第六章矿井气体检测仪器仪表及瓦斯监控系统

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1、第六章 矿井气体检测仪器仪表及瓦斯监控系统第一节 矿井气体检测仪器仪表一、 光学甲烷检测仪（一） 光学甲烷检测仪的用途光学甲烷检测仪是煤矿井下使用最普遍的便携式仪器之一，使用光学甲烷检测仪既可以测定甲烷（瓦斯）浓度，又可以测定二氧化碳浓度。按其测量瓦斯浓度的范围分为0%10%（精度0.01%）和0%100%（精度0.1%）2种。 它具有携带方便，操作简单，安全可靠，精度高，测量范围大，使用寿命长，坚固耐用等优点。（二） 光学甲烷检测仪的构造及工作原理 1.光学甲烷检测仪的构造 光学甲烷检测仪有多种型号，我国生产的主要有AQG型和QWJ型，其外形和内部构造基本相同。现以AQG-1型为例说明其构造

2、。AQG-1型光学甲烷检测仪从外形看像个矩形盒子，主要由气路、光路和电路三大系统组成，如图6-1所示。 （1） 气路系统。光学甲烷检测仪的气路系统主要由吸气管4、进气管5、水分吸收管9、二氧化碳吸收管11、吸气橡皮球10、气室（包括甲烷室和空气室）22和盘形管30等组成。其主要部件的作用为： 气室中的甲烷室用于存贮所采气样，空气室则用于存贮新鲜空气。 水分吸收管内装有硅胶，并与仪器的进气管相连通，其作用是对通过吸收管的气体进行干燥，使水蒸气不能进入甲烷室，能预防仪器故障并使测值准确。 盘形管（也称毛细管）一端与空气室相通，另一端与仪器所处的环境大气相通，其作用是使测定时空气室内气体压力与甲烷室

3、相同（气压不同会造成误差），同时又能防止环境中有害气体通过盘形管进入空气室，使室内保持有新鲜空气。 （2） 光路系统。光学甲烷检测仪的光路系统如图6-2所示，主要由光源灯泡1、光栅2、聚光镜3、平行平面镜4、折光棱镜5、反射棱镜6、物镜7、测微玻璃8、分划板9、场镜10、目镜11和目镜保护玻璃12组成。光路系统主要零件的作用为： 光源灯泡是仪器光路系统的光源，其额定电压为1.35 V，具有白色反光面的灯泡效果较好。 聚光镜的作用是汇集光源发出的光，使其照射范围变窄，亮度增强。 平行平面镜是产生干涉条纹的重要部件，在图中的a点，它通过反射和折射，将一束光线变为两束平行光线，而在b点，它又再次通过

4、折射和反射，使两束平行光线转向，并使其传播空间发生重叠，从而形成干涉条件，产生干涉条纹。 折光棱镜的作用是将从空气室中射出的光线经两次反射（每次反射折转90）使其传播方向折转180而返回气室。 反射棱镜的作用是将光线转向90，使其投射到物镜上。 物镜上的光屏用以改善干涉条纹的清晰度，调节物镜前后的距离，可使干涉条纹在分划板上成像清晰。 物镜和目镜等组成目镜组，该组主要起放大作用，使分划板和干涉条纹便于观察。当分划板刻度线和数字不清晰时，可利用目镜进行调节；干涉条纹不清晰时，有时也可利用目镜组进行调节。 （3） 电路系统。光学甲烷检测仪的电路系统主要由干电池12（1节1号干电池）、光源灯泡16、

5、微读数电门7和光源电门8等组成。 气路、光路和电路三大系统是光学甲烷检测仪的主要组成部分，除此之外，光学甲烷检测仪还包括测微组件和主调螺旋等部件。测微组件主要由测微玻璃、微读数盘、微调螺旋、照明灯泡等组成，其作用是为了提高读数精度。2.光学甲烷检测仪的工作原理 光学甲烷检测仪的工作原理为：从光源1发出的白光，经光栅2和聚光镜3变成一束细而亮的光束后投射到平行平面镜4上。在平行平面镜的a点，光束受平行平面镜作用分成两束（实线和虚线各表示一束），实线表示的那一束光线经空气室、折光棱镜5（其作用是使光线转向180）再次经过空气室后投射到平行平面镜上；虚线表示的那一束光线经过甲烷室、折光棱镜5再次经过

