火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

第一:實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下自燃標(biāo)志氣體的連續(xù)、在線分析。

礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦山各重點(diǎn)區(qū)域的CO、CO2、CH4、O2濃度通過紅外分析儀進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)循環(huán)監(jiān)測(cè)分析，C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度通過氣相色譜儀進(jìn)行采樣分析，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果和采樣氣體組分存入數(shù)據(jù)庫中，以報(bào)表、曲線、爆炸三角形、爆炸趨勢(shì)四方圖等形式在網(wǎng)上實(shí)時(shí)發(fā)布。

第二:系統(tǒng)采用適合煤礦使用的礦井氣體在線式紅外分析儀為核心的礦山氣

體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1. 紅外分析儀的檢測(cè)器均從德國進(jìn)口。

2. 為適應(yīng)寬量程高精度的要求(一氧化碳0-1000ppm;甲烷0-100%)，一氧化碳和甲烷均采用高低量程雙檢測(cè)器(一氧化碳0-50ppm、0-1000ppm;甲烷0-5%、0-100%)，以滿足測(cè)量范圍的高低端要求。

3. 氧氣采用高性能的熱磁氧分析儀進(jìn)行測(cè)量。

4. 分析儀的校準(zhǔn)由電腦控制自動(dòng)完成標(biāo)氣的進(jìn)樣、切換、測(cè)量、計(jì)算等整個(gè)過程。

5. 整體性能優(yōu)于西門子的四合一分析儀，西門子的四合一分析儀為單量程，氧氣采用電化學(xué)傳感器，目前的分析儀最高精度為滿量程的±1.5%~±2.5%，0-1000ppm量程的一氧化碳誤差會(huì)達(dá)到±15~±25ppm，0-100%量程的甲烷誤差會(huì)達(dá)到±1.5~±2.5%甲烷,無法達(dá)到礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)的要求(國家標(biāo)準(zhǔn)要求0-20ppm一氧化碳誤差為±2ppm，0-1%甲烷誤差為±0.1%甲烷)。而氧電化學(xué)傳感器的性能也無法達(dá)到礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)的要求(國家標(biāo)準(zhǔn)要求使用順磁氧分析儀，電化學(xué)傳感器在缺氧時(shí)會(huì)失效損壞)。

第三:系統(tǒng)采用先進(jìn)可靠的樣品采集裝置。

1.系統(tǒng)的氣體分路及采樣、分析部件采用4U的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，配置靈活，擴(kuò)充方便，通用的接口，智能化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單。

2.獨(dú)立的管路壓力及流量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)每根管路的泄漏情況，便于對(duì)井下束管的維護(hù)管理。

3. 電磁閥、流量計(jì)及壓力測(cè)量等關(guān)鍵部件均從美國進(jìn)口。

4.系統(tǒng)的抽氣采用德國進(jìn)口的無油、無水、體積小、便于安裝、免維護(hù)的干式真空泵，可以通過系統(tǒng)軟件控制其開停，停電后可由UPS供電，繼續(xù)連續(xù)工作4小時(shí)。

5.系統(tǒng)的抽氣真空泵、采樣泵，采樣、分析、系統(tǒng)校準(zhǔn)、管路清洗等工作均可通過電腦控制自動(dòng)或人工操作完成，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。

6.具有完善的氣路阻火設(shè)計(jì)，系統(tǒng)更加安全。(如沒有此設(shè)計(jì)，則會(huì)很危險(xiǎn))

第四:系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)保存、報(bào)警并以報(bào)表、曲線、爆炸三角形等形式查詢外，還具備如下特有功能:

1.系統(tǒng)提供的氣體爆炸危險(xiǎn)趨勢(shì)四方圖，用于判斷混合氣體在成分變化的過程中爆炸危險(xiǎn)性的趨勢(shì)，從而為判斷其爆炸危險(xiǎn)性提供方便的工具。

