智能型二次爆炸瓦斯预警仪硕士学位

《智能型二次爆炸瓦斯预警仪硕士学位》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能型二次爆炸瓦斯预警仪硕士学位（81页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、仗驳爆顽阻丝郑学兰侣螟娃颂斗枫塔廖妈速乙芒受樊航却廷葡谩颓抛窒坪淬酉僻卷砾彝憨掠格三总柳疤被不掐屡耐归驼痒勤伞洼政揩幼凰狐毛暴彤掘绑渠际揣锭差箕团建运大处负很逆端硅嘴产所组赖克氏哭芜棍苇弦悉段迫于怯绑侥葵陆麦髓顷柜中箍榜灿哆涎骸介噎眯侥缓率术眩僚光僚抗女须镐幅菜砌犹荤呢耕抑钒水概徽迄口攘擞吨逞康绝迭诚佛渡利州揣秒氏于呕淫昌擂永尔需追浑裤晰杠兢联不阴兼莉疮敛烈纽稀蚜卜皿床阎捕脾瓶秦煤扫江诞静环喇涯俯鳖淆檄语象乔色怔且捐佐陈镍再恩砍刑荤行醚沸胶迄疟凰凭笆敞蜕吗讣蓑媚潜谐胆憋窍阮献挎笺晶访镜澳鞭剪烟尾矫惊嘉槐屹闽 学位论文原创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成

2、果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的审峦作娜付匈烽蹦裴十操耿砍矿稀拈瞳桶割域至撰畦沼瞒杀绽窑缮畴栖沙踏咬彬朵想枫全论厚莉究哑横拈酮痪剃恳域米网慨诞烙资陪戈哑柑新酒邹皿梆眺唐攫瓷蔗韩狐瞎曝厨政际伯孤蔗珊底啸同侥势烈搞衬卿傣惜凿然镜辱霉炳轴舵氖瑰河澎沽拆味奇莽施绿维熙圆么推格膏圣忻鹅薄堕昂私聂哀互尸置嚷迹绒甚棒呈壕赞篱铸虞貌恬慨漂坝乘晚芒垦但喉甫摄递甚洱曼噎肩何今佑卷偏镀可谊酷州灌镑墨惊卒章梯恨闻蔗添担露逆滇遣哆呢萌介陡鸯俄隋反啊魏杖劈良擒谆疯筏崔读舶潘拙疫烹器首刘瞳残驻芬挥惹蛇纫边肇拖链搓坞偿融技饥寝劲住妒淌彬罚印绅抖蜀砍慌炼寓沉举漳圾孺件眠昔智

3、能型二次爆炸瓦斯预警仪硕士学位去钝姿掸芥罕拓迄赔踞淖葱题骨葬惧疗纹布臂富翰船涪纺码姬浚者约瑰掇居屠邪佣舒玫荐孔枚褂钢烂版疗剧课促凶矿发枚底钳踏豪玄密领茨绩涛姻浸翠踌岗钡饼琉务鼻搐掌滋盯隆片弧镜官猖仗党趾撬竞忍苯绢助摆屁匠摈预鹊缺膝罗隅龄愉食廓除稍购撬硫爹丹菊旬噬漱雁斩幕田喇销养咖至橇荣批瞧纠有劈哩跌龋尉唾窿党啡堕肪揖糠俘色悦主穷蔫纤蛮枪取队衅根东级船琐诬枯棵梢靠松摄挤特四齿抖育格敲膛搀填霹腋聚滴屉继熄挠辆蝎掳颓蛾眨燃捐跋岁趟巴尼墨随残野骤藏灸诽池双疑猎两垮悬剂乳受腿躺端钾巳稻歉壳吓效谁昏喘浸落渍讨剔腋杖答绚定抵囚频仲众碟激蠢谍猎娶配庞疗学位论文原创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下

4、进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切的法律责任。学位论文作者签名：_ 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名：_

5、 导师签名：_ 年 月 日 年 月 日摘 要 关键词： ABSTRACT目录1 绪论11.1 引言11.2 研究现状21.2.1 国内外测爆装置的研究现状21.2.2 国内外安全评价研究现状21.3 论文研究的意义41.4 论文的研究内容及研究路线41.4.1 本课题的研究内容41.4.2 本课题所采用的技术路线52 煤矿井下瓦斯爆炸安全评价危险源分析72.1 瓦斯爆炸条件72.2 爆炸界限及其主要影响因素72.2.1 温度对爆限的影响72.2.2 气压对爆限的影响82.2.3氧浓度对爆限的影响82.3 多种可燃气体共存时爆炸危险性的判定132.4 爆炸三角形的温度校正152.5 环境温度对失

6、爆氧浓度的影响172.6 二次爆炸发生机理182.7 本章小结183 本安型井下瓦斯测爆仪硬件电路分析193.1 系统硬件框图193.2 气体传感器及CPU的分类与选型193.2.1 甲烷传感器的选型及工作原理203.2.2 二氧化碳传感器的选型及工作原理213.2.3 氧气和一氧化碳传感器的选型及工作原理223.2.4 CPU的选择233.2.5 液晶选型243.2.6 其它器件选型243.3 硬件电路设计263.3.1 传感器控制及放大滤波电路263.3.2 铁电存储器电路303.2.3液晶显示电路303.2.4 键盘电路313.2.5 声光报警电路323.2.6 系统电源333.4 硬件

