【正文】 3 礦井下沼氣動態(tài)是一件十分重要的工作。甲烷濃度傳感器就是用來監(jiān)視礦 井沼氣動態(tài)的有效工具。鑒于沼氣在礦井中存在的普遍性及其可能造成災害的嚴重性，甲烷濃度傳感器在煤礦是數(shù)量最多，使用最普遍的安全傳感器，而且也是煤炭系統(tǒng)研制種類最多的儀器，需要說明的是，由于我國煤礦習慣把甲烷叫做瓦斯，因此檢測甲烷濃度的儀器，有的叫瓦斯檢定器，有的又叫沼氣檢定器，在這里，甲烷，沼氣和瓦斯是同義詞。 隨著我國國民經濟的不斷發(fā)展，對煤炭需求量也越來越大，這就使得煤礦的安全生產面臨著一個十分嚴峻的問題。煤礦礦難事故屢屢發(fā)生，造成的原因有很多，其中不少是因為瓦斯爆炸引起的。為了防 止瓦斯爆炸事故的發(fā)生，除了加強井下作業(yè)人員的管理，改善井下的作業(yè)環(huán)境外，還必須建立一個性能可靠的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。 煤礦瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體的總稱。有時也單獨指甲烷。瓦斯在空氣的體積分數(shù)達到一定的程度（ 5%～ 12%）時，在一定條件下可與空氣中的氧氣發(fā)生劇烈的化學反應而形成瓦斯爆炸，對煤礦安全構成嚴重威脅。 礦井瓦斯監(jiān)測監(jiān)控技術是伴隨著煤炭工業(yè)發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。 1815 年，英國發(fā)明的世界上第一種瓦斯監(jiān)測儀器 —— 瓦斯檢定燈。利用火焰的高度來檢測瓦斯?jié)舛龋?20 世紀 30 年代，日本 發(fā)明了光干涉瓦斯檢定器，一直沿用至今； 20 世紀 40 年代，美國研制了檢測瓦斯?jié)舛鹊拿舾性?— 鉑絲催化元件； 1954 年，英國采礦安全所研制了最早的載體催化元件。電子技術的進展推動了瓦斯檢測控制裝置的進一步發(fā)展，如 20世紀 70 年代后期法國研制的 CTT63/40U 礦井監(jiān)控系統(tǒng)、英國的 MINOS 系統(tǒng)、美國的 SCA— DA 系統(tǒng)等。 我國礦井瓦斯監(jiān)控技術經歷了從簡單到復雜、從低水平到高水平的發(fā)展過程。從新中國成立初期到 20世紀 70 年代，煤礦下井人員主要使用光學瓦斯檢定儀、風表等攜帶式儀器檢測井下環(huán)境參數(shù)。 20 世紀 60 年代初期，我國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的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路、微型計算機的廣泛應用，使監(jiān)控技術進入了新的發(fā)展時期。 20 世紀 70 年代瓦斯斷電儀問世，裝備在采掘工作面、回風港道等井下固定地點，實現(xiàn)了對瓦斯的自動連續(xù)檢測及超限自動切斷被控制設備的電源。隨后，陸續(xù)研制了便攜式瓦斯監(jiān)控檢測報警儀、瓦斯報警礦燈。 1983 年至 1985 年，從歐美國家先后引進了數(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，并相應地引進了部分監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器和敏感元件制造技，由此推動了我國礦 井安全監(jiān)測監(jiān)控技術的發(fā)展。 1983 年以后，國內有多種型號礦井監(jiān)控系統(tǒng)通過了技術鑒定，逐步實現(xiàn)了對煤礦礦井安全、生產多種參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。近幾年，隨著計算機的發(fā)明和應用，特別是網絡和信息化建設的不斷發(fā)展，給瓦斯治理提供了機遇條件，煤礦瓦斯監(jiān)控網絡系統(tǒng)應運而生。這些裝備和系統(tǒng)的推廣與應用，豐富了我國煤礦安全監(jiān)控 產品的市場，改善了煤礦安全技術裝備的面貌，縮小了我國與國外先進技術水平的差距。 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設備（各種 傳感器，如風量傳感器、負壓（壓力）傳感器、一氧化碳傳感器和礦用設備開停傳感器等）來采集井下各種氣體的濃度與含量、井下空氣狀況、設備的運轉情況等數(shù)據(jù)，然后通過現(xiàn)場總線將數(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器和更高一級安全主管部門服務器連接。