基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李團(tuán)結(jié)，白光星，張 琦，陳煒樂(lè)，鄧 軍，王彩萍，賈明鑠

（1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.淄博祥龍測(cè)控技術(shù)有限公司，山東 淄博 255000）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因煤炭自燃災(zāi)害造成的直接或間接損失約50 億元，已成為制約我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素[1-3]。因此，對(duì)煤炭自燃的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。煤自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)是指在煤層開(kāi)采后，利用煤層自燃過(guò)程中氣體產(chǎn)物和溫度的變化，判識(shí)煤自然發(fā)火狀況，判斷發(fā)火位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤自燃火災(zāi)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警[4]。礦用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為目前煤礦內(nèi)因火災(zāi)監(jiān)測(cè)的重要方法之一[5]，具有高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，其通過(guò)監(jiān)測(cè)煤自然環(huán)境中的氣體體積分?jǐn)?shù)變化[6-7]，判斷封閉火區(qū)內(nèi)煤自燃發(fā)展程度，為井下煤火防治的開(kāi)展提供了重要的數(shù)據(jù)支持，保障了煤礦的安全高效開(kāi)采，已成為煤自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)不可或缺的重要工具[8-9]。隨著礦井開(kāi)采深度逐漸加大，束管應(yīng)用長(zhǎng)度越大，導(dǎo)致束管維護(hù)管理的難度日趨嚴(yán)重，長(zhǎng)距離束管監(jiān)測(cè)時(shí)逐漸顯現(xiàn)出氣體檢測(cè)易失真、系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性差、維護(hù)成本高、分析周期長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性較差等問(wèn)題。同時(shí)，傳統(tǒng)束管采用負(fù)壓輸氣，易污染束管內(nèi)氣樣，而且氣樣在輸送過(guò)程中，易因束管破損、折彎、水堵等情況，致使氣樣無(wú)法正常輸送至井上，無(wú)法采集到真實(shí)有效的氣體數(shù)據(jù)，影響對(duì)煤礦自燃火災(zāi)信息的準(zhǔn)確掌握[10]。因此，針對(duì)以上問(wèn)題，在傳統(tǒng)束管色譜系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合微型氣相色譜檢測(cè)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)[11]，研制了本安型井下微色譜和束管正壓輸氣泵站，形成了基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為煤自燃火災(zāi)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供有效的科學(xué)依據(jù)。

1 基于微色譜和正壓輸氣的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1。

圖1 基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Spontaneous combustion fire monitoring system for coal mines based on micro gas chromatography and positive pressure gas delivery technology

基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由礦用本安型煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測(cè)主站、束管輸氣系統(tǒng)、防爆開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、WEB 客戶(hù)端、系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)等組成，其主要裝置均布設(shè)于井下，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與井上電腦相連。在計(jì)算機(jī)控制下，井下微色譜可對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣體進(jìn)行就近取樣與精確分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)H2、CO2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等氣體體積分?jǐn)?shù)的在線監(jiān)測(cè)，將其分析結(jié)果以報(bào)表和譜圖等方式提供給相關(guān)技術(shù)人員的同時(shí)，自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。通過(guò)分析氣體體積分?jǐn)?shù)、烷烯比等數(shù)據(jù)的變化特征，從而對(duì)煤自燃過(guò)程中的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

1.1 微色譜系統(tǒng)

為降低功率，實(shí)現(xiàn)色譜技術(shù)的本質(zhì)安全化，微色譜進(jìn)樣采用微機(jī)電技術(shù)將微進(jìn)樣系統(tǒng)集成于硅片，通過(guò)色譜儀內(nèi)微型采樣泵自動(dòng)將樣品注入色譜儀定量管中，達(dá)到精準(zhǔn)定量進(jìn)樣的目的。微色譜系統(tǒng)原理圖如圖2。微色譜系統(tǒng)外圍氣路設(shè)計(jì)原理圖如圖3。

圖2 微色譜系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of micro gas chromatography system

圖3 微色譜系統(tǒng)外圍氣路設(shè)計(jì)原理圖Fig.3 Schematic diagram of peripheral gas circuit design of micro chromatographic system