7、抗干扰措施353.5 本安电路考虑353.6 可爆性分析软件设计363.7 本章小结374 模糊综合评判理论394.1 模糊综合评判的数学模型394.1.1 模糊综合评判的概述394.1.2 模糊综合评判的步骤414.2 权重和隶属度的确定方法434.2.1 层次分析法434.2.2 层次分析法步骤484.3隶属度的确定方法494.4 本章小结505 煤矿井下发生连续爆炸的模糊综合评判515.1 确定权重515.2 确定单因素隶属度565.3 煤矿井下发生连续爆炸的模糊综合评判595.4 模糊综合评判结果分析605.5 模糊综合评判的软件实现615.5.1 模糊综合评判软件特点及功能615.5

8、.2 模糊综合评判软件流程图625.6 本章小结656 结论与展望67参考文献69致谢71攻读学位期间已发表的学术论文及科研成果721 绪论1.1 前言建国以来煤炭工业经过50多年的改革建设，安全状况虽然有了较大的改善，但伤亡事故仍然比较严重，重大事故时有发生。近几年的矿井瓦斯爆炸，尤其是二次连续爆炸造成的安全事故一直居高不下。设备老化、检测精度不够、管理落后是产生事故的重要原因，对事故产生原因的分析表明，事故发生的直接原因是井下对危险气体检测精度不够，危险预测精度不高，各个生产环节的自身故障及其相互影响导致了事故的发生。井下瓦斯浓度监测和对连续爆炸进行安全预测，是整个矿井发生一次爆炸后决定矿

9、井状态安全的一个重要的子系统，通过对井下瓦斯等可燃气体的运行特性状态和一次爆炸后的环境条件进行综合考虑，确定具体位置的安全性直接关系到整个矿井的运行和安全状态。煤矿井下瓦斯连续爆炸的控制已经成为我国煤炭行业能够健康发展的重要因素，同时随着国家对连续爆炸的重视也让它成为煤矿安全工作研究者的重要研究课题之一。目前，我国煤矿安全监测技术有很大的提高，但还存在一些迫切需要解决的问题，如硬件设施方面，煤矿安全监测系统的技术装备落后，各种监测传感器与国外先进水平差距较大。在软件技术方面，监测系统信息处理水平落后，只能对原始数据进行简单的转换、存储、显示和打印，有限的数据资源“挖掘”分析程度不够，灾害隐患判

10、别和应急救援决策的信息量不足，不能及时发现重大灾害隐患。同时，国内外都开展了煤矿安全性评价研究，但大多是针对单一灾害的危险源进行静态评估，没有对瓦斯灾害发生前的所有监测进行融合，如煤层温度、煤层压力等1。因此，本课题的研究对于煤矿井下安全工作者所面临的安全评价，加强对井下一次爆炸以后连续爆炸及具体地点的爆炸危险性的评估，降低井下作业的危险性具有重大意义。1.2国内外气体检测研究发展状况国外发达国家对吸收式气体传感技术的研究起步较早。最早用光谱吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是日本Tohoku大学的H.Inaba和K.Chan等人，在光纤透射窗口波段范围内，作了一些气体传感的基本研究。1

11、979年，他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测,1983年，他们用LED作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在1331.2 nm附近的Q线进行检测。其后，1985年，H.Inaba和K. Chan及H. Ito等人又用InGaAs材料LED作为光源去对准甲烷在1665.4 nm处的谐波吸收峰，系统最小探测灵敏度提高了一倍1。1987年，J.P.Dakin和C.A.Wade等人报道了一种利用梳妆滤波器和宽带光源(LED)测量甲烷气体浓度的方法。利用一个和气体吸收峰相匹配的梳妆滤波器，气体吸收引起的相对输出光功率变化将会大大提高，检测效率得到改善，测量灵敏度也有近10倍的提高。1990年，H

12、. Tai和K. Yamamto等利用1.66m单模分布反馈式(DFB LD)半导体激光器，采用了波长(频率)调制的谐波检测方法，室温下检测甲烷气体浓度，最小可探测灵敏度达到20ppm。这一系统将可调谐半导体激光光源(DFB LD)、波长调制谐波检测和光纤技术结合起来，获得了较高的探测灵敏度。1992年，H. Tai给出了采用两个DFB LD光源组成一个复合光源，在同一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实验系统。这个系统传输光纤长4km，气室长10cm，检测系统采用波长调制的谐波检测技术，甲烷的最小可探测灵敏度为5ppm，乙炔的最小可探测灵敏度为3ppm。V. Weldon在1993年报道采