6、甲烷室后也投射到平行平面镜上。这两束光线经平行平面镜作用在b点汇合成“一束”光线，实际上是这两束光线传播的路径发生了重叠而已。这两束光线已成为相干光源，会形成干涉现象。当这两束光线经折射棱镜6（作用是将光线转向90）投射到物镜7上时，通过目镜11和物镜7等组成的望远镜系统就可看到在物镜7的焦平面上产生的干涉条纹，（白色光特有的干涉条纹，又称光谱）。干涉条纹由红、绿、黄、黑4种条纹组成，成一定规律分布，其中有两条黑纹比较清楚，左边那一条常被用作黑基准线。如果在仪器的空气室和甲烷室里都充入同样密度的新鲜空气，并利用分划板和所选的基准线记下这时的干涉条纹的位置，当甲烷室中充入含有甲烷的气体时，干涉条

7、纹就会发生位移（因为甲烷相对于空气来说是光密介质，折射率大，会使通过甲烷室那束光线的光程增大），其位移量与甲烷室的甲烷浓度成正比，利用特制的分划板就可以将干涉条纹的位移量换算成甲烷室的甲烷浓度。 二、 便携式甲烷检测仪 便携式甲烷自动检测报警仪是一种携带式可连续自动测定环境中甲烷浓度的全电子仪器，具有操作方便、读数直观、工作可靠、体积小、重量轻、维修方便等特点。 1.热催化式（热效式）甲烷自动检测报警仪 热催化式（热效式）甲烷自动检测报警仪主要由传感器、电源、放大电路、报警电路、显示电路等部分构成。其中，黑元件是传感器，白元件是补偿元件，是仪器的主要部分；黑、白两个元件分别接在一个电桥的两个相

8、邻桥臂上，而电桥的另外两个桥臂被分别接入适当电阻，共同组成测量电桥。 当一定的工作电流通过检测元件（黑元件）时，其表面即被加热到一定的温度，而这时当含有甲烷的空气接触到检测元件表面时，便被催化燃烧，放出的热量会使检测元件的温度升高，电阻值增加。电桥就失去平衡，输出一定的电压。实验证明，在甲烷浓度低于4%的情况下，电桥输出的电压与甲烷浓度基本上成直线关系，因此可以通过测量电桥输出电压的大小测算出甲烷浓度的数值；当甲烷浓度超过4%时，输出电压就不再与甲烷浓度成正比关系，所以按这种原理制造的甲烷自动检测报警仪只能测低浓度甲烷。 2.热导式甲烷自动检测报警仪 热导式甲烷自动检测报警仪与热催化式甲烷自动

9、检测报警仪的构造基本相同，也是由传感器、电源、放大电路、显示及报警电路组成，区别在于两种仪器的传感器工作原理不同。热导式传感器是根据矿井空气的导热系数随空气中甲烷含量不同成一定规律变化这一性质测量甲烷浓度的。这种甲烷自动检测报警仪可以检定高浓度甲烷。3.红外线气体检测仪 红外线气体检测仪是一种可以灵活配置的单种气体或多种气体检测仪，它可以配备氧气传感器、可燃气传感器和任选2种有毒气体传感器或任选4种有毒气体传感器或任选单种气体传感器。它具有非常清晰的大液晶显示屏以及声光报警提示，保证在非常不利的工作环境下也可以检测危险气体并及时提示操作人员预防。开机或需要时可对显示、电池、传感器、声光报警功能

10、自检。其技术参数如表6-1所示。三、 一氧化碳检测仪 准确地测定一氧化碳浓度，是保证员工生命安全和防止自然发火事故发生的有效手段。 （一） 一氧化碳检测仪的种类及结构 检测一氧化碳浓度的仪器种类很多，不同的分类方法可以分成不同的种类。例如，按工作原理可分为化学原理、定电位化学原理、红外线吸收原理、催化燃烧原理、气敏半导体原理、气相色谱原理等；按安装使用方式不同可分为便携式和固定式2种。 1.一氧化碳检定管的结构 该仪器用检定管检测井下空气的成分。它由检定管和吸气装置2部分组成。 （1） 检定管的结构。检定管结构如图6-3所示。 检定管由外壳、堵塞物、保护胶、隔离层及指示胶等组成。其中外壳是用中

11、性玻璃管加工而成。堵塞物用的是玻璃丝布、防声棉或耐酸涤纶，它对管内物质起固定作用。保护胶是用硅胶作载体吸附试剂制成，其用途是除去对指示胶变色有干扰的气体。隔离层一般用的是有色玻璃粉或其他惰性有色颗粒物质，它对指示胶起界限作用。指示胶是以活性硅胶为载体吸附化学试剂经加工处理而成。（2） 吸气装置的结构。吸气装置又称采样器，实质上是一个取样唧筒，其结构如图6-4所示。 它是由铝合金管及气密性良好的活塞所组成。抽取一次气样为50 mL，在活塞杆上有10等分刻度，并标有吸入试样的毫升数。采样器的前端有个三通阀，当三通阀把3平放时，是吸取气样位置，如果取样地点采样器不便进入时，可在气样入孔1处接胶管来取