微型氣相色譜儀使用1～2 個(gè)色譜通道來(lái)設(shè)計(jì)，每個(gè)通道或模塊是1 個(gè)獨(dú)立的氣相色譜儀，由微型進(jìn)樣器、微型熱導(dǎo)檢測(cè)器和高分離度毛細(xì)色譜柱組成。樣品從前進(jìn)樣口進(jìn)入，分別進(jìn)入各個(gè)通道。隨后真空泵開(kāi)啟（同時(shí)微進(jìn)樣閥打開(kāi)），將樣品通過(guò)進(jìn)樣口同時(shí)吸入各個(gè)模塊的微進(jìn)樣器內(nèi)，沖洗死體積并充滿定量環(huán)。隨后真空泵停，微進(jìn)樣閥關(guān)閉。載氣進(jìn)入微進(jìn)樣器的定量環(huán)中，將樣品氣壓入色譜柱。樣品在色譜柱中進(jìn)行分離后，按相應(yīng)程序進(jìn)入微熱導(dǎo)檢測(cè)器。微熱導(dǎo)檢測(cè)器將檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)放大器放大后，送至電腦進(jìn)行處理，得到反映樣品成分和色譜分離效果的色譜圖和數(shù)據(jù)，并由打印機(jī)輸出。

載氣控制系統(tǒng)采用GC99 的電子壓力控制系統(tǒng)，對(duì)載氣流量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)是由壓力傳感器、電子壓力控制閥（比例控制閥）與訊號(hào)處理板組成的反饋電路。當(dāng)壓力傳感器測(cè)得的氣路實(shí)際壓強(qiáng)與設(shè)定值不同時(shí)，將電壓輸出到訊號(hào)處理板，訊號(hào)處理板響應(yīng)出新電壓并反饋至比例控制閥，通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)閥孔開(kāi)啟面積，從而改變流量。較高的反饋頻率可達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的壓力實(shí)時(shí)控制效果。再用空心毛細(xì)色譜柱分離樣品時(shí)，在程序升溫條件下，電子壓力控制裝置（EPC 系統(tǒng)）調(diào)節(jié)柱頭壓實(shí)現(xiàn)恒定流量，常用柱壓范圍20～35 psi（1 psi=6.895 kPa）。

1.2 束管正壓輸氣技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)正壓輸氣，避免負(fù)壓輸氣帶來(lái)的氣體運(yùn)動(dòng)速度慢和被檢氣體易污染的問(wèn)題，結(jié)合專(zhuān)用束管輸氣泵站的設(shè)計(jì)，對(duì)井下氣體傳輸部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

專(zhuān)用束管輸氣泵站的進(jìn)氣端為負(fù)壓進(jìn)氣, 與主站采樣智能防護(hù)裝置連接；專(zhuān)用束管輸氣泵站的輸氣端為正壓輸氣，與微色譜監(jiān)測(cè)主站連接。主站采樣智能防護(hù)裝置連接束管分路箱，在主站采樣智能防護(hù)裝置與分路箱之間設(shè)有冷凝泄壓裝置，該冷凝泄壓裝置連接排水裝置，冷凝泄壓裝置可將管道中的水氣冷凝后通過(guò)排水裝置排出，避免水氣在對(duì)井下氣體分析時(shí)產(chǎn)生誤差。井下待測(cè)氣體經(jīng)主站采樣智能防護(hù)裝置負(fù)壓進(jìn)入束管輸氣泵，經(jīng)正壓輸氣后送入礦用本安型煤礦自然發(fā)火束管微色譜監(jiān)測(cè)主站進(jìn)行氣體分析，分析數(shù)據(jù)處理后經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳至地面系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)。

1.3 火災(zāi)監(jiān)測(cè)主站微色譜分析

為保證礦井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)多組分氣體分析主站對(duì)氣體進(jìn)行快速分析監(jiān)測(cè)，將檢測(cè)的結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口上傳至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對(duì)主站進(jìn)行自動(dòng)控制。