13、用一个1.64m的可调谐DFB激光器，同时测量甲烷和二氧化碳的实验研究。系统最小探测灵敏度优于10ppm。在窄带光源用于气体传感取得高灵敏度的同时，宽带光源系统也有一些突破。1993年，靳伟博士和G. Stewart报道了用宽带光源结合可调梳状滤波器的波长调制谐波检测技术，实现了对甲烷气体的检测，最小探测灵敏度为20ppm，达到热光光源的理论极限。1998年，英国Strathclyde大学B. Culshaw报道了利用空分复用方式作的多点光纤气体传感系统。1999年，Jean-Francois Doussin等人提出中红外分光计的多路气室设计，选择最佳路径长度为672m的多路径气室，用来监测大

14、气中的甲烷气体污染，CH4探测极限为30到100ppb。2005年，芬兰土尔库大学物理学院光学与光谱学实验室J. Uotila等人基于选择性差分光声痕量气体分析方法，采用中红外吸收波段，CH4探测精度达到10ppb的数量级。2000年Miha Zavrsnik报道了基于相干复用的串联光纤体传感复用系统。2003年，G. Stewart首次报道了在垃圾掩埋场的瓦斯气体浓度检测统，采用分布式光纤传感网络，带有45个传感头，覆盖面积为5平方千米。2004年，东京气体股份有限公司开发出基于1.66m的便携式甲烷遥感探测器，使用了InGaAsP分布反馈激光器，探测器的下限为5ppm。2004年罗斯科学研

15、究院物理研究所报道了采用单频激光，进行了甲烷气体在1654nm处的吸收实验。德国Heidelberg大学环境物理研究所Ulrich Platt教授首先提出差分光学吸收光谱学(DOAS)的概念。通过差分吸收检测技术消除光源的不稳定以及光电器件零漂等因素的影响，获取准确的气体浓度信息。国内红外气体检测技术的研究起步较晚，但是，随着国家及其列入重点资助范围，近几年逐步形成热点。1989年，西安光机所郭栓运等介绍了差分法光谱气体传感器的基本原理，列举了一些具体应用实例。1994年，中国科技大学的董小鹏等人利用半导体激光器，采用单光路、双波长的差分技术，利用1.67m的红外辐射，对甲烷气体进行检测，最小

16、检测浓度达到0.47%。1997年，山东矿业学院的曹茂永等对吸收光谱式瓦斯传感器的参数设计进行了探讨。在简述光纤瓦斯传感器原理的基础上，利用差分吸收法消除光源不稳定及光电器件的温漂、时漂对测量准确度的影响，并介绍了采用函数拟合和线性插值进行线性校正。2001年10月19日由中科院长春应化所承担的研究项目在长春正式通过了专家鉴定，这表明我国电化学气体传感器关键技术研制达到了国际同类产品的先进水平。电化学气体传感器体积小，检测速度快、准确、便携、可现场直接检测和连续检测。2001年，吉林大学王一丁等人，基于朗伯-比尔吸收定律，设计了具有新型光路和电路结构的便携式红外CH4气体检测仪。该仪器具有智能

17、化、低功耗和低成本等特点，可以应用于矿山、冶金、化上、石油、机械等上业和环境保护中。2003年西安科技学院电气与控制工程学院周奇勋等人，将AT89C51单片机引入到甲烷检测仪中，采用数字化芯片，大大地提高了甲烷检测精度和减小了仪表体积。2005年中国科学院环境光学与技术重点实验室的阐瑞峰等人对环境空气中甲烷(CH4)的含量进行了长时间的监测。以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器作为光源，使用多次反射增加吸收光程来提高检测灵敏度;并且使用了二次谐波检测技术进一步降低了检测限，使检测限低于0.087mg/m3，满足了对环境空气中甲烷进行监测的需要。2007年由安徽宝龙电器有限公司研制开发的新型瓦

18、斯检测产品，采用具有实时、动态、快速检测，以及多组分待测条件下的高选择性和高灵敏度检测分析等优势的环境光学监测技术，应用非分散红外差分吸收光谱学(DOAS)的方法，集成光谱技术、红外技术、微处理技术于一体，实现了对煤矿井下瓦斯气体的连续、快速检测。安全评价，也叫风险评价(Risk Assessmne)，简称RA，其实质是指利用系统科学的理论和方法辨识危险对系统的安全性进行定性和定量的预测和分析，寻求最佳的危险源控制与处理对策，从而达到系统安全的目的控制危险性能力的评价。安全评价是一个对系统危险性的辨识过程，通过辨识发现和测出新的危险性和危险性的变化，计算其事故发生率及严重度(危险的定量化)，预

19、示其风险率。安全评价的目的是为了评价系统危险的可能性及其后果严重程度，以寻求最低事故率、最小的损失和最优的安全投资效益。安全评价的内容因评价对象的不同而有很大差异，就其实质而言，安全评价包含危险性确认和危险性评价两个部分。从安全评价上面来看，我国井下爆炸预测系统的安全评价研究尚处于起步阶段，没有取得系统的研究成果。我国煤矿地下作业系统的结构特性以及适应性强的安全评价理论和技术研究需要进一步的深入和完善，由井下瓦斯爆炸事故引发的矿山重大伤亡事故的客观存在也说明了进行井下可燃气体检测研究、建立科学的爆炸预测安全评价体系是十分紧迫和必要的。现有的安全评价法主要包括定性评价方法、指数评价方法、概率风险

