不同，有下列幾種 : 光干涉式是利用光波對(duì)空氣和甲烷折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同甲烷濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，堅(jiān)固耐用，校正容易，高低濃度均可測(cè)量，還可測(cè)量二氧化碳濃度 。其缺點(diǎn)是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴(yán)重，特別是空氣中氧氣不足或氮、氧的比例不正常時(shí)，要產(chǎn)生誤差 。光學(xué)零件加工復(fù)雜，成本較高和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)較困難。 熱催化式 是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是元件和儀器的生產(chǎn)成本低，輸出信號(hào)大，對(duì)于 1%氣樣，電橋輸出可達(dá) 15mV 以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短，不能測(cè)高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸汽會(huì)引起元件中毒而失效。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)甲烷的儀器廣泛采用這一原理。 熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡(jiǎn)單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 遙測(cè)，被測(cè)氣體不發(fā)生物理化學(xué)變化，讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度甲烷時(shí)輸出信號(hào)小，受氣溫及背景氣體的影響較大。 紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來測(cè)定甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是采用這一原理的儀器精度高，選擇性好，不受其它氣體影響，測(cè)量范圍寬，可連續(xù)檢測(cè) 。其 8 缺點(diǎn)是由于有光電轉(zhuǎn)換精密結(jié)構(gòu)，使制造和保養(yǎng)產(chǎn)生困難，而且體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制。 氣敏半導(dǎo)體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結(jié)型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到 200℃時(shí)， 其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢測(cè)甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微量甲烷比較敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但當(dāng)濃度大于 1 %CH4 時(shí)，其反應(yīng)遲鈍，選擇性和線性均較差，所以很少用于煤礦井下甲烷濃度的檢測(cè)，而多用于可燃?xì)怏w的檢漏報(bào)警。 在溫度為 220℃、氣壓為 101325Pa 條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為 432m/s，而在清潔空氣中為 332m/s。比較這兩種速度就可測(cè)定高濃度甲烷。其優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不受氣壓影響 。其缺點(diǎn)是不適合測(cè)量低濃度甲烷，一般只用來檢測(cè)礦井抽放甲烷管道中的甲烷濃度，對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很 敏感。 氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離，在氣體介質(zhì)中的兩個(gè)電極之間便有電流產(chǎn)生。測(cè)量空氣介質(zhì)和被測(cè)甲烷中的電流大小，便可測(cè)出甲烷濃度。其優(yōu)點(diǎn)是快速，可以連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，可測(cè)二氧化碳濃度。其缺點(diǎn)是測(cè)量低濃度甲烷困難，空氣濕度對(duì)儀器讀數(shù)有影響，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 載體催化元件最里層是用 ～ 的高性能鉑絲繞制的螺旋圈，外面是由三氧化二鋁和催化劑組成的催化外殼。鉑絲螺旋圈完成加熱 。三氧化二鋁載體有定型、傳熱和載附催化劑等功能。催化劑由氯化鈀外加穩(wěn)定劑釷 (Tu)配制 而成，有降低起燃溫度、加強(qiáng)選擇性、提高穩(wěn)定性等功能。當(dāng)載體催化元件遇到甲烷與空氣的混合氣體時(shí)，在催化劑的作用下，甲烷氣體在元件表面發(fā)生無焰燃燒，產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高。 載體催化燃燒式傳感器一般被制成一個(gè)便于測(cè)量的探頭，探頭可以單獨(dú)設(shè)置，也可以作為一個(gè)獨(dú)立單元裝配在儀器內(nèi)使用。 探頭內(nèi)部的主要元件是黑元件 (催化元件 )和白元件 (補(bǔ)償元件 )，兩個(gè)元件分別配置在電橋電路中，作為一組橋臂，另一組橋臂是兩個(gè)固定電阻，作為電橋的比率臂。與黑白元件相對(duì)應(yīng)，為使電橋在無甲烷狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，橋路內(nèi)裝有調(diào)零電位器 W。此 9 外，傳感器電源應(yīng)是經(jīng)過穩(wěn)壓的穩(wěn)壓源。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目采用熱催化式工作原理。 黑元件載體是催化燃燒式元件，當(dāng)甲烷氣體在元件表面與氧氣產(chǎn)生無焰燃燒時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)。白元件是補(bǔ)償元件，基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與黑元件相同，但表面不涂鍍催化劑，所以，它不參加低溫燃燒。但由于它處于與黑元件相同的工作環(huán)境中，所以，對(duì)非甲烷濃度變化引起的催化元件阻值變化起補(bǔ)償作用，以提高儀器零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力。 使用時(shí)一般將黑白元件串聯(lián)，作為電橋的一臂，用普通電阻構(gòu)成電橋的另一臂，電橋的兩端加上穩(wěn)定的工作電壓 U。當(dāng) 含有甲烷的空氣在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生無焰燃燒，而在白元件上則不致使甲烷燃燒，從而使黑元件的溫度比白元件的溫度高，黑元件中的鉑絲既是加熱元件，又是感應(yīng)溫度的熱敏元件，根據(jù)鉑絲的正溫度系數(shù)的特性，溫度升高時(shí)電阻增大，黑元件上的電壓降即增大，電橋失去平衡，輸出一個(gè)電壓信號(hào)△U，該電壓值的大小反映了甲烷濃度的高低，檢測(cè)此電壓便可測(cè)量出甲烷濃度。 熱催化原理又稱催化燃燒原理。利用該原理的甲烷測(cè)定器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)測(cè)量低濃度甲烷的傳感器中采用最廣泛的一種，而且還在不斷的提高和發(fā)展。其基本原理是根據(jù)甲烷在一定的溫度條件下 氧化燃燒，且在一定的濃度范圍內(nèi)，不同濃度的甲烷在燃燒過程中要釋放出熱量不同的特性，來達(dá)到測(cè)定甲烷濃度的目的。 時(shí)鐘 電源模塊 顯示電路 報(bào)警電路 可編程看門狗電路 單片機(jī) 敏感元件 小信號(hào)放大電路 A/D轉(zhuǎn)換 圖 31 工作原理圖 10 在催化元件電源端加上一正電壓，使催化元件開始工作，輸出與甲烷濃度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓經(jīng)過放大電路放大后，送到 A/D 轉(zhuǎn)換， A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī) , 單片機(jī)對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，處理后，驅(qū)動(dòng)顯示器顯示出被 測(cè)氣體中的甲烷濃度值，若被測(cè)氣體中甲烷濃度超過