KSS200（D）-Z 礦用本安型煤礦井下火災(zāi)監(jiān)測(cè)主站由微型色譜儀、驅(qū)動(dòng)電路、電磁閥及采樣控制模塊等部分組成，被封裝于本安的色譜監(jiān)測(cè)分站的箱體內(nèi)，是束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分。利用井上系統(tǒng)管理平臺(tái)設(shè)定色譜監(jiān)測(cè)分站系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)后，經(jīng)井上系統(tǒng)管理平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制，將束管采樣得到的井下氣體依次分別通過(guò)色譜儀進(jìn)樣分析，并將結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至井上系統(tǒng)管理平臺(tái)。通過(guò)井上的監(jiān)控平臺(tái)軟件，操控監(jiān)測(cè)分站，獲取監(jiān)測(cè)分站的分析結(jié)果。

系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2013 進(jìn)行井下微色譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖脚_(tái)開(kāi)發(fā)，針對(duì)不同用戶(hù)系統(tǒng)支持的需要，采用Microsoft .Net Framework 4.0運(yùn)行平臺(tái)，保證了良好的兼容性；且引入最新的界面工具庫(kù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可操作性，針對(duì)需在網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制下進(jìn)行操作的軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套嚴(yán)密的故障處理與容錯(cuò)機(jī)制，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，使系統(tǒng)可以在各種設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)通信等方面有較強(qiáng)的適應(yīng)性，從而保證最大的耐用性。

在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種人機(jī)交互的圖形化操作模式，極大地降低了數(shù)據(jù)處理的難度，同時(shí)，通過(guò)圖形化的數(shù)據(jù)分析方式，使用戶(hù)可以更直觀的監(jiān)控煤礦井下自燃火災(zāi)發(fā)展變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程；并運(yùn)用美國(guó)Aglient 分析儀器公司開(kāi)發(fā)的多功能色譜數(shù)據(jù)處理工作站軟件，對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試并得到樣品的分析結(jié)果。

2 系統(tǒng)的應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析

基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是用于煤礦自燃火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的新型控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)束管正壓輸氣泵站，將井下煤層監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體輸送至由微機(jī)控制的礦用本安型井下火災(zāi)監(jiān)測(cè)主站中，進(jìn)行氣體組分體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)，并通過(guò)分析氣體體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)，判斷井下自然發(fā)火程度，從而為煤礦的安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

考察微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度通常采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示。在一定試驗(yàn)條件下，重復(fù)進(jìn)樣6 次，計(jì)算數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差是指標(biāo)準(zhǔn)偏差S 和測(cè)量結(jié)果算術(shù)平均值X 之比。

采用1 組標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。通過(guò)6 次分析測(cè)試，得到各個(gè)氣體分析組分的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 1 Test data and relative standard deviation

通過(guò)試驗(yàn)可得：

1）利用微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠分析出絕大多數(shù)煤自燃標(biāo)志性氣體，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到使用要求。

2）基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提高了系統(tǒng)輸氣速度，是傳統(tǒng)負(fù)壓輸氣的5～10 倍；保證氣體不受污染，分析氣體種類(lèi)增多，提高了系統(tǒng)分析精度。

3）系統(tǒng)性能穩(wěn)定，符合井下使用要求，1 次進(jìn)樣可在2～3 min 內(nèi)同時(shí)分析出10 種氣體組分，系統(tǒng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1.54%，相對(duì)精度達(dá)到1.0%。采用可變體積進(jìn)樣器或大體積進(jìn)樣，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜1%，采用固定體積進(jìn)樣，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜0.2%，檢測(cè)限可達(dá)到1×10-6。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外煤礦井下監(jiān)測(cè)技術(shù)的分析與研究，結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際情況，研發(fā)出一種能夠在井下進(jìn)行束管采樣、氣樣分析的基于微色譜和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用微型熱導(dǎo)檢測(cè)器靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)提供了氣相色譜儀井下應(yīng)用的條件；利用束管正壓輸氣技術(shù)解決了負(fù)壓輸氣帶來(lái)的氣體運(yùn)動(dòng)速度慢和被檢氣體易污染等問(wèn)題；利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守與自動(dòng)化運(yùn)行；利用工業(yè)環(huán)網(wǎng)通信為數(shù)據(jù)的共享提供了便利?；谖⑸V和正壓輸氣技術(shù)的煤礦自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅真正實(shí)現(xiàn)了井下氣體井下分析，而且為煤礦安全生產(chǎn)工作提供了更有利的技術(shù)支持。