2.系統(tǒng)提供的Graham's Ration指數(shù)也稱CO指數(shù)(ICO)，分析煤在自燃發(fā)火過程中，氧化產(chǎn)生的一氧化碳與氧耗量之比(CO/△O2)，該值與氧化源溫度及氧化時(shí)間成正比，反映燃料氧化反應(yīng)狀況。

3.系統(tǒng)提供的特里克特比率(瓊斯-特里克特比率) Tr，是一種剔除無效氣樣，避免錯(cuò)誤判斷的有力工具，增加了系統(tǒng)的可靠性。它主要根據(jù)火災(zāi)生成氣體的濃度之間有一定的相互依存比例來確定的。當(dāng)比例不正常時(shí)，意味著氣樣受到某種干擾而無效。當(dāng)氣樣的Tr超過1.6時(shí)，該氣樣不予考慮。若火災(zāi)的主要燃料是煤，Tr大于1的氣樣就值得懷疑。

4.系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)網(wǎng)上實(shí)時(shí)發(fā)布功能。

主要技術(shù)性能:

1. 利用在線式紅外分析儀對(duì)CO、CO2、CH4、O2進(jìn)行24小時(shí)在線式連續(xù)監(jiān)測(cè)。同時(shí)配備的氣相色譜分析儀在發(fā)現(xiàn)有異常樣本時(shí)，再對(duì)其詳細(xì)分析C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果和采樣氣體組分存入數(shù)據(jù)庫中，以報(bào)表、曲線、爆炸三角形、爆炸趨勢(shì)四方圖等形式在網(wǎng)上實(shí)時(shí)發(fā)布，從而更精確地掌握井下氣體的狀況。

2.快速自動(dòng)循環(huán)分析，最快1-2分鐘分析一路氣體。

3.采用原裝進(jìn)口的干式真空泵機(jī)組，無油、無水、靜音，體積小、便于安裝、免維護(hù)，可以通過系統(tǒng)軟件控制開停。

4.配備3kw的UPS電源，并配電池組，使系統(tǒng)在斷電后還能繼續(xù)運(yùn)行4小時(shí)。(含真空泵機(jī)組)

5.具有束管抽氣流量顯示功能，能夠直觀地反應(yīng)每路束管的氣體流量，并可方便調(diào)節(jié)控制。

6.系統(tǒng)配備專門的清洗泵用于束管堵塞時(shí)的快速處理。

7.系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，包括分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)，用戶均可以自行設(shè)定校準(zhǔn)周期、管路堵塞監(jiān)測(cè)、管路清洗時(shí)間、自動(dòng)循環(huán)或單路監(jiān)測(cè)等。

8.系統(tǒng)具備如下數(shù)據(jù)分析功能:

爆炸三角圖、爆炸趨勢(shì)四方圖、特里克特比率Tr、Graham's Ration指數(shù).

9. 每一個(gè)氣體警報(bào)都要有各自獨(dú)立的可設(shè)定的四個(gè)警報(bào)臨界點(diǎn)。

10.系統(tǒng)具有聯(lián)網(wǎng)功能，支持web發(fā)布功能，具備數(shù)據(jù)上傳功能。

主要技術(shù)指標(biāo):

系統(tǒng)分類:地面監(jiān)測(cè)型

系統(tǒng)容量:≤248路

分析氣體: CO、CO2、CH4、O2、C2H4、C2H2、C2H6、H2、N2等

系統(tǒng)精度:≤1.5%

檢測(cè)范圍: CO:0~1000ppm(最高分辨率0.1ppm);

CO2:0~30%(最高分辨率0.1%);

CH4:0~100%(最高分辨率0.1%);

O2:0~25%(最高分辨率0.1%);

N2:0~100%(最高分辨率0.1%);

H2:0~1000ppm(最高分辨率0.5ppm);

C2H4:0~500ppm(最高分辨率0.5ppm);

C2H2:0~500ppm(最高分辨率0.5ppm);

C2H6:0~500ppm(最高分辨率0.5ppm);

供電電源:220V±10%(含真空泵機(jī)組)