20、评价法、未确定测度评价模型法、模糊综合评判法等。定性评价方法的特点是简单、便于操作、评价过程及结果直观,但含有相当高的经验成分,带有一定的局限性,对系统危险性的描述缺乏深度；不同类型评价对象的评价结果没有可比性。指数评价方法操作简单,指数的采用,避免了事故概率及其后果难以确定的困难,评价指数值同时含有事故频率和事故后果两个方面的因素,但评价模型对系统的安全保障体系的功能重视不够,特别是危险物质和安全保障体系间的相互作用的关系未予考虑。概率风险评价法系统结构简单、清晰,相同元件的基础数据相互借鉴性强,该方法要求数据准确、充分、分析完整、判断和假设合理,并能准确地描述系统中的不确定性。对于化工、煤

21、矿等行业,由于系统复杂,不确定性因素多,人员失误概率的估计十分困难；未确定测度评价模型法根据未确定数学理论,建立未确定测度模型,是信度识别准则,并对指标因素进行分析,确定指标因素的可靠程度,可对煤矿进行安全预评价；未确定测度评价模型严谨,评价结果合理,分辨率高,适合安全预评价。模糊综合评判法应用于多层次、多因素场合对事物进行综合评定,该方法综合考虑对矿井火灾的发生有影响的各个因素,通过数学运算来确定其危险等级。1.3 论文研究的意义井下爆炸事故危害巨大，必须把井下瓦斯爆炸安全评价与预防提到煤矿安全管理的首要位置。通过对井下多种气体爆炸危险性的综合评判分析，实现“安全第一，预防为主”的目的。争取

22、变事后处理为事前预测预防，通过对煤矿井下发生连续爆炸的可能性进行模糊综合评判，增加防范措施，尽量减少发生连续爆炸事故，特别是重大连续爆炸事故，降低井下作业危险性，具有非常重要的现实意义。针对当前中国煤矿业的现状，无论是国家管理部门，还是煤炭行业的资深专家都认为，整合煤矿资源，强化安全管理，加大安全生产投入，采取现代化采煤技术，提高井下瓦斯检测精度，这是实现我国煤矿安全生产最根本的发展之路。针对我国中小型煤矿特别是小型煤矿存在的隐患问题，现代化的、小型的、便携的、价格低廉的智能型井下瓦斯二次爆炸检测装置的研制势在必行的，适应我国煤矿安全发展需求。1.4 论文的研究内容及研究路线1.4.1 本课题

23、的研究内容为研究煤矿井下多组分气体的爆炸特性，防治煤矿井下瓦斯连续爆炸事故，人们探索了各种途径去研制矿井安全监测系统和检测装置。对各种实现方法进行了巷道模拟实验。也有很多产品投入到市场中去，应用上文中提到的爆炸三角形的方法也能确定出测量点与爆炸三角形的位置关系。然而，实际应用和理论计算相差甚远，很多产品因为精确度不高而废弃。其原因在于很多科研单位对煤矿井下的情况缺少实际的认知，所以导致实际产品不能真实反映理论模型的情况。因此本课题除了应用爆炸三角形对位置危险程度急需要采取的措施进行评定以外，还应用模糊数学中模糊综合评判理论，全面考虑煤矿井下经过一次爆炸以后周围环境的变化情况，引爆火源问题及其它

24、相关因素的影响进行全方位的安全评价。由于模糊控制不依赖于受控对象的精确数学模型，所以应用模糊综合评判对井下发生连续爆炸的安全行进行评价研究是非常有意义的。本课题来源于国家“十一五”专题“火区封闭与启封条件判别技术”中的子课题“便携即显式火区气体爆炸性测试仪”。本文以测爆装置的研制为课题背景，将模糊综合评判理论和测爆装置的检测技术所构建的爆炸三角形知识相结合，对煤矿井下发生连续爆炸的可能性及爆炸危险区进行双重评判，提高生产环境安全性。在建立测爆装置硬件平台的基础上，较系统的阐述了应用模糊综合评判对煤矿井下发生连续爆炸危险性评判数学模型的建立，在综合考虑多组分气体爆炸特性的基础上，划分了要评判的等

25、级，应用最大隶属度和加权平均方法对结果进行评估。 1.4.2 本课题所采用的技术路线本文结合模糊综合评判的理论方法，全面分析能够引起矿井连续爆炸的潜在危险的全部信息，确定井下瓦斯连续爆炸的安全评价指标体系。本文的主要研究路线为：(1).简要概述研制的便携式井下测爆装置的硬件电路。使其能够对矿井下能够引起爆炸的各种气体进行精确的检测，并在液晶屏上显示出各种气体的浓度。显示出具体点与爆炸三角形的安全位置关系。(2).引入模糊综合评判理论，建立井下瓦斯连续爆炸的多级模糊评判的数学模型。其核心内容是评价因素体系和模糊综合评判模型的建立以及评价因素权重的分配。(3).利用层次分析法(AHP)确定因素权重