12、气；三通阀把3处于垂直位置时，可将吸入气筒的气样通过检定管插孔2压入检定管；而三通阀把3处于45位置时，三通阀为关闭状态。2.一氧化碳测量仪的结构一氧化碳测量仪外形呈扁长方体，外壳采用高强度工程塑料制成。测量仪壳体与后盖之间通过4个专用沉头螺钉连接成一体。其结构如图6-5所示，气路的连接如图6-6所示。 图6-5 一氧化碳测量仪的结构 （a） 一氧化碳测量仪的外部结构； （b） 一氧化碳测量仪的内部结构；（c） 一氧化碳测量仪电路板组结构 3.便携式一氧化碳测量报警仪的结构 便携式一氧化碳测量报警仪的结构如图6-7所示。其外形为长方形，左上部为报警指示灯，右上部为传感器。正面板左上方为蜂鸣器；

13、中部为三位码显示窗，仪器的右侧中部设有电源开关，下部有一“关合”板，打开它可见调零和调整报警点电位器。仪器的中下部设有调精度电压器，而在下方则设有一节6F22型叠层方型电池。 （二） 一氧化碳检测仪的工作原理 1.一氧化碳检定管的工作原理 一氧化碳检定管是以活性硅胶为载体，吸附化学试剂碘酸钾和发烟硫酸作为指示胶，当含有一氧化碳的空气通过检定管时，与指示胶反应，有碘生成，沿玻璃管壁形成一个棕色环，随着气流通过，棕色环向前移动，其移动的距离与被测空气中的一氧化碳含量成正比关系，因此当检定管中通过定量空气后，根据色环移动的距离便可测得所测空气中的一氧化碳含量。 2.一氧化碳测量仪的工作原理 一氧化碳

14、测量仪采用控制电位电解法实现了对空气中的一氧化碳浓度的测定。 3.便携式一氧化碳测量报警仪的工作原理 便携式一氧化碳测量报警仪是应用电化学原理实现大气中一氧化碳气体含量测量和超限自动报警的携带式仪器。 四、 便携式氧气检测仪 1.便携式氧气检测仪的种类 在矿井环境中对氧气含量进行检测具有重要的意义。可以用来检测氧气含量的方法很多，常用的仪器有数字式氧气浓度计，瓦斯、氧气检测仪等。 2.便携式氧气检测仪的工作原理 （1） 数字式氧气浓度计的工作原理。数字式氧气浓度计的外部结构和工作原理如图6-8、图6-9所示。通过氧气传感元件，将空气中氧气浓度的变化转换成电信号的变化，经输入调节回路、A/D转换

15、器到显示单元显示氧气浓度。 由于透过薄膜的氧气量与氧分压有关，故大气压力对输出电流的大小有影响，当使用地点与校准地点大气压力有较大差异时，特别是在开采深度较大的矿井中测定时，应对其值进行修正。另外，温度对仪器的指示也有一定影响，需用热敏电阻或其他方法进行补偿。所以，仪器的使用环境温度范围为040 。 （2） 瓦斯、氧气检测仪的工作原理。瓦斯、氧气检测仪的工作原理如图6-10所示。通过瓦斯和氧气传感元件，将空气中瓦斯和氧气浓度的变化转换成电信号的变化，此信号经信号调整电路和模拟开关切换电路，送至数字显示电路（包括A/D转换器、LED数字显示器）进行显示，经解码电路、控制报警电路实现超限报警。 （

16、3） 氧气检测仪的工作原理。氧气检测仪采用隔膜伽伐尼电池原理，简称隔膜原电池原理。这里的隔膜原电池便是测氧气的传感元件，由金作阴极、铅作阳极、碱性电解液及特制透氧气的聚四氟乙烯薄膜组成。它与空气中的氧气接触后，产生去极化电流，该电流正比于氧分压。氧气检测仪的工作原理如图6-11所示。 由隔膜原电池N与温度补偿热敏电阻Rt构成的氧传感元件为GYR-25型氧气传感元件。测量时，氧气传感元件两端的电压发生变化并通过电表G显示出来，从而达到测量环境空气中氧气浓度的目的。 第二节 矿井瓦斯监控系统矿井瓦斯监控系统是煤炭企业高产、高效、安全生产的重要保证，是煤矿安全管理的重要组成部分。一、 矿井瓦斯监控系