后備電源:UPS電源(為含真空泵機(jī)組在內(nèi)的在線系統(tǒng)提供4小時(shí)的后備電源)

工作環(huán)境:濕度 5-95%(非冷凝)

溫度 0℃-40℃(地面)

為確保礦井安全生產(chǎn)，需設(shè)一套火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井下重點(diǎn)區(qū)域的氣體成份進(jìn)行分析、判斷、預(yù)測(cè)，為提前的干預(yù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

該系統(tǒng)廣泛適用于大、中、小各類煤礦自然火災(zāi)預(yù)報(bào)和防治工作。對(duì)井下重點(diǎn)區(qū)域的CO、CO2、CH4、O2等氣體濃度通過紅外分析儀進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)循環(huán)監(jiān)測(cè)分析，C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度通過氣相色譜儀進(jìn)行采樣分析，經(jīng)過對(duì)自燃火災(zāi)標(biāo)志氣體的確定和分析，及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)火點(diǎn)的溫度變化，為煤礦自然火災(zāi)和礦井瓦斯事故的防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

本系統(tǒng)主要由三部分組成:

1)氣體采樣子系統(tǒng):主要完成井下氣體的采集和氣體樣本地面輸送的自動(dòng)控制。包括:井下束管系統(tǒng)、真空泵機(jī)組、采樣泵、分路控制箱、采樣控制箱等。

2)氣體分析子系統(tǒng):主要完成氣體樣本組分的精確測(cè)量。包括:連續(xù)在線紅外分析儀、氣相色譜儀、順磁氧分析儀及相關(guān)配套裝置等。

3)數(shù)據(jù)處理和共享子系統(tǒng):主要完成測(cè)定數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、分析;束管采樣控制、管路維護(hù)控制等的軟件系統(tǒng);專業(yè)化的測(cè)量數(shù)據(jù)輔助分析和數(shù)據(jù)Web共享所需的軟件系統(tǒng)。包括:系統(tǒng)控制工控機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、打印機(jī)、工作站、系統(tǒng)軟件等。

1、數(shù)據(jù)分析和預(yù)警原理

Graham's Ration指數(shù)(ICO指數(shù))

Graham's Ration指數(shù)也稱CO指數(shù)(ICO)，是指煤在自燃發(fā)火過程中，氧化產(chǎn)生的一氧化碳與氧耗量之比(CO/△O2)，該值與氧化源溫度及氧化時(shí)間成正比，能反映燃料氧化反應(yīng)狀況。該值用于預(yù)報(bào)煤的自燃發(fā)火趨勢(shì)。在以ICO作為自燃發(fā)火預(yù)報(bào)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各礦具體條件確定自燃發(fā)火過程中ICO的臨界值。因?yàn)镮CO值受煤質(zhì)和環(huán)境條件影響很大，而是應(yīng)根據(jù)ICO的變化趨勢(shì)，而非單個(gè)ICO值來判斷采空區(qū)自燃發(fā)火的可能或封閉火區(qū)的狀態(tài)變化。

· 其值計(jì)算方法:

· ICO= CO/(0.265*(N2+Ar)-O2)= CO/△O2

· 式中:

· CO-風(fēng)流流經(jīng)著火帶后生成CO濃度，%;

· △O2-風(fēng)流流經(jīng)著火帶后O2消耗的濃度，%;

· O2-風(fēng)流流經(jīng)著火帶后O2濃度，%。

· 當(dāng)煤氧化升溫時(shí)ICO指標(biāo)增加較快;在著火燃燒后，增加速率變緩，大多情況下會(huì)趨于穩(wěn)定。

· 以ICO作為自然發(fā)火預(yù)報(bào)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各礦具體條件確定自燃發(fā)火過程中ICO的臨界值。因?yàn)镮CO值受煤質(zhì)和環(huán)境條件影響很大。特別應(yīng)根據(jù)ICO的變化趨勢(shì)，而非單個(gè)ICO值來判斷采空區(qū)自燃發(fā)火的可能或封閉火區(qū)的狀態(tài)變化。以撫順局老虎臺(tái)礦(氣煤)為例，當(dāng)溫度升高，出現(xiàn)微量CO和有煤油味時(shí)，ICO臨界值為0.0046~0.04;煤油味加重，自熱嚴(yán)重時(shí)，ICO報(bào)警值為0.041~0.09;出現(xiàn)灼熱煙霧，處于陰燃狀態(tài)時(shí)，ICO值>0.09。

