煤矿瓦斯传感器毕业论文

如果满意再追加100分。 2009-03-22 19:31可以再充分点吗？谢谢了

瓦斯泄漏报警器是非常重要的瓦斯安全设备，它是安全使用城市瓦斯的最后一道保护。瓦斯泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可瓦斯体，通过采样电路，将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当可瓦斯体浓度超过控制器或控制电路中设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭瓦斯阀门等动作。可瓦斯体报警器的探测可瓦斯体的传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。这些传感器都是通过对周围环境中的可瓦斯体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变.报警器为什么能知道瓦斯泄漏？瓦斯报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。这是一个独特的电阻，当“闻”到瓦斯时，传感器电阻随瓦斯浓度而变化，瓦斯达到一定浓度，电阻达到一定水平时，传感器就可以发出声光报警。什么叫声光报警？瓦斯泄漏使室内浓度达到报警器浓度后，报警器的红色指示灯亮，蜂鸣器发出“辟-辟-”的报警声，所以叫做声光报警。瓦斯报警器为什么有有效期？质量不过关的传感器，一般1-2年性能就下降，因而丧失报警器的安全型。报警其中的其它电子元件（例如变压器、电容器、晶体管等）得寿命都有限，所以，连先进国家也规定有效期最多五年。为保安全，五年到期后必须更换新的报警器。其主要有主要有4个部分:感应器;信号放大器;报警器;电源.感应器主要有气敏电阻或气敏半导体.报警器有声的光的声光并用的.瓦斯泄漏,感应器感应出电信号,送到放大器放大,放大了的信号推动报警器工作. .希望大家多多支持。

胡千庭

（煤炭科学研究总院重庆分院 重庆 400037）

摘要 预防煤矿瓦斯灾害是世界各采煤国家关注的焦点，论文简要介绍了包括瓦斯灾害易发区域的预测技术、高效瓦斯抽采及抽采效果评价技术、瓦斯灾害监测预警技术等区域性的以建立本质安全矿井为目的的综合技术的应用、研究现状及进展情况。

关键词 煤矿瓦斯灾害 预测技术 抽采技术 监测预警技术

Research on New Prevention Technology for Disaster of Coal Gas

Hu Qianting

（Chongqing Branch of Research Institute of Coal Science，Chongqing 400037）

Abstract：It is a universal focus of the world's coal mining countries to prevent disaster of coal article briefly introduced the study status，progress and applications of several comprehensive technologies including forecast technology for regions prone to gas disaster，assessment technology for effective extraction of gas and extraction effects，technology of monitoring and early-warning for gas disaster，aiming to construction of essential safe coalmines.

Keywords：disaster of coal gas；forecast technology；extraction technique；monitoring and early-warning technologies

预防煤矿瓦斯灾害是世界各采煤国家关注的焦点，尤其在我国，瓦斯灾害已成为煤矿群死群伤的头号杀手。2005年，一次死亡10入以上的特大煤矿事故中，瓦斯事故占，新中国成立以来发生22起一次死亡100入以上的煤矿事故中，瓦斯煤尘爆炸事故为20起。

预防煤矿瓦斯灾害技术的研究已经从局部性短兵相接的单项技术向区域性的以建立本质安全矿井为目的的综合技术发展，包括瓦斯灾害易发区域的预测技术、高效瓦斯抽采及抽采效果评价技术、瓦斯灾害监测预警技术等。本文对这些技术的研究作一简要介绍。

1 瓦斯灾害易发区域预测技术

瓦斯灾害与地质构造有密切关系，地质构造复杂的区域通常属于瓦斯灾害易发区域。此外，瓦斯灾害易发区通常赋存着较高的瓦斯含量，因此，预测高瓦斯含量区域也是预测瓦斯灾害易发区的有效手段。

地质雷达超前探测地质构造技术

地质雷达是一种确定地下介质分布的定向高频电磁波反射定位技术。在岩土工程和建筑工程等领域得到广泛应用。煤炭科学研究总院重庆分院通过多年努力，最新研制出适合煤矿环境使用的本质安全型地质雷达，能够超前探测采掘工作面20～30m深处煤岩内的隐伏小型构造等地质异常体，通过在西山、淮南、松藻等矿区的试验，取得了好的效果。2004年12月12日，在西山杜儿坪矿68214尾巷进行了煤层陷落柱探测试验，发现在煤层中由浅到深雷达波逐渐衰减，而在有陷落柱的地方雷达回波出现强反射，同相轴基本形成一段弧形曲线，明显反映了陷落柱和煤层的分界面和陷落柱的大小范围（见图1）。

