煤矿生产中瓦斯检测技术的研究进展

摘要：煤矿生产中瓦斯的检测和预防瓦斯爆炸一直是煤矿行业中的重中之重。本论文讨论了几种传统的瓦斯检测技术以及新型检测技术的发展现状，并对瓦斯检测设备未来的发展做了展望。

关键词：瓦斯 浓度 检测

0 引言

由于我国经济的迅速发展，对能源的需求急剧增大，根据统计我国能源需求的70%来源于煤炭【1】，因此煤炭生产在我国的能源供应结构中起到了中流砥柱的作用。煤矿的安全生产一直是困扰各地政府和煤矿生产人员的一个重大问题，其中由瓦斯引起的爆炸对煤矿安全生产的威胁最大。瓦斯爆炸事故严重危害了矿工的生命以及国家的财产安全，同时还可能会带来恶劣的社会影响，是煤矿安全生产的重大隐患。

近年来，我国由于瓦斯爆炸所造成的煤矿生产安全问题不断发生。2009年11月21日，黑龙江鹤岗新兴煤矿爆炸，死亡108人。2012年2月3日15时左右，四川省宜宾市筠连县钓鱼台煤矿井下发生一起瓦斯爆炸事故，造成13人死亡，8人受伤。2012年2月14日15时30分左右，新疆昌吉州玛纳斯县兴达煤矿井下发生了一起瓦斯爆炸事故，造成8人死亡。2012年5月15日18时40分左右，位于新疆自治区塔城地区乌苏市的农七师新疆准南煤矿所属托力拜勒勘探区（平硐），在探巷施工过程中发生一起瓦斯爆炸事故，造成6人死亡。同年8月13日6时许，吉林省白山市吉盛煤矿一井发生瓦斯事故，造成18人死亡。因此预防瓦斯事故是煤矿安全生产的重中之重。

瓦斯爆炸的主要原因是甲烷与氧气的比例达到一定界限并且存在着火源点，比如气电性火源，冲击性火源以及化学性火源【2】。采用高效的瓦斯气体浓度检测手段，实施监测矿井内的瓦斯浓度，对于预防瓦斯爆炸事故，尽量避免或者减少生命财产损失，具有极其重要的意义。

1 常用的瓦斯检测技术

目前被广泛应用于煤矿安全生产的瓦斯检测技术主要有半导体气敏法、载体催化法、热导型检测法以及光干涉法等。

1.1 半导体气敏法

半导体气敏法【3】是采用氧化物半导体作为基本的吸附材料，瓦斯气体吸附在半导体材料表面引起半导体材料的电导率等电学特性产生变化，通过对这些电学特性信号的收集来达到检测瓦斯气体浓度的目的。目前常用的氧化物半导体有：氧化锌、氧化锡、氧化镁、氧化钴等。半导体气敏传感器的优点是：寿命长、结构简单、耗能少。缺点是：选择性差，受水蒸气的影响比较严重，通过添加某些材料或者改变反应温度虽然可以提高它的选择性，但作用不是很难明显，而且由于其测量范围窄，检测可燃性气体浓度的精度性差，目前在煤矿开采中较少使用。

1.2 载体催化法

催化燃烧型瓦斯检测仪的检测原理为【4】：利用敏感元件（俗称黑白元件）对瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上发生无火焰燃烧，释放出热量使元件温度上升，增加敏感元件铂丝的电阻值。通过下图所示的惠斯登电桥测量电路（见图1），可以测量其敏感元件电阻值变化量。

1942年美国就成功制造了世界上最早的催化型瓦斯检测技术，称为VCC瓦斯测量仪，所采用的催化材料为纯铂丝；随后，日本在铜丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠制成世界上最早的载体催化元件；1960年后，世界上大部分工业发达国家，都把研制催化型仪器【5】作为瓦斯检测的主要发展方向。目前，波兰、英国等国家依然主要采用催化型检测技术作为其瓦斯浓度的主要检测技术。

载体催化法具有精度高，成本低廉等优点，在包括我国在内的许多国家的煤矿生产中广泛应用，但是也存在着零点漂移以及稳定性不够等缺点。

1.3 热导型检测法

热导型检测法【6】的原理是利用甲烷气体与空气热导率不同来检测甲烷气体，并得到甲烷的浓度数据。由于甲烷气体与空气热导率差距较大，因此当甲烷气体浓度较高时，该方法检测精度较高，而当甲烷浓度较低（小于5%）时，热导率变化幅度很小，很难被检测到，因此该方法仅适用于高甲烷浓度的检测，通常与催化型检测方法联合使用。

1.4 光干涉法

光干涉瓦斯检测仪【7】是利用光在不同空气中的折射率不同的光学原理，通过测量不同瓦斯含量的空气与不含瓦斯空气的折射率的变化来确定瓦斯浓度。同一光源发出的两束光分别经过充有标准气样的参考气室和充有待测气体的测量气室，相遇时两束光将会产生干涉条纹，待测气体的浓度不同，干涉条纹的位置就不同，根据干涉条纹的不同位置，即可测定气体的浓度。它的优点是精度高，使用寿命长等，但是由于温度、湿度以及压力等外部因素都会影响气体的折射率，因此光干涉法对环境要求较高。