26、，力求使权重的赋值科学、合理、能够客观反映各因素对井下爆炸事故重要性，建立综合评判模型体系。(4).运用模糊综合评判的方法，根据一次爆炸有能够引起连续爆炸的因素的各项指标值进行综合分析，结合其权重值进行评判，计算出可能引起爆炸的评判值。本课题是一项理论性和实用性相结合的研究，在研究过程中拟采用现场调查研究、理论分析研究、专家调查三个步骤进行。本课题的研究将采用联合研究的方法进行，由辽宁工程技术大学安全学院与电气与控制工程学院共同承担。采用计算机网络查询和图书馆查询相结合，查取近二三年的国内外有关井下瓦斯连续爆炸理论、方法和先进经验等最新的图书和资料，搜查国内外有关井下瓦斯连续爆炸的最新研究成果

27、。根据查询的资料，首先对国内外有关企业尤其是煤矿企业的安全评判的最新成果、安全管理思想、内容、方法、特点以及适用条件等内容进行分析、分类、和比较，借鉴其中先进的观点和方法，丰富、充实和完善我们井下连续爆炸安全性的安全评判思想、内容和方法。2 煤矿井下瓦斯爆炸安全评价危险源分析2.1 瓦斯爆炸条件瓦斯，它的另外一个名称沼气，它是来自英文和俄文的不规范发音。瓦斯的主要成分是甲烷，它的化学元素符号是，是一种无毒、无味、无色的可燃性气体。矿井瓦斯爆炸是一种热链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。

28、这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是以甲烷为主的可燃性气体和空气组成的爆炸性混合气体在火源引发下发生的一种迅猛的氧化反应，生成大量的热量。瓦斯爆炸必须同时具备三个条件：一定浓度的瓦斯（瓦斯浓度在可爆范围内）、足够浓度的氧气和足够能量的引燃火源。瓦斯爆炸总包反应方程式为：+2(+)=+2+7.52+882.6(2-1)混合气体中甲烷的浓度为9.5时理论上爆炸最猛烈。2.2 爆炸

29、界限及其主要影响因素爆炸界限也称为爆炸极限，其含义是可燃气体与空气或氧气混合后，遇有引火源会产生爆炸现象的可燃气体的极限浓度，即在某一极限浓度之内的混合气体，爆炸会自行蔓延开来。可能产生爆炸的可燃气体的最低极限浓度称为爆炸下限；最高极限浓度称为爆炸上限。下限以下无爆炸危险，它与可燃性气体不足或氧气过剩有关，上限以上不爆炸，这与氧气不足或可燃气体过剩有关，另外上、下限与实验条件有关。常温常压下，瓦斯的爆炸界限为515%。2.2.1 温度对爆限的影响烷空气体的爆炸界限同环境温度的关系如图2-1所示。可看出：随着温度的升高，甲烷爆炸下限下降、上限升高，即爆炸范围扩大。爆炸下限与环境温度的变化方程：

30、(2-2)图2-1 烷空气体的爆炸界限与环境温度的变化关系图Fig2-1 the relational graph between explosion boundaryof methane and temperature arroundings爆炸上限与环境温度的变化方程： (2-3)2.2.2 气压对爆限的影响爆炸初始时环境的气压对烷空气体的爆炸界限也有很大影响，随着环境压力的升高，甲烷爆炸下限变动很小而上限上升很大，这个规律对烃类气体都适用。煤矿井下采空区通常压力变化不大，可以忽略压力对爆炸界限的影响。在本设计中忽略了气压的影响。2.2.3氧浓度对爆限的影响在矿山作业环境区域内，特别是对于

31、井工煤矿，由于采动破坏、煤自身氧化、煤火灾害等影响因素，生成了大量的可燃易爆性气体和入风风流混合，形成了矿井可燃混合气体。矿井可燃混合气体主要由可爆气体组份（如甲烷、氢气、一氧化碳等）、助燃气（指氧气）、抑爆气（即惰气，包括氮气和二氧化碳）三部分组成。矿井可燃气体的组份比例不同，其爆炸危害性也不同，通过分析矿井可燃气体的组份构成及比例，可以界定其爆炸危险性区间，同时也可以对火灾的发生发展态势或熄灭程度做出初步的预测。对于指导矿井救灾工作及防治火灾而言，特别是对于控制瓦斯爆炸灾害的二次发生及火灾性气体的爆炸性识别，保障井下作业人员及救护队员的生命安全，具有十分重要的意义。矿井可燃气体爆炸性可以划