服務器上面運行的是監(jiān)控軟件。上面有井下每一個傳感器的標簽，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，監(jiān)控軟件還可以對這些數(shù)據(jù)進行匯總、處理、分析和存檔，可以作為相關負責人員決策的重要依據(jù)。并且監(jiān)控軟件具有超標自動報警功能，用來提示工 作人員對設備的故障或現(xiàn)場瓦斯?jié)舛惹闆r，以及時采取措施，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。特別是由瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)建設所形成的全省煤礦四級信息網絡平臺，是計算機網絡及信息技術用于瓦斯安全治理的一項創(chuàng)舉，極大的促進了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系統(tǒng) 2021 年底累計安裝使用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng) 3868 套。目前，該省國有重點煤礦 121 座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系 統(tǒng)，并全部聯(lián)網運行，在線運行率達 100%。地方煤礦現(xiàn)有 2806座礦井全部安裝了瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，已連網運行 2671座。這些系統(tǒng)的運用，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，除了對工作人員嚴格要求外，加緊建設煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，它對預防瓦斯事故的發(fā)生具有舉足輕重的作用。 5 測量儀器的概念 煤礦安全儀器是用來檢查測量礦井安全狀況的物質手段。什么是測量呢 ?測量是人們對自然界的客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認識過程。在這一過程中，借助 于專門的技術工具，通過實驗方法，求出以所采用的測量單位表示的未知量的數(shù)值大小。測量的目的是為了在限定的時間內盡可能正確地收集被測對象未知信息，以便掌握被測對象的參數(shù)及控制生產過程。例如，在采煤機上安裝采煤機瓦斯斷電控制儀。它不僅可以連續(xù)監(jiān)測采煤機附近風流的甲烷濃度，而且在甲烷濃度超限時還可發(fā)出聲、光報警信號，并自動切斷采煤機的工作電源以防發(fā)生瓦斯事故 , 確保生產安全。 測量儀器的基本性能 評價測量儀器品質的指標是多方面的。儀器的基本性能，主要是衡量儀器測量能力的一些指標，如精確度、穩(wěn)定性、測量范 圍、動態(tài)范圍等。但工作可靠性、經濟性也很重要，這些因素在很大程度上影響儀器的使用。 ：是指在測量中所測數(shù)值重復一致的程度。即對某一穩(wěn)定的被測量在相同的規(guī)定工作條件下，由同一測量者用同一儀器在相當短的時間內按同一方法連續(xù)重復測量多次，其測量示值的不一致程度。不一致程度愈小，說明測量愈精密。 ：是指儀器的性能在工作條件保持恒定的情況下，在規(guī)定的時間內保持不變的能力。它用精密度的數(shù)值和觀測時間長短一起來表示。 ：儀器由于室溫、大氣壓、振動等外部狀態(tài)變化及電源電壓、工作條件變化對 示值的影響統(tǒng)稱為環(huán)境影響，為儀器在校準時都規(guī)定有一個標準工作條件，用影響系數(shù)表示。 4. 可靠性是指儀器對規(guī)定的條件在規(guī)定時間內完成所要求功能的能力。 5. 經濟性 ：任何工業(yè)產品都要講究經濟性。對生產者來講，以重金制造高質量的產品是比較容易的。但是，如果生產出的儀器價格太高，使用者無力購買，出就談不上發(fā)揮作用。對使用者來講總是希望有最少的錢買到一臺具有指定性能的儀器。所以，工程檢測儀器的經濟性也是其重要的指標之一。 6 2 礦內環(huán)境品質的基本介紹 礦內污染物種類繁多，不可能逐一測量，研 究的思路是用一個典型的污染物來代表一類污染物，這種污染物稱為評價指標。 （ 1）瓦斯（ CO）：是一種無色、無味、無臭的氣體；它可燃燒，當含量在 13％～ 75％時，遇火能引起爆炸；瓦斯極毒，當其含量達 0． 4％時，人在短時間內就可中毒死亡?！睹旱V安全規(guī)程》（以下簡稱《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，對眼睛及呼吸系統(tǒng)的粘液膜有強烈的刺激作用?！