图1 杜尔平陷落柱探测结果

在西曲矿22502 工作面副巷探测2＃～4＃煤层位置和厚度：探测结果（图2）表明，2＃煤层的底板和4＃煤层的顶、底板位置反映均较清楚，4＃煤层在所测范围内基本稳定，受断层影响局部有起伏，所测4＃煤层平均厚度为。

图2 西曲矿煤层厚度探测结果

在西曲矿28210工作面副巷磺头超前探测采空区边界：沿磺头表面向前方作水平扫描，参见图3，可见约在前方30m处有一强反射界面，推测为含水异常区。

图3 西曲矿采空区边界探测结果

P-S 波长距离构造探测技术

P-S波长距离超前构造探测技术主要检测地震波中反射回来的P 波和S波，用来分析预报地质构造，能方便快捷预报采掘工作面100～150m深处煤岩内的地质异常情况。

试验分别于2005年7月9～10日和9月21日在潞安常村矿S3-5 皮顺巷、王庄矿740回风巷和王庄矿630皮带巷进行了三次探测试验。

图4 常村矿陷落柱探测结果

常村矿S3-5皮顺巷探测（图4）结果为：大约～处反射面较多，岩体破碎，可能为陷落柱影响区。该巷掘至距S3回风下山南帮55m处揭露一陷落柱。

王庄矿740回风巷探测（图5）结果为：在掘进面前方、掘进面前方处都存在反射界面，在70～120m 范围内还存在一些次生的反射界面。实际揭露发现掘进头前55m处发育F237断层，断层性质为正断层，走向132°，倾向222°，倾角80°，断层落差。

图5 王庄矿断层探测结果

煤层瓦斯含量直接测定技术

瓦斯含量Q是指单位质量的煤在20℃和一个大气压条件下所含有的瓦斯量，它由可解吸瓦斯含量和残存瓦斯含量组成，单位为m3/t，其表达基准为原煤基。可解吸瓦斯含量Qm的值等于瓦斯损失量 Q1、煤样瓦斯解吸量 Q2、煤样粉碎后的瓦斯解吸量 Q3三者之和。

通过向煤层施工取心钻孔，将煤心从煤层深部取出，及时放入煤样筒中密封，记录取心器切割煤心到密封前的时间；然后在井下测量煤样筒中煤心的瓦斯解吸速度及解吸量，根据解吸速度和损失时间推算瓦斯损失量Q1；把煤样筒带到实验室然后测量从煤样筒中释放出的瓦斯量，与井下测量的瓦斯解吸量一起计算煤心瓦斯解吸量Q2；将煤样筒中的煤样装入密封的粉碎系统加以粉碎，测量在粉碎过程及粉碎后一段时间所解吸出的瓦斯量（常压下），并以此计算粉碎瓦斯解吸量Q3；瓦斯损失量、煤心瓦斯解吸量和粉碎瓦斯解吸量之和就是可解吸瓦斯含量，即 Qm=Q1+Q2+Q3。然后测定煤样质量，并测定煤层残余瓦斯含量，最终求出煤层瓦斯含量。

测试系统由煤样筒、容量法测量系统、气体成分测定系统、煤样粉碎系统和钻孔取样系统等组成，见图6。利用这种方法在淮南矿业集团进行试验，并与钻屑法测定可解吸瓦斯含量进行对比，试验结果见表1。由表1 可知，取心法测定的可解吸瓦斯量精度更高。同时与巷道掘进过程中的瓦斯涌出量进行对比（见图7），显然趋势基本一致。

图6 瓦斯含量直接法测定系统

利用这种方法能够实现大面积大量测定煤层瓦斯含量资料，了解各区域的煤层瓦斯含量分布状态，以此为基础便可有效预测瓦斯灾害易发区。目前试验取样钻孔深度达到50m，随着进一步改进和扩大试验，预计能够满足煤矿生产的实际需要。