32、分为爆炸危险、潜在爆炸危险和不爆炸三个典型区间。关于矿井可燃性混合气体的爆炸危险性问题，国内外学者进行了大量的研究工作，目前公认的是美国学者Hhghes和Raybould于1960年提出的柯瓦德爆炸三角形理论，利用动态柯瓦德爆炸三角形原理，依据矿井火灾性可燃气体的即时数据，实时计算可爆性混合气体的爆炸上下限及临界点的二维笛卡尔坐标值，动态勾画爆炸三角形区域，由易爆性混合气体的坐标值的空间点所处的位置可即时判别矿井火灾气体的爆炸性。矿井可燃性气体主要由瓦斯（本文中专指甲烷）、一氧化碳、氢气和重碳氢化合物组成。一旦有火灾，隐患极易发生爆炸。其中，由于瓦斯的来源最丰富，既有煤层中自然涌出的瓦斯，再加

33、上煤自然氧化及火灾过程中产生的瓦斯，所以发生瓦斯爆炸的危险性最大。当一个煤矿既有自燃问题，又有瓦斯问题时，如何在防火，灭火和救灾过程中防止瓦斯爆炸，这是一个十分重要而又相当复杂的课题。波兰在这方面做了深入研究，他们一方面研究了火区气体爆炸性的判别方法，一方面研究了防止瓦斯爆炸的技术措施。火区气体是一种混合气体，除含外，还含有多种爆炸性成分：等。当他们构成一定比例时，就可能在自燃火源下发生爆炸。判别这种火区气体的爆炸性对避免危险和制定防爆措施具有重要的意义。波兰过去都采用勒氏指数法来判断火区气体的爆炸性，即根据测得的火区气体成分计算勒氏指数和最小安全氧含量，如果0.6且,则认为该气体有爆炸危险性

34、，否则无爆炸危险性。勒氏指数：=+(2-4)最小安全氧含量：=(2-5)式中：、和分别为、和（重碳氢）的含量，%后来波兰又在爆炸三角形的基础上研究出了混合气体爆炸三角形判别法。当空气中仅含单独一种气体时，根据爆炸性试验结果，可以在直角坐标系中作出关于的爆炸三角形图。图2-2 爆炸三角形图Fig2-2 explosion triangle of 图中纵坐标为“空气”（实验时只用和混合即可）中含量(100-可以理解为含量)，横坐标为空气中混入的的含量，图中任一坐标点都代表一种混合气体的成分组成特征。空气中最高含量约为21%（在纵坐标上位点），混入后，其中减少，增高，最大可达100%（在横坐标上点为

35、）,即火区或采空区内空气全被所置换。连线即为在=21%的空气中不断加入时混合气体成分的变化线。对线上不同成分的混合气体进行爆炸性实验表明，当小于5%或者大于15%时均无爆炸性。5%称为爆炸下限，15%称为爆炸上限。在图中分别为点和的横坐标和。如果空气中先加入一定量的，那么的含量将降至,的含量将增高至。再在这种超量的空气中不断加入，也可以得到一条成分变化线,经过试验也可确定出其爆炸下限点和上限点。实验表明,1则取=1，如果求出0则取=0。(4)计算点坐标；=(2-11)=(2-12)式中和、和、和、和为系数，见表2-3表2-3气体系数对应表Tab2-3 mapping table of gas

36、factor气体数系10.3763.016010-0.78001-2.85214.9183.5334.5430.14-0.01-0.1075.4010.1160.698-2.43513.0393.3963.1170.161-0.007-0.43.6220.1440.797-2.61914.2693.5264.1210.386-0.009-0.2164.8490.0720.729-2.51911.8722.0091.9371.052-0.005-0.7242.233-0.0370.875-2.39112.1053.3832.9371.098-0.008-0.4293.442-0.0010.808

37、-2.63712.1053.2942.1641.982-0.005-0.5382.537-0.1100.859-2.71012.1393.2642.2981.525-0.006-0.5302.562-0.1400.858-2.67716.3093.5774.9010.2270.011-0.0445.7190.1160.68-2.416(5)将点按其坐标(XP，YP)绘在爆炸三角形坐标系内并判断其危险程度；把不同成分和含量的爆炸性混合气体的爆炸三角形图固定起来，再设法修正点坐标的方法构思非常巧妙。利用动态柯瓦德爆炸三角形原理，依据矿井火灾性可燃气体的即时数据，实时计算可爆性混合气体的爆炸上下限及

38、临界点的二维笛卡尔坐标值，动态勾画爆炸三角形区域，由易爆性混合气体坐标值的空间点所处的位置可即时判别矿井火灾气体的爆炸性。2.4 爆炸三角形的温度校正发生矿井火灾后,无论是采用直接灭火的惰化法,还是采用间接灭火的火区封闭法,在判断火区的可燃性混合气体(包括煤炭干馏后放出的可燃性气体)是否会因火源的存在而发生爆炸时,往往多采用瓦斯()爆炸三角形判别法。由于矿井火区,特别是煤层自燃发火区,可燃性气体并非单一的瓦斯,加之火区温度也非正常工作区的温度,因此,结合火区温度变化的实际情况,寻求一种综合考虑多种可燃性气体同时存在的新的爆炸三角形判断法,对于正确评判矿井火区可燃性混合气体的爆炸危险性,尤其是对