17、统的组成与功能1.矿井瓦斯监控系统的组成矿井瓦斯监控系统一般是由传感器、执行机构、分站、电源箱（或电控箱）、主站（或传输接口）、主机（含显示器）、打印机、电视墙（或投影仪、模拟盘、多屏幕、大屏幕）、管理工作站、服务器、路由器、UPS电源、光纤和接线盒等组成，如图6-12所示。 矿井瓦斯监控系统目前分为3类，即：KJ、TF、A-1系列，其结构基本相同，都是由传感器及执行装置、传输（通信）系统、数据处理系统3部分构成。 2.矿井瓦斯监控系统的功能 （1） 传感器及执行装置。传感器负责采集各种环境参数并把它输送给传输系统。由于它直接关系到系统监控内容和数量及系统的准确度，因此，必须选择可靠、稳定、准

18、确的传感器。执行装置的功能是接收来自传输系统的信息，并根据它执行开、停、断电等指令，从而完成各种控制功能。 （2） 信息传输系统。该系统主要由传输接口、分站、中心站柜、电缆等组成。其功能是接收传感器传来的各种信息，并把它转换成数字信号或频率信号，再通过发送、接收装置及电缆和各种接口传送到地面中心站的计算机进行处理。同时接收计算机发来各种指令，并通过上述设备传递给执行装置。 （3） 数据处理系统。该系统由计算机（包括前置机）、模拟盘及各种外部设备等硬件和各种应用程序、操作系统等软件组成。其功能是接收来自传输系统的信息，并对其进行综合分析判断，同时通过屏幕、模拟盘、绘图仪对各监测参数或状态进行显示

19、。当某些环境参数超过预定值时，能自动报警，并可向井下发出控制信号，切断影响区域电源，防止事故发生。对一些重要监测参数可存储规定时间内的数据，并可随时用屏幕显示、打印、绘图等方式再现所需资料。对生产监控部分的设备运行状态、运行时间、煤位情况等内容也可即时显示出来。有些系统还具有火灾预测预报等功能。 二、 甲烷传感器的设置 由于甲烷的密度小于空气，因此，一般情况下，巷道上方的甲烷浓度大于下方。因此，甲烷传感器应布置在巷道的上方，并应不影响行人和行车，安装维护方便。甲烷传感器应垂直悬挂，距顶板（顶梁）不得大于300 mm，距巷道侧壁不得小于200 mm。甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电

20、范围必须符合表6-2的规定。 1.采煤工作面甲烷传感器的设置 （1） 采煤工作面甲烷传感器的设置。为及时监测采煤工作面的瓦斯变化情况，采煤工作面传感器应尽量靠近工作面设置，如图6-13所示。 （2） 采煤工作面回风巷甲烷传感器的设置。为保证采煤工作面回风巷中的甲烷传感器能正确反映采煤工作面回风巷内的瓦斯含量，回风巷甲烷传感器应设置在瓦斯等有害气体与新鲜空气混合均匀且风流稳定的位置，如图6-14所示。 （3） 采煤工作面进风巷甲烷传感器的设置。用于监测有煤与瓦斯突出矿井的采煤工作面的进风巷甲烷传感器，应尽量靠近工作面设置，如图6-15所示，以便及时监测采煤工作面的瓦斯变化情况。 采煤工作面采用串

21、联通风时，进入被串工作面的风流中必须布置进风巷甲烷传感器。为保证进风巷甲烷传感器能正确反映所监测区域的瓦斯含量，进风巷甲烷传感器应设置在瓦斯等有害气体与新鲜空气混合均匀且风流稳定的位置，如图6-16所示。 2.掘进工作面甲烷传感器的设置 为及时监测掘进工作面的甲烷浓度的变化情况，瓦斯、高瓦斯和煤（岩）与瓦斯突出矿井都必须设置工作面甲烷传感器。高瓦斯和煤（岩）与瓦斯突出矿井的掘进工作面还必须在回风流中设置甲烷传感器。掘进工作面甲烷传感器和回风流甲烷传感器断电范围为掘进巷道内全部非本质安全型电气设备。 （1） 掘进工作面甲烷传感器的设置。为及时监测掘进工作面的瓦斯变化情况，掘进工作面甲烷传感器应尽

