矿井中有害气体浓度检测系统的研究

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摘 要 矿井中的有害气体对井下作业人员的生命安全造成了极大地威胁，文章中指出了矿井中常见灾害，并且分析了造成瓦斯爆炸的原因，最后阐述了矿井中有害气体检测时常用的传感器类型及其优缺点。

关键词 煤矿；一氧化碳气体；传感器；瓦斯爆炸

中图分类号 TD 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)122-0155-01

随着井下作业的增多和计算机科学技术的快速发展，将矿井中有害气体的检测做成一个完成的系统，由计算机控制已经成为当今井下气体检测系统发展的潮流。计算机检测系统是通过传感器检测井下混合气体的浓度，并且将数据传输到计算机中，计算机通过分析处理做出相应的决策，以确保井下作业人员的人身安全。井下气体的检测主要包括CH4的检测和CO气体的检测两部分。

1 井下瓦斯灾害的类型

我们把在煤矿井下采掘过程中从煤岩中涌出的有害气体总称为瓦斯。瓦斯的主要成分是CO、H2S、CH4等烃类化合物，其中CH4是瓦斯的主要成分，占混合气体的90%以上。在井下作业过程中，瓦斯经常会从煤岩裂缝中喷出来，由于CH4属于易燃易爆气体，在煤矿井下复杂的环境中遇到火源就会迅速燃烧起来，甚至会发生瓦斯爆炸，对井下工作人员的生命和财产安全造成一定程度的威胁。常见的井下瓦斯灾害主要有三种不同的类型：瓦斯爆炸、瓦斯突出和瓦斯燃烧。

2 井下作业的检测参数

对于井下作业安全的检查主要包括井下环境参数的检查和井下机械设备运行状态的检查。这次论文主要讨论的是井下环境参数的检查，一般常用的检测元件是传感器。传感器是能够检测到被测量物质的变化，并且按照一定的规律将被测量量的变化转变成可用信号的一种器件或者装置的总称。检测的参数包括CH4和CO气体的浓度，井下环境的温度和湿度。

2.1 CH4的检测

CH4是无色无味的气体，当检测到井下CH4的浓度达到2%时，工作人员就要迅速撤离现。因此，对CH4的检测是非常主要的，目前国内常用的检测方法有光学干涉法瓦斯检测、催化燃烧型瓦斯检测以及红外瓦斯检测。

常用的CH4检测传感器有红外甲烷传感器和催化甲烷传感器两种不同的类型，其中红外甲烷传感器是利用空气中的气体吸收红外线能量的多少来计算被测气体的浓度，催化甲烷传感器是利用催化剂的催化作用，使得可燃气体燃烧放出一定的能量，再由热敏电阻传感器测定温度的变化，最后计算出甲烷的浓度。这次检测中主要用的是KG9701热催化传感器，它的信号输出范围为1 mA～5 mA或者200 Hz～1 000 Hz，它可以对矿井中甲烷浓度进行连续监测。图1是在8月13日00：00―8月18日09：27时这一时间段内测得的甲烷曲线，计算机通过对得出的数据进行处理就可以得到相应时刻的甲烷浓度。

2.2 CO气体的检测

CO气体是引爆瓦斯爆炸最主要的气体，所以CO的检测也是相当重要的。目前常用的CO传感器有电化学气体传感器、催化传感器、固态传感器和红外气体传感器四种不同的类型。

电化学气体传感器是由阴阳两个电极组成，并且在两极之间充满电解质，当矿井中的有害气体与电解质接触时检测电极表面就会发生相应的氧化还原反应，反应的激烈程度与气体浓度的大小有关。该传感器工作时所需要的功率较小，检测气体的灵敏度高，但是传感器的稳定性能较差。一般使用1-3年后需要重新对电化学传感器进行标定，电解液也要定期填充。

催化型传感器是利用铂丝螺线圈制成的。当可燃气体分子燃烧时放出的热量使得铂丝的阻值改变，从而改变电桥的平衡。根据铂线圈阻值的变化就可以计算出相应的气体体积分数。该传感器在爆炸的下限范围内，响应时间短，测量精度较高，输出的电信号和CO的体积分数成正比，并且不容易受环境温度的影响。但是当矿井中CO的体积分数太高时产生大量的热容易烧坏传感器。在使用该传感器测量CO浓度时会产生零点漂移现象，要定期校正其零点和灵敏度。

固态传感器是由过渡金属的氧化物制造而成的，并且在传感器内部置入了加热器，从而使固态传感器能够保持在最佳的检测温度。其工作原理还是氧化还原反应，CO被氧化,由置入金属氧化物中的偏置电机测出电导率的变化，从而得到气体的体积分数。该传感器结构相对简单，抵抗冲击和震动的能力较强，并且在CO体积分数较高的情况下也不会发生烧损的现象，它能够检测的气体范围非常广，甚至能够检测一些电化学传感器不能检测的气体，因此广泛应用在井下可燃、易爆气体的检测以及有毒气体的检测过程中。在这次的检测中同样采用了GTH100型矿用CO传感器，该传感器的输入电压为9 V～24 V，输出信号为200 Hz～1 000 Hz，

测量范围为0-1 000 ppm。

红外气体传感器是利用分子间吸收红外光谱能力的不同制成的，不同浓度的气体吸收能力不同。该传感器内部没有化学反应发生，因此测量时不需要氧气或者空气的参与，适于缺氧地区有害气体的检测。

2.3 温度和风速传感器

在选定了CO和CH4检测传感器后还要选择温度和风速传感器，这次检测中选用的是CN61M/304220温度传感器和KG3088风速传感器。其中温度传感器是利用半导体的热敏二极管探头制成的固定式智能传感器，适用于矿井下环境温度的测量。

3 结论

目前传感器的发展方向是微型化、智能化和集成化。同时要求传感器的长期稳定性好、维修方便，能够实现信息的传输、处理、存储和显示等功能，传感器在矿井有害气体的监测中起着举足轻重的作用。

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