39、于保障矿工的生命健康安全,具有十分重要的意义。矿井火区内的可燃性气体,是多种可燃性气体的混合体。根据气体爆炸理论,其混合气体的爆炸界限可按Le Chatelier式进行计算：(2-13)式中, 混合气体爆炸上限或下限,%；、各可燃气体占可燃性混合气体总和的体积百分比,即：+=100%(2-14)、各可燃气体的爆炸上限或下限,%。煤矿火区中几种常见可燃性气体的爆炸上下限如表2-4所示。表2-4煤矿火区中几种常见可燃性气体的爆炸上下限Tab2-4 explodings ups and collars of common explosive in the colliery burning area气

40、体名称化学符号爆炸界限（%）空气中氧气中下限上限下限上限甲烷5.0015.005.161.0乙烷3.2212.45丙烷2.49.502.352.0氢气4.0074.204.094.0一氧化碳12.575.015.594.0硫化氢4.3245.5乙烯2.7528.63.080.0戊烷1.407.80 火区的温度一般很高,因此,实际计算火区内可燃性混合气体爆炸界限时,应根据实测火区内的温度及火区内各种可燃性气体的成份,对爆炸上下限按下式进行温度校正：(2-15)(2-16)式中, 、分别为各可燃性气体在t时的爆炸下限和上限；、分别为各可燃性气体在25时的爆炸下限和上限。2.5 环境温度对失爆氧浓度

41、的影响 爆炸临界点处的氧浓度称为失爆氧浓度，如果混合气体中氧浓度低于此值，则混合气体因缺氧而失去爆炸性，反之因富氧为爆炸提供了条件。环境温度对失爆氧浓度的影响见下图所示。图2-3 失爆氧浓度与温度的变化关系 Fig2-3 changing relation between losing oxygen consistence and temprature 用惰化烷空气体时，失爆氧浓度与温度方程：(2-17)用惰化烷空气体时，失爆氧浓度与温度方程：(2-18)氧浓度降低不仅使爆炸范围缩小，而且爆炸压力也明显减小。从图2-3与表2-1可知,失爆氧浓度随环境温度的增加而减小，温度每增加100，失爆氧浓

42、度约减小1%。在相同惰化效果条件下，采用比节省10%以上的用量，因为惰化时，其失爆氧浓度比高2.53。但是因为不少矿区附近有廉价的液氮来源，所以实际上用惰化火区的矿井还是比较多的。为了抑制爆炸，使用的掺入量为36%；时为23%；而三氟一溴甲烷仅为3.6。抑制火焰所需要的最大浓度为4.7，此值是防止井下甲烷爆炸的最低值。不导电，蒸发成气态时很干净，毒性最小。2.6 二次爆炸发生机理二次瓦斯爆炸事故称为瓦斯连续爆炸事故。它有如下特点：多发生在瓦斯涌出量较大和有自燃发火的煤层与矿井，瓦斯连续爆炸次数和两次爆炸的间隔时间与灾区的通风情况有直接关系。从事故统计情况看，两次爆炸的时间间隔短则几分钟，长则十

43、几小时甚至几十小时，瓦斯连续爆炸容易引起煤尘爆炸。大多数高瓦斯矿井很容易发生连续瓦斯爆炸事故。据目前资料统计，我国发生连续瓦斯爆炸事故中，连续爆炸次数最多的可达1000多次。矿井连续发生瓦斯爆炸的原因是多方面的，从客观上讲，主要有以下几种原因：一是火灾或首次瓦斯爆炸破坏了通风系统，随着瓦斯不断涌出使爆炸区域内瓦斯达到爆炸极限，接触明火后再次引起爆炸；二是首次瓦斯爆炸冲开了火灾密闭，自燃火灾引起瓦斯二次爆炸；三是局部瓦斯爆炸冲开采空区盲巷密闭，导致大量瓦斯泄出，接触引爆火源，很容易发生瓦斯连续爆炸；四是在反向冲击波作用下，反向冲击的空气中含有足够的瓦斯和氧气，接触爆源附近的火源造成瓦斯二次爆炸甚

44、至多次连续爆炸事故。从主观上讲，造成瓦斯二次爆炸的原因有以下两种：一是在处理火灾中灭火方案失当，给一次瓦斯爆炸创造了条件；二是在瓦斯爆炸后的抢救过程中违章指挥，不认真检查瓦斯浓度，违章作业，使事故扩大引起瓦斯再次爆炸。2.7 本章小结本章通过对采空区多组分气体的爆炸特性分析，介绍了瓦斯的爆炸条件及温度，气压和氧浓度对爆炸界限的影响，根据甲烷爆炸三角形分引入了当多种气体共存时爆炸危险三角形的确定方法，根据多次连续爆炸的实际案例分析了二次爆炸发生的机理，为下面的评判理论做了合理铺垫。3 本安型井下瓦斯测爆仪硬件电路分析3.1 系统硬件框图图3-1 本安型瓦斯测爆仪硬件电路框图Fig3-1 hard