科瓦德三角形

含有多種單一可燃?xì)怏w的混合氣體發(fā)生火災(zāi)或爆炸都十分突然，經(jīng)常出乎人的意料，而且發(fā)展迅猛、激烈，災(zāi)害本身具有很大的危害性，可致人傷亡，而燃燒或爆炸所產(chǎn)生的有毒有害氣體還會(huì)使災(zāi)區(qū)或?yàn)?zāi)區(qū)波及區(qū)域中的人員中毒傷亡。釀成重大事故，使企業(yè)蒙受難以彌補(bǔ)的損失和危害。所以分析混合氣體爆炸性是判斷混合氣體危險(xiǎn)性，進(jìn)一步采取可靠預(yù)防措施,保障安全的一個(gè)重要步驟。

科瓦德三角形的做法:

橫坐標(biāo)為可燃?xì)怏w濃度(%)0~100%，縱坐標(biāo)為O2濃度(%)0~22%，沿橫坐標(biāo)的(100%，0)和縱坐標(biāo)的(0，21%)兩點(diǎn)做直線，在直線上作出可燃?xì)怏w爆炸上、下限點(diǎn)，結(jié)合鼻點(diǎn)三點(diǎn)通過三點(diǎn)法做出瓦斯爆炸科瓦德三角形。

計(jì)算屬性可輸入的數(shù)據(jù):各種可燃?xì)怏w濃度值，N2、 O2濃度值。

A:可燃?xì)怏w爆炸下限點(diǎn)，橫坐標(biāo)代表可燃?xì)怏w濃度下限用LTL表示，縱坐標(biāo)代表氧氣濃度

B:可燃?xì)怏w爆炸上限點(diǎn)，橫坐標(biāo)代表可燃?xì)怏w濃度上限用LTU表示，縱坐標(biāo)代表氧氣濃度

C:混合氣體失爆點(diǎn)。坐標(biāo)用(LTN，LTO2)表示

特里克特比率Tr

特里克特比率(瓊斯-特里克特比率) Tr;是一種剔除無效氣樣，避免錯(cuò)誤判斷的有力工具。它主要根據(jù)火災(zāi)生成氣體的濃度之間有一定的相互依存比例來確定的。當(dāng)比例不正常時(shí)，意味著氣樣受到某種干擾而無效。當(dāng)氣樣的Tr超過1.6時(shí)，該氣樣不予考慮。若火災(zāi)的主要燃料是煤，Tr大于1的氣樣就值得懷疑。

其計(jì)算公式為:

美國礦業(yè)局爆炸三角形

該方法既考慮了可燃?xì)怏w的多樣性，包括CH4、H2、CO等，也考慮了幾種常用的惰氣如二氧化碳的混合物。與科瓦德爆炸三角形不同的是這種三角形基本固定，但混合氣體組分點(diǎn)坐標(biāo)值根據(jù)各種可燃?xì)怏w濃度和各種惰性氣體濃度按其爆炸或惰化特性加權(quán)綜合計(jì)算，即組分點(diǎn)隨混合氣體組分變化。通過了解混合氣體組分點(diǎn)是否在爆炸三角形內(nèi)來了解其爆炸性。

用標(biāo)準(zhǔn)的圖形與計(jì)算的R值進(jìn)行比較。

氣體爆炸危險(xiǎn)趨勢(shì)四方圖

該圖依據(jù)混合氣體爆炸三角形的計(jì)算，進(jìn)行變換獲得，主要用于判斷混合氣體在成分變化的過程中爆炸危險(xiǎn)性的趨勢(shì)。計(jì)算原理是:將對(duì)同一測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間測(cè)定獲得的多個(gè)氣樣數(shù)據(jù)，固定氣體爆炸三角形的邊界，計(jì)算混合氣體的坐標(biāo)點(diǎn)距離爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的距離，從而為判斷其爆炸危險(xiǎn)性提供方便的工具。