图7 瓦斯含量测定结果对比

表1 钻屑法测定与取心法测定瓦斯解吸量试验结果对比

2 高效瓦斯抽采技术

地面钻孔抽采采动卸压区煤层或采空区瓦斯

瓦斯抽采是预防瓦斯灾害最根本的手段，借鉴国内外一些成功的经验，结合淮南矿区的实际情况，我们对煤矿区地面钻井抽采采动卸压区煤层或采空区瓦斯技术进行了试验研究。

图8是地面钻井抽采采动卸压区煤层或采空区瓦斯的钻孔结构图，抽采采动卸压煤层内的瓦斯时，钻孔应进入卸压煤层内。在淮南矿业集团谢桥和张北矿采空区瓦斯抽采的试验结果表明，钻孔应布置在距离回风巷30m 以内，钻孔间距在200～300m之间。图9是谢桥矿抽采效果图，表2总结了淮南矿区地面钻孔抽采采空区瓦斯的流量和浓度。潘一矿的地面钻孔抽放采空区瓦斯流量为5～15m3/min，浓度为60%～85%。张北矿地面钻孔抽放采空区瓦斯流量为10～25m3/min，浓度为60%～80%。谢桥矿地面钻孔抽放采空区瓦斯流量为10～20m3/min，浓度为60%～90%。谢一矿的一个地面钻孔抽放采空区瓦斯量为4～5m3/min，浓度为50%。

表2 淮南矿区地面钻孔抽放瓦斯流量和浓度

图8 地面钻孔抽采采空区瓦斯钻孔结构图

图9 谢桥矿地面钻孔抽采采空区瓦斯效果

通过以上对淮南矿区地面钻孔抽放采空区瓦斯实施效果的归纳，可以看出：通常情况下，这些钻孔在正常工作期间，瓦斯抽放量和瓦斯浓度均较高，平均流量为15m3/min，平均瓦斯浓度为80%，抽放效果较好。当工作面推过钻孔40～100m时，钻孔瓦斯流量和浓度都增到最大值（见图10）。

图10 潘一矿地面钻孔抽放采空区瓦斯流量和浓度

井下顺煤层枝状长钻孔预抽煤层瓦斯技术

在山西大宁矿，引进澳大利亚生产的VLD-1000定向千米钻机，采用导向和纠偏装置调整钻进方向，并根据煤层强度确定排渣方式和参数。VLD定向钻机从2003年4月开始在大宁矿调试、运行，到2004年4月末的一个整年，总共钻进进尺为78484m，创下了单台VLD定向钻机在井下定向钻进的世界纪录。到2004年9月底，VLD钻机已经完成了定向钻孔160个，总进尺达到了112716m，最长的钻孔达到了1005m，有20个钻孔的长度在800m以上，钻孔布置如图11所示。

图11 大宁矿顺煤层枝状长钻孔

对不同深度钻孔的抽采效果进行了现场试验和考察，将钻孔按深度分为 800m、600m、400m组。不同深度千米钻机枝状长钻孔抽采效果如表3所示。由此可以看出，钻孔深度为800m组的钻孔总钻进长度是钻孔深度400m组的153%，其抽采第1年、第2年及800 d的总累计抽采量是钻孔深度400m组的133%～139%；钻孔深度为600m组的钻孔总钻进长度是钻孔深度400m组的145%，其抽采第1年、第2年及800 d的总累计抽采量是钻孔深度400m组的106%～121%。随着钻孔深度的增加，钻孔的累计抽采总量也相应增加，说明增加钻孔长度对提高抽采效果是可行的。在煤矿井下实施千米钻孔后，既可大幅度减少抽采巷道工程量，并能实现大面积预抽。

钻孔在第2年末的总累计抽采量与第1年末相比增加了14%～28%，而在800 d时的总累计抽采量与第2年末的相比仅增加了1%左右。由此可得出，钻孔的合理抽采时间以1～2年为宜。

大宁矿首采面长500m、宽320m，于2003年开始实施千米钻机枝状长钻孔，钻孔间距15m左右（共计 12个孔、34个水平分支），钻孔深度为 500m左右，钻进总进尺11000m，抽采时间为年。经考察单孔平均总抽采量为。首采面的煤层气含量为14m3/min，由此计算首采面的预抽率为 ；2005年矿井煤层气涌出量为，其中抽采量为130m3/min，矿井煤层气抽采率为。