22、量靠近工作面设置，如图6-17所示。 （2） 掘进工作面回风流甲烷传感器的设置。为保证掘进工作面的回风流甲烷传感器能正确反映掘进工作面回风流中的瓦斯含量，回风流甲烷传感器应设置在瓦斯等有害气体与新鲜空气混合均匀且风流稳定的位置，如图6-18所示。 （3） 掘进工作面进风流甲烷传感器的设置。采用串联通风的掘进工作面，必须在被串工作面局部通风机前设置掘进工作面进风流甲烷传感器；对有煤与瓦斯突出矿井的掘进工作面，应在工作面局部通风机前设置掘进工作面进风流甲烷传感器，如图6-19所示。 （4） 掘进机甲烷传感器的设置。掘进机必须设置机载式甲烷断电仪或便携式甲烷报警仪。 3.机电硐室甲烷传感器的设置在回

23、风流中的机电设备硐室的瓦斯浓度可能会较高，因此，在回风流中的机电硐室的进风侧，必须设置甲烷传感器，如图6-20所示。4.装煤点和运输巷道甲烷传感器的设置 （1） 装煤点甲烷传感器的设置。高瓦斯矿井的主要运输巷道内使用架线电机车时，装煤点处必须设置甲烷传感器，如图6-21所示。 （2） 运输巷道甲烷传感器的设置。高瓦斯矿井进风的主要运输巷道使用架线电机车时，在瓦斯涌出巷道的下风流中必须设置甲烷传感器，如图6-22所示。 5.机车内甲烷传感器的设置 在煤（岩）与瓦斯突出矿井和瓦斯喷出区域中，进风的主要运输巷道和回风巷内使用矿用防爆特殊型蓄电池电机车或矿用防爆型柴油机车时，蓄电池电机车必须设置车载式

24、甲烷断电仪或便携式甲烷检测报警仪，柴油机车内必须设置便携式甲烷检测报警仪。当瓦斯浓度超过0.5%时，必须停止机车运行。 6.瓦斯抽采泵站甲烷传感器的设置 瓦斯抽放泵站应在室内设置甲烷传感器，其报警浓度为0.5%CH4。在抽采泵输入管路中应设置甲烷传感器。利用瓦斯时，在输出管路中应设置甲烷传感器。 井下临时抽采泵站下风测栅栏外应设置甲烷传感器。 7.其他地点传感器的设置 （1） 装备矿井安全监控系统的矿井，每一个采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站应设置风速传感器。风速传感器应设置在巷道前10 m内无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化、能准确计算测风断面的地点。 （2） 装备矿井安全监控系统的矿

25、井，主要通风机的风筒应设置压力传感器。 （3） 瓦斯抽采泵站的抽采泵吸入管路中应设置流量传感器、温度传感器和压力传感器；利用瓦斯时，还应在输出管路中设置流量传感器、温度传感器和压力传感器。 （4） 装备矿井安全监控系统的开采易自燃煤层的矿井应设置一氧化碳传感器。一氧化碳传感器应布置在巷道的上方，并应不影响行人和行车，安装维护方便。一氧化碳传感器应垂直悬挂，距顶板（顶梁）不得大于300 mm，距巷道侧壁不得小于200 mm。一氧化碳传感器的报警浓度值为0.002 4%CO。一氧化碳传感器除用于环境监测外，还可用于自然发火预测。自然发火可根据每天一氧化碳平均值的增量来预测，若增量为正，则具有自然发

26、火的可能。为保证一氧化碳传感器能正确反映所监测环境中一氧化碳含量，一氧化碳传感器应设置在风流稳定、一氧化碳等有害气体与新鲜空气混合均匀的位置，如图6-23所示。 （5） 装备矿井瓦斯监控系统的开采易自燃煤层的矿井应设置温度传感器。温度传感器应布置在巷道的上方，并应不影响行人和行车，安装维护方便，距顶板（顶梁）不得大于300 mm，距巷道侧壁不得小于200 mm。温度传感器的报警值为30 。 温度传感器除用于环境监测外，还可用于自然发火预测。自然发火可根据每天温度平均值的增量来预测，若增量为正，则具有自然发火的可能。为保证温度传感器能正确反映所监测环境的温度，温度传感器应设置在风流稳定的位置，如图6-24所示。 （6） 装备矿井安全监控系统的矿井，主要通风机、局部通风机必须设置设备开停传感器，主要风门应设置风门开关传感器，被控设备开关的负荷侧必须设置馈电状态传感器。 复习思考题 1.简述光学甲烷检测仪的构造、工作原理。 2.甲烷自动检测报警断电装置的设置地点哪些？ 3.传感器有什么作用？