四方圖的繪制要求有查詢條件輸入。輸入內(nèi)容為測(cè)點(diǎn)的位置和時(shí)間

災(zāi)區(qū)封閉過程中氣體的爆炸性分析

2、當(dāng)前煤礦井下的氣體分析主要采用的四種方法及其優(yōu)缺點(diǎn):

A、人工測(cè)量或取樣

由測(cè)量人員直接在測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，或取樣后送至地面進(jìn)行分析。測(cè)定地點(diǎn)靈活，但頻度低，且只能測(cè)定正常氣樣，危險(xiǎn)環(huán)境測(cè)點(diǎn)無法測(cè)量。

B、井下實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(以重慶煤科院等為代表)

能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)選定測(cè)點(diǎn)的連續(xù)可靠測(cè)量，但測(cè)量的氣體種類和范圍、精度均受限制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步改善，傳感器易受環(huán)境影響，維護(hù)工作量大，且災(zāi)變時(shí)期無法使用。

C、第一代礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng):束管系統(tǒng)+色譜分析(以北京華榮科安公司、淄博立偉、北京東西電子等廠家為代表)

當(dāng)前多數(shù)采用束管取樣+色譜分析系統(tǒng)。布點(diǎn)方便、測(cè)定不受環(huán)境影響，測(cè)定范圍、精度不受限制。但實(shí)際運(yùn)行中存在如下缺點(diǎn):

1) 氣樣分析時(shí)間過長。從進(jìn)氣到出結(jié)果需十幾分鐘，不能適應(yīng)連續(xù)檢測(cè)的要求。

2) 氣相色譜儀不適宜長期連續(xù)運(yùn)行，為保證可靠性，檢測(cè)不同含量氣體時(shí)都要配置不同標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)氣、做模板、調(diào)試環(huán)境等維護(hù)工作。

3) 氣樣分析有時(shí)需人工參與，通常需要專業(yè)人員操作。

D、第二代礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng):束管系統(tǒng)+色譜儀分析(以北京華榮科安公司為代表)

1) 以適合煤礦使用的在線式三通道色譜儀為核心的礦山氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2) 可測(cè)量大多數(shù)的混合性氣體，包括缺氧區(qū)域的測(cè)量或?yàn)?zāi)變時(shí)氣體分析。

3) 在線式紅外分析儀可以在2-3分鐘的時(shí)間內(nèi)完成一路氣體的分析。

4) 可以24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)井下的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氧氣，免除繁瑣的人工操作環(huán)節(jié)，能夠?qū)崟r(shí)在線分析氣體的數(shù)據(jù)。

5) 具有良好的穩(wěn)定性和可靠性;采用免維護(hù)和智能化設(shè)計(jì)，避免每天要對(duì)測(cè)量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)等繁瑣的工作環(huán)節(jié)。

6) 色譜分析儀可檢驗(yàn)出氧氣、氮?dú)狻⒁谎趸?、二氧化碳、甲烷、氫氣、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等多種氣體。

7) 色譜分析儀可提供更完整的氣體分析數(shù)據(jù)以完善高質(zhì)量的氣體爆炸圖表及比例計(jì)算。

8) 色譜分析儀是煤礦氣體精確分析的必備儀器，主要用于:

a) 準(zhǔn)確獲知的人工取樣氣樣;

b) 進(jìn)一步確定的束管分析氣路;

c) 深入調(diào)查的可疑分析結(jié)果或相關(guān)氣樣;

d) 校準(zhǔn)儀器所用的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

9) 由于色譜分析比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通常在系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)氣體異常狀況時(shí)再啟動(dòng)，進(jìn)行核實(shí)，并獲得完整的氣樣成分。