表3 不同深度千米钻机枝状长钻孔抽采效果分析表

3 瓦斯灾害监测技术

瓦斯灾害监测是及时发现瓦斯灾害隐患的关键手段，主要包括传感器技术和监控网络系统两部分。

红外瓦斯传感器技术

红外瓦斯传感器主要是利用瓦斯气体对某一特定波长红外光吸收性能与瓦斯浓度之间存在一确定关系，通过测定特定波长红外光被吸收的程度反映瓦斯浓度值的原理进行工作，见图12。

图12 红外瓦斯传感元件

对研制的红外传感器进行的测试结果为：瓦斯浓度为0～5%之间时，最大绝对误差为，最大线性度偏离 ，平均响应时间，0～40℃温度变化时显示误差为±，为期10d稳定性试验零点漂移最大为，在淮北桃园矿试验近7个月未进行调校，误差仍然控制在要求范围之内，显然具有较好的性能。目前已开发出测量范围为0～10%和0～40%CH4的红外瓦斯传感器。

宽带监控系统

KJ90分布式网络化煤矿综合监控系统主干传输平台即采用了基于I P的工业以太网通信技术，将地面以太网技术直接延伸至煤矿井下环境，为矿井构筑了先进、可靠、标准、高速、宽带、双向的综合信息传输平台，使得矿山安全和综合自动化系统的各种监控设备、自动化过程控制设备、语音通讯设备、图像监控设备等都以IP方式接入。并与煤矿企业的Internet/Intranet整体架构实现无缝连接，如图13。

图13 宽带监控系统功能结构图

4 瓦斯灾害预警技术

瓦斯灾害的有效预防与矿井管理水平密切相关。然而，瓦斯灾害的发生具有许多相关影响因素，且这些因素都是动态变化的，单纯靠入来掌握所有相关因素的变化以及可能导致的结果是非常困难的。为此，我们开展了瓦斯灾害预警技术的研究，通过建立大量的信息数据库，并通过监控系统监测各相关影响因素的变化，利用试验研究得到的相关模型，实现对瓦斯灾害预警，并提出合理的消除瓦斯灾害隐患的建议，利用技术提升矿井安全生产的管理和决策水平。

预警系统基于ARC Infor 三维地理信息系统平台进行开发，使过程和结果具有直观性。目前，瓦斯灾害预警系统主要具备的功能有：①瓦斯赋存分析及预测；②区域煤与瓦斯突出危险性预测；③采掘工作面煤与瓦斯突出危险性预测；④瓦斯浓度变化实时监控与预测；⑤瓦斯爆炸危险性预测；⑥系统管理、矿图维护与输入输出等功能模块。而且随着研究的深入，不断增加功能，自学习修正模型等。图14是该系统软件的一个界面。

瓦斯地质及瓦斯赋存分析与预测

瓦斯地质及瓦斯赋存分析及预测主要是以绘制瓦斯压力等值线、瓦斯含量等值线、地质构造对煤与瓦斯突出的影响等为目标，研究基于地理信息（GIS）技术的瓦斯地质赋存状况预测方法及软件计算程序。在本系统中，主要研究开发了地质构造的维护、查询，地质单元的划分与智能识别，地质单元的瓦斯压力等值线绘制、瓦斯含量等值线绘制、等值线分布范围查询及分布图查询等功能。

图14 瓦斯压力等值线输出结果

区域煤与瓦斯突出危险性预测

区域煤与瓦斯突出危险性预测主要以绘制突出危险区域分布图为目标，其预测基础是煤矿实际测定的瓦斯压力和瓦斯含量等基本参数、地质构造、动力现象等。区域预测的方法包括瓦斯地质法、综合指标法、钻孔动力现象判断法和其他现象的综合判断法，区域预测的结果就是各个专业模块计算结果的并集。区域预测结果分为突出威胁区、突出危险区和严重突出危险区三级，结果图可以进行交互查询、打印和共享发布。