2 国内外研究现状

由于传统的瓦斯气体检测方法都存在各种各样的限制和不足，因此需要研发一些新型的瓦斯检测技术。目前研究的热点主要集中在红外光谱法和气相色谱法等。

2.1 红外光谱法

红外光谱法的原理【8】是根据不同气体在光谱作用下由于分子结构以及键能不同而表现出不同的吸收峰，通过收集吸收峰的波长以及吸收强度可以计算出空气中甲烷或者其他气体的浓度。红外甲烷检测设备是利用甲烷在1.33μm以及1.66μm处附近所产生的强烈吸收峰来检测甲烷气体，而空气中的水蒸气以及二氧化碳等气体在此处均无吸收峰，因此可以精确测量甲烷气体的浓度，光信号传输主要依靠光纤。它的优点在于响应速度快、测量精度高、不受杂质气体干扰以及无零点漂移困扰等。

1978年，日本Tohoku大学的Inaba.Humio等人首先提出了光谱吸收法，通过光纤传输光信号，进行了长距离的大气污染监测。1986年，K.ehan和H.Ito等人采用InGaAs材料的LED作为光源，针对甲烷气体在1.66μm处的吸收峰，检测了甲烷气体的浓度，配合窄带干涉滤光片，系统的灵敏度提高了一倍。2006年，俄罗斯科学研究院物理研究所报道了采用单频激光，进行甲烷气体在1.66um处的吸收实验。2008年，GrawfordMassie报道了便携式瓦斯光学传感器，选择的是1.66um处的吸收谱线。

我国在利用红外光谱法检测瓦斯气体浓度方面起步较晚，从上世纪80年代末期才开始。2002年，吉林大学的王一丁教授设计了具有新型光路和电路结构的便携式红外瓦斯气体检测仪。近年来，安徽光机所在光谱吸收气体方面做过许多研究，比如采用激光远程吸收和波长调制技术相结合的方法，实现了瓦斯气体浓度的检测。

2.2 气相色谱法

气相色谱法主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。待分析样品在气化室气化后被惰性气体（即载气，也叫流动相）带入色谱柱，柱内含有液体或者固体固定相，由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能的不同，每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但是由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立起来，也正是由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解吸，结果导致较难吸附的组分随着载气较快地向前移动而先流出色谱柱，而较易吸附的组分移动较慢，后流出色谱柱。当组分流出色谱柱后，立即进入检测器，检测器能够将样品组分的存在与否并转变为电信号，而电信号的大小与被测组分的量或浓度成比例。当将这些信号放大并记录下来时，就形成了色谱图，它包含了色谱的全部原始信息。在没有组分流出时，色谱图记录的是检测器的本底信号，即色谱图的基线。

气相色谱法具有效能高、选择性高、灵敏度高、分析速度快、应用范围广等优点， 但仪器比较笨重，实时性难以保证。

色谱法是最早被俄国科学家茨维特在分离并研究植物色素时所发明的一种检测的手段。直到上世纪80年代才逐渐被应用于瓦斯气体以及煤裂解气的分离与检测。

1981年Gangwal等人利用气相色谱法对煤裂解气的成分进行了分离与检测，2008年Grazyna等人利用气相色谱法分离出了煤矿气体中的一氧化碳和甲烷；2011年Zubkova等人报道了通过气相色谱法对煤裂解气中的各项成分进行了分离并测定了其浓度。国内最早在1989年报道了利用气相色谱法分离并测定了煤矿气体样本中的瓦斯浓度【9】。

3 展望

瓦斯浓度的检测是煤矿开采领域的重大安全课题，目前所拥有的瓦斯检测技术难以满足在各种条件下对瓦斯浓度进行检测，瓦斯浓度检测技术还有待完善，在提高检测响应速度以及精度的基础上，还需要在便携性、实时性、智能化和网络化等方面做出努力。

提高检测设备的便携性就是要实现设备的微型化，随着微电子工艺和微机系统的快速发展，瓦斯检测设备已经有了向微型化和智能化方向发展的趋势，并且具有自动补偿功能、自计算和处理功能以及自诊断功能的微型瓦斯检测设备有望在不久的将来在煤矿生产中得到广泛的应用。同时，还应在瓦斯检测设备上配备网络接口，以实现远程实时监控并随时储存检测数据以备研究。

另外，集成化、多功能化、微功耗无源化、高精度和高可靠性都是研究传感器的热门课题。

4参考文献

[1] 张浩. 煤矿机电产品检测技术[J]. 科技信息. 2012， 10： 355

[2] 刘永平. 红外技术在煤矿井下测温和测气中的应用. 红外技术[J]. 2000，22（4）：59-62

[3] 彭士元. 改善氧化锡气体传感器检测甲烷选择性的实验研究[J]. 监控技术. 1994， 13（4）： 32～33

[4] 袁维贵， 褚福爱. 煤矿瓦斯检测传感器的现状及发展趋势[J]. 煤炭科技. 2012，4： 99-100

[5] 童敏明. 补偿元件对载体催化元件输出特性的影响[J]. 传感器技术. 1995， 4： 15-21

[6] 江国舟， 江超.微弱信号检测的基本原理与方法的研究[J]. 湖北师范学院学报自然出版社， 2001： 76一81

[7] 王鸿， 雷光. 干涉型与催化剂型瓦斯检定器应用对比分析[J]. 煤炭技术. 2008，27（2）

[8] 张帆. 红外甲烷传感器温度校正模型研究[J]. 煤矿机械. 2009， 30（10）： 43-35

[9] 时延. 以气相色谱法测定煤层瓦斯成分及煤、焦活性[J]. 煤炭分析及利用. 1989， 4（3）： 29-32