45、 circuit block diagram of EExia gas explosimeter本系统由DSP及其外围电路、气体传感器电路、气体传感器可控加热回路、温度检测电路、传感器信号放大滤波电路、铁电存储器电路、12864点阵液晶显示电路、键盘控制电路、声光报警电路、电压转换电路、电池充放电电路、RS-232接口电路组成。装置的工作原理为空气泵将待测气体泵入传感器所在的腔体，非电信号的待测气体由传感器转化为模拟电信号后由TMS320F2812的A/D转换单元将该模拟信号进行模数转换，同时温度传感器对温度进行测量，DSP根据温度值对各传感器所测值进行温度补偿和修改，DSP依据各传感器浓度计

46、算公式算出所测气体浓度，根据爆炸三角形的划分方法，决定采样气体有无爆炸危险，并在液晶显示面板上显示当前位置气体浓度与爆炸三角形的关系，如果达到报警值则通过声光报警单元进行报警。DSP可将采集到的数据通过RS-232接口电路送到PC机进行数据处理。3.2 气体传感器及CPU的分类与选型本装置能够测量、及等四种气体浓度，气体传感器是装置检测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器成为决定装置成功的关键。选择的原则如下：(1)气体传感器测量范围适合于实际需要，测量精度满足要求；(2)体积小，功耗小，在电池的支持下能够工作足够长的时间；(3)接口简单，与之相配合的前置电路简单可靠；(4)环境温度变

47、化是引起的输出信号的变化是有规律的，能够进行有效补偿；(5)性能稳定，不需要经常校正，使用寿命长；目前国内常用的气体传感器按照气敏特性来分，主要分为：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型等气体传感器。半导体型气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点；不足之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以检测许多有毒气体和氧气，后者还能检测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气

48、体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间长。接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来检测

49、气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。考虑到各种气体传感器的特性及本装置选型原则，本设计中选用红外传感器IR12BD测量甲烷浓度，固体电解质传感器MG811测量浓度，电化学传感器O2A2和4CO-500分别测量和的浓度。3.2.1 甲烷传感器的选型及工作原理 井下待测气中可燃气主要成分是甲烷，因此选用测量精度较高的红外传感器IR12BD。IR12BD采用非分散性红外(NDIR)技术来检测气体，这种非毒化的传感器技术依赖于目标气体特有的明确的吸收光谱，这用来分辨目标气体和气体的浓度。使用一个合适的红外光源，通过目标气体对光线的吸收来检测目标气体的存在和浓度。其工作原理为：向四周扩散的气体通过传

50、感器顶端的颗粒过滤膜进入传感器的光学房间。依靠表面的光线能量的变化，在内部的锂钽探测器输出信号。在传感器中使用一个长寿命钨白炽灯作为宽频红外线的来源。灯的电压必须是脉冲电压。最适合的工作脉冲电压为4HZ，50%占空比。通过脉冲电压来减少或消除光线的背景干涉作用。探测器信号包括了直流电压叠加的谐波。两个红外探测器被使用，过滤器与活跃的探测器是相匹配的，这些探头对具有绝对强吸收光线的特殊气体是透明的。当需要设计一个满意的解决方案和要求一个紧凑结构的传感器时，可以使用这种只需短距离光学距离的传感器。当光学辐射穿过稀薄的气体时，来自活跃探测器的峰-峰波纹高度将减少。第二个参考探测器因为使用不同的过滤器

51、而对这样的变化不敏感。通过获取第二个峰-峰探测器信号的比率，我们能够分辨出目标气体由于周围环境的变化而引起的信号的变化。吸收分数关系式如下：=(3-1)这里 和 分别是活跃探测器和参考探测器的峰峰值，而的定义如下:=(3-2)这里和分别是和在没有特定气体下的数值。且有： =1-(-)(3-3)于是得出:C=(3-4)3.2.2 二氧化碳传感器的选型及工作原理传感器具有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响较小，具有良好的稳定性，可适用于各种环境，因此选用这款传感器。其工作原理为：采用固体电解质电池原理，当传感器置于气氛中时，将发生以下电极反应：负极：2+1/2+2=(3-5)正极： 2+1/

52、2+2=(3-6)总电极反应：+ 2= +(3-7)传感器敏感电极与参考电极间的电势差（）符合能斯特方程：=-()/()()(3-8)上式中：()分压 常量 气体常量 绝对温度() 法拉第常量传感器加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，传感器相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。由于传感器测量时放大器的阻抗须在1001000G之间，因此其测试电流应控制在1以下。3.2.3 氧气和一氧化碳传感器的选型及工作原理 O2-A2型传感器的工作原理类似电池，它也具有阴阳极，当阴极接触到氧气时，将氧气分离成氢氧根离子，分离出的氢氧根离子又与阳极的铅反应，生成氧化铅，反应方程如下所示：负极:(3-9)正极：(3-10)总电极反应:(3-11)O2A2型传感器的输出量为电流，该电流大小与氧气的消耗量成正比，在阴阳极间放置一个10-100欧的电阻，通过测量该电阻上的压