采掘工作面煤与瓦斯突出危险性预测

采掘工作面煤与瓦斯突出危险性预测主要分为采煤工作面突出危险性预测、煤巷掘进工作面突出危险性预测和石门揭煤工作面突出危险性预测三部分内容，其预测数据来源有三个方面，一是钻孔法日常突出预测数据，包括瓦斯解吸指标K1值、钻屑量S、瓦斯涌出初速度q及其衰减指标Cq等；二是工作面瓦斯涌出动态指标，包括放炮后30（60）min内瓦斯涌出变化评价指标V30（V60），监测系统监控的工作面瓦斯实时涌出变化量等；三是地质构造、日常记录的参数测定点、历史采掘状况记录、历史突出事故记录等。

瓦斯变化实时监控与预测

瓦斯监控信息来源于监测系统，预警服务器的任务是：定时从监控系统服务器读取需要的信息（主要是瓦斯浓度变化实时值），并主动传输到预警服务器上，再根据信息需求进行分类存储和显示，并通过软件界面接口提供灵活的查询和统计分析功能。

由于监控系统数据是进行瓦斯灾害动态预警的基础，所以数据采集服务器程序不但要求其自身具有稳定性、可靠性、灵活性等特征，而且对控件系统服务器不能有任何负面影响。从长远来看，需要对监控系统和预警系统的数据库服务器进行合并以减少数据存储资源的浪费和数据的集中管理。

瓦斯爆炸危险性预测

瓦斯爆炸危险性预测以矿井监测系统的瓦斯浓度实时监测数据为基础，对其进行分析处理，综合其他影响因素研究出瓦斯爆炸灾害的预警指标和方法，实现对瓦斯爆炸灾害发生的超前预警，其包括两个方面的内容：

（1）对监测系统数据库保存的三类数据进行分析和判断，实现瓦斯爆炸危险性实时预警；

（2）根据煤与瓦斯突出预警结果进行分析和判断，实现异常情况下瓦斯爆炸危险性预警。

系统管理、矿图维护与输入输出

系统管理、矿图维护与输入输出是本系统正常运行的基础。

（1）系统管理。系统管理包括本软件系统的通用参数设置、显示风格设置、用户权限设置、煤矿部门分配及员工设置、日志管理、系统配置状态诊断、数据库备份与恢复等内容，系统管理功能模块的作用是为预警系统的正常运行提供保障。

（2）矿图维护。矿图维护主要是对矿井的地图对象进行维护，包括设施设备维护、传感器维护、巷道维护、掘进工作面维护、采煤工作面维护、工作面预测测点维护、突出事故点维护、采空区维护、保护带维护、采煤阶段维护、采区维护、瓦斯赋存参数维护、地质构造维护等内容。

矿图维护模块的设计不同于传统的图形绘制方法，为了严格按照预警系统的对象关系进行对象定义，在维护地图对象时，不但要求准确地绘制矿图及其对象，还特别要求同时建立对象之间的拓扑关系及关联方法。

（3）输入输出。输入输出功能是预警系统运行和展示预警结果的主要手段。输入主要通过三种方式进行采集数据，即：日常维护输入、监测系统动态输入和历史数据分析；输出的方式有报表打印输出、报表网络发布、地图打印输出、地图网络发布等方式。

另外，系统还设计研究了灾害防治措施、专家系统知识库等内容。

5 结束语

有效预防瓦斯灾害是一项长期而又艰巨的任务，面临的技术难题将越来越复杂。本文介绍的技术是这些年的一些研究进展情况，部分技术仅在部分矿区进行过试验，达到大面积推广还需要一个过程。尤其是瓦斯灾害的预警技术，目前更主要的是搭建了一个平台。通过“十一五”的科技攻关、国家973、国家自然科学基金等项目的研究，进一步建立和完善预警模型，筛选和完善实用预防技术，并通过现场的试推广应用和自学习不断修正，使之具备涉及瓦斯灾害动态预警所必需的实用软硬件技术，真正为提升煤矿安全水平起到中坚作用。

一、红外辐射的产生及其性质红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(℃)时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律 （9-2-1）式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5μm，8～14μm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。 二、红外传感器的组成：我们先看看红外系统的组成、主要光学系统和辅助光学系统，在此基础上对红外的关键元件进行详细的探讨。其实，红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分工作原理(如图所示): 三、红外传感系统的分类：红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以各类系统中的两个或者多个的组合。四、红外传感器工作原理：（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。