光學束管隧道氣體監(jiān)測系統(tǒng)

陳榮鵬 樊靜 王超

摘 ?要：鉆爆法開采隧道時，會產生大量的有毒氣體[1]，傳統(tǒng)的檢測方法精度不高，施工中通常選擇過度通風，帶來了巨大的能源消耗。本系統(tǒng)在現(xiàn)有束管系統(tǒng)上進行改進，將系統(tǒng)進行整合，采用氣相色譜檢測單元結合智能算法，解決了現(xiàn)有傳感器交叉干擾嚴重的問題，提高檢測精度，形成風機的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道通風的精確控制。

關鍵詞：隧道施工;束管檢測;光學分析

中圖分類號：TD752.2 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）35-0045-02

Abstract： When drilling and blasting method mining tunnel， it will produce a lot of toxic gas. The accuracy of traditional detection method is not high， and excessive ventilation is usually chosen in construction， which brings huge energy consumption. The system is improved on the existing beam tube system， the system is integrated， and the gas chromatography detection unit combined with intelligent algorithm is adopted to solve the serious problem of cross interference of existing sensors and improve the detection accuracy. The closed-loop control system of fan is formed to realize the accurate control of tunnel ventilation.

Keywords： tunnel construction; beam tube detection; optical analysis

1 概述

束管檢測系統(tǒng)是一種有效的環(huán)境參數檢測技術，普遍應用在煤礦等工業(yè)場景中，該系統(tǒng)能利用色譜分析技術對周圍環(huán)境的氣體成分及濃度進行分析，實現(xiàn)對氣體環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測，并對其濃度的變化進行預測。而在隧道施工通風過程中，隧道內的環(huán)境參數的檢測是一個非常重要的環(huán)節(jié)，隧道內的氣體環(huán)境需要精確監(jiān)測，以防止隧道開采過程中產生的大量有毒有害氣體對工作人員的人身安全造成危害。隧道開采時，需要通過風機進行換氣，由于氣體檢測不準確，對風機控制精度不夠，每日電費花銷很大，容易造成資源浪費。傳統(tǒng)的氣體傳感器只能檢測單點，而且在實際使用過程中，普遍存在檢測精度不高，很難依靠監(jiān)測數據形成風機的閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此行業(yè)急需一種精確有效的新型檢測設備。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

就國內外行情，不論是國內還是國外，引進一套設備造價不菲，而且維護費用高，由于單點檢測，數據不夠準確，耗電量大，使用費用高。束管監(jiān)測技術一般應用在隧道施工，煤礦氣體檢測等。束管檢測技術發(fā)展到現(xiàn)在一共經歷了四代。

第四代束管檢測系統(tǒng)把抽氣系統(tǒng)與氣體分析系統(tǒng)全部布置在現(xiàn)場，使得束管的維修工作大大降低，并提高了分析實時性及精確性。同時，第四代束管在實時性有較大突破，但是目前市面現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)無論從系統(tǒng)搭配、監(jiān)測方式方法以及成本方面仍存在問題。主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)維護復雜、氣體監(jiān)測方法不可靠、系統(tǒng)成本高等。色譜儀應用到隧道施工現(xiàn)場操作復雜，長期運行維護工作量大。另外紅外氣體傳感器氣體交叉干擾嚴重，應用效果不理想;電化學傳感器易受到水汽等氣體的交叉干擾等問題。目前該類束管系統(tǒng)尚未得到良好的推廣。

目前國內外第四代束管監(jiān)測技術不夠成熟，依然存在檢測精度不夠，束管鋪設過長的問題。束管現(xiàn)場數據采集是目前國內外發(fā)展的趨勢，具有精度高，實時性強的特點，對隧道內的環(huán)境參數的檢測有重要作用。

3 工作流程

該系統(tǒng)主要由監(jiān)測節(jié)點及計算機控制終端組成[2]，其工作流程圖如圖1所示。在隧道施工現(xiàn)場，按照固定距離安裝監(jiān)測節(jié)點，對危險區(qū)域的氣體環(huán)境進行分析，實時監(jiān)測爆破現(xiàn)場的氣體成分及濃度。系統(tǒng)工作時，監(jiān)測節(jié)點將氣體的光譜數據通過以太網傳送給隧道外的計算機終端，計算機終端通過算法分析氣體光譜數據，得出氣體的成分及各自的濃度，當隧道內的氣體環(huán)境符合安全標準時，再安排人員進入現(xiàn)場施工。

4 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的布置方式如圖2所示。系統(tǒng)主體為各監(jiān)測節(jié)點，各監(jiān)測節(jié)點在隧道內按需分布安裝，每個節(jié)點負責實時監(jiān)測所屬區(qū)域的氣體環(huán)境質量。每個節(jié)點各自獨立運行，由隧道外的計算機終端控制。

監(jiān)測節(jié)點內部結構如圖3所示。檢測節(jié)點主要由氣相色譜儀，光源，抽氣泵，濾網，供電模塊組成。監(jiān)測節(jié)點工作時，通過抽氣泵將氣體吸入通風管道[3]，光源照射經濾網過濾的氣體，再通過氣相色譜儀獲得氣體的光譜數據，并通過以太網實時回傳至計算機終端，再通過算法對光譜數據進行分析，得到氣體成分及濃度。

5 系統(tǒng)功能及優(yōu)點

（1）實時監(jiān)測抗干擾能力強，精確度大大提高。通過現(xiàn)場布置多點采集，通過以太網傳輸通道實時監(jiān)測空氣環(huán)境指數。監(jiān)測節(jié)點能實現(xiàn)自動抽樣檢測，自動控制，數據處理及輸出，數據實時回傳至計算機終端。

（2）成本降低，造價便宜。監(jiān)測節(jié)點能根據隧道長短按需安裝，配置靈活方便，節(jié)點分布簡單，易于查找故障點節(jié)省人力，降低系統(tǒng)造價和維護成本;分析儀器通過一臺光譜分析儀，終端運用智能算法分析檢測，減少之前多種空氣傳感器的使用，束管道路大大縮短，成本降低。

（3）操作簡單，易于調控。本系統(tǒng)依托以太網傳輸，終端分析，通過軟件對數據進行儲存和處理組織，擁有監(jiān)測數據共享平臺，用戶能通過計算機終端在上位機軟件上監(jiān)測實時數據，可更加全面分析隧道內氣體環(huán)境質量。

6 結論

解決目前第四代束管監(jiān)測系統(tǒng)中存在的諸多問題，提高整個監(jiān)測系統(tǒng)的可用性和準確性，為隧道施工現(xiàn)場的環(huán)境參數監(jiān)測和通風工作的高效運轉提供技術支撐，從而降低通風成本，縮短通風時間;同時本項目還可以應用于煤礦氣體檢測，預防井下自燃，瓦斯爆炸等災害。

參考文獻：

[1]賀明新.礦井應急救援現(xiàn)場氣體數據采集分析技術[J].煤礦安全，2011，42（09）：27-29.

[2]李建軍，李榮升.基于電子信息技術在束管監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)化設計[J].山東煤炭科技，2019（03）：199-201.

[3]白光星，聶百勝，尹京梅，等.礦用束管正壓與負壓輸氣研究[J].煤礦安全，2016，47（08）：61-64.