兑?guī)程》容許其最高濃度為 0． 00066％。 （ 3）二氧化硫（ SO2）：是一種無色、有強烈硫磺味及酸味的氣體，同呼吸氣管潮濕表皮接觸能產生硫酸，刺激并麻痹上部呼吸氣管的細胞組織，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，對人的眼睛及呼吸器官有強烈刺激作用?！兑?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，當其在空氣中含量高時可降低氧含量，引起窒息；它具有爆炸性，爆炸 濃度一般為 5%～ 16％?！兑?guī)程》中對沼氣容許濃度因在井下各點不同。 （ 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重損傷眼睛。《規(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不良的下山盡頭；易溶于水，生成碳酸，對人的眼、鼻、喉的粘膜有刺激作用。《規(guī)程》規(guī)定其最高容許濃度為 0． 5％。 為做到全國統(tǒng)一標準，原國家煤炭部曾在 1964 年就已經提出煤礦質量標準化， 1986年在全國開展實施。國家煤礦安全監(jiān)察局分別于 2021 年 2月 23 日對原部頒標準進行修訂，以煤安監(jiān)辦字【 2021】 24號文下發(fā)了《關于印發(fā) “ 煤礦安全質量標準化標準及考核 7 評級辦法（試行） ” 的通知》。于 2021 年 8月 8日，國家安監(jiān)總局、國家煤礦安監(jiān)局對 標準再次修訂，聯(lián)合頒布安監(jiān)總煤行〔 2021〕 150 號《關于印發(fā) “ 煤礦安全質量標準化標準及考核評級辦法（試行） ” 的通知》?，F(xiàn)在執(zhí)行的是國家煤礦安全監(jiān)察局于 2021年 1月 17日以煤安監(jiān)行管 [2021]1號文件下發(fā)的《煤礦安全質量標準 化考核評級辦法（試行）》版本。 3 礦內空氣傳感器的原理及主要元器件 甲烷濃度檢測儀原理分析 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空氣和甲烷折射率不同所產生的光程差，引起干涉條紋移動來實現(xiàn)對不同甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是準確度高，堅固耐用，校正容易，高低濃度均可測量，還可測量二氧化碳濃度 。其缺點是濃度指示不直觀，受氣壓溫度影響嚴重，特別是空氣中氧氣不足或氮、氧的比例不正常時，要產生誤差 。光學零件加工復雜，成本較高和實現(xiàn)自動檢測較困難。 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定甲烷濃度。其優(yōu)點是元件和儀器的生產成本低，輸出信號大，對于 1%氣樣，電橋輸出可達 15mV 以上，處理和顯示都比較方便，所以儀器的結構簡單，受背景氣體和溫度變化的影響小，容易實現(xiàn)自動檢測。其缺點是探測元件的壽命較短，不能測高濃度甲烷，硫化氫及硅蒸汽會引起元件中毒而失效。目前國內外檢測甲烷的儀器廣泛采用這一原理。 熱導式是利用甲烷與空氣熱導率之差來實現(xiàn)甲烷濃度的測定。其優(yōu)點是熱導元件和儀器設計制作比較簡單，成本低、量程大，可連續(xù)檢測，有利于實現(xiàn)自動 遙測，被測氣體不發(fā)生物理化學變化，讀數(shù)穩(wěn)定，元件壽命長。其缺點是測量低濃度甲烷時輸出信號小，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的紅外線來測定甲烷濃度。其優(yōu)點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，測量范圍寬，可連續(xù)檢測 。其 8 缺點是由于有光電轉換精密結構，使制造和保養(yǎng)產生困難，而且體積大，成本高，耗電多，因此推廣使用受到一定限制。 氣敏半導體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導體被加熱到 200℃時， 其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢測甲烷濃度。其優(yōu)點是對微量甲烷比較敏感，結構簡單、成本低。但當濃度大于 1 %CH4 時，其反應遲鈍，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，而多用于可燃氣體的檢漏報警。 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