火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)組成

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控制。包括:井下束管系統(tǒng)、真空泵機組、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):主要完成測定數(shù)據(jù)的獲取、存儲、分析;束管采樣控制、管路維護控制等的軟件系統(tǒng);專業(yè)化的測量數(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、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、打印機、工作站、系統(tǒng)軟件等。

為確保礦井安全生產(chǎn)，需設(shè)一套火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)對井下重點區(qū)域的氣體成份進行分析、判斷、預(yù)測，為提前的干預(yù)提供準確的數(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)報和防治工作。對井下重點區(qū)域的CO、CO2、CH4、O2等氣體濃度通過紅外分析儀進行24小時連續(xù)循環(huán)監(jiān)測分析，C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度通過氣相色譜儀進行采樣分析，經(jīng)過對自燃火災(zāi)標志氣體的確定和分析，及時預(yù)測預(yù)報發(fā)火點的溫度變化，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)。

第一:實現(xiàn)了對井下自燃標志氣體的連續(xù)、在線分析。

礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)對礦山各重點區(qū)域的CO、CO2、CH4、O2濃度通過紅外分析儀進行24小時連續(xù)循環(huán)監(jiān)測分析，C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度通過氣相色譜儀進行采樣分析，并將監(jiān)測結(jié)果和采樣氣體組分存入數(shù)據(jù)庫中，以報表、曲線、爆炸三角形、爆炸趨勢四方圖等形式在網(wǎng)上實時發(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)測系統(tǒng)。

1. 紅外分析儀的檢測器均從德國進口。

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器(一氧化碳0-50ppm、0-1000ppm;甲烷0-5%、0-100%)，以滿足測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行測量。

4. 分析儀的校準由電腦控制自動完成標氣的進樣、切換、測量、計算等整個過程。

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達到±15~±25ppm，0-100%量程的甲烷誤差會達到±1.5~±2.5%甲烷,無法達到礦井火災(zāi)束管監(jiān)測的要求(國家標準要求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到礦井火災(zāi)束管監(jiān)測的要求(國家標準要求使用順磁氧分析儀，電化學(xué)傳感器在缺氧時會失效損壞)。

第三:系統(tǒng)采用先進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的標準化設(shè)計，配置靈活，擴充方便，通用的接口，智能化設(shè)計，維護簡單。

2.獨立的管路壓力及流量監(jiān)測，監(jiān)測每根管路的泄漏情況，便于對井下束管的維護管理。

3. 電磁閥、流量計及壓力測量等關(guān)鍵部件均從美國進口。

4.系統(tǒng)的抽氣采用德國進口的無油、無水、體積小、便于安裝、免維護的干式真空泵，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。

5.系統(tǒng)的抽氣真空泵、采樣泵，采樣、分析、系統(tǒng)校準、管路清洗等工作均可通過電腦控制自動或人工操作完成，并可實現(xiàn)遠程自動監(jiān)測和控制。

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

第四:系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)保存、報警并以報表、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趨勢四方圖，用于判斷混合氣體在成分變化的過程中爆炸危險性的趨勢，從而為判斷其爆炸危險性提供方便的工具。

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。當比例不正常時，意味著氣樣受到某種干擾而無效。當氣樣的Tr超過1.6時，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)提供遠程監(jiān)控及數(shù)據(jù)網(wǎng)上實時發(fā)布功能。

主要技術(shù)性能:

1. 利用在線式紅外分析儀對CO、CO2、CH4、O2進行24小時在線式連續(xù)監(jiān)測。同時配備的氣相色譜分析儀在發(fā)現(xiàn)有異常樣本時，再對其詳細分析C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度，并將監(jiān)測結(jié)果和采樣氣體組分存入數(shù)據(jù)庫中，以報表、曲線、爆炸三角形、爆炸趨勢四方圖等形式在網(wǎng)上實時發(fā)布，從而更精確地掌握井下氣體的狀況。

2.快速自動循環(huán)分析，最快1-2分鐘分析一路氣體。

3.采用原裝進口的干式真空泵機組，無油、無水、靜音，體積小、便于安裝、免維護，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)運行4小時。(含真空泵機組)

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的快速處理。

7.系統(tǒng)的自動運行，包括分析儀的自動校準，用戶均可以自行設(shè)定校準周期、管路堵塞監(jiān)測、管路清洗時間、自動循環(huán)或單路監(jiān)測等。

8.系統(tǒng)具備如下數(shù)據(jù)分析功能:

爆炸三角圖、爆炸趨勢四方圖、特里克特比率Tr、Graham's Ration指數(shù).

9. 每一個氣體警報都要有各自獨立的可設(shè)定的四個警報臨界點。

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:

系統(tǒng)分類:地面監(jiān)測型

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%(含真空泵機組)

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

工作環(huán)境:濕度 5-95%(非冷凝)

溫度 0℃-40℃(地面)

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間成正比，能反映燃料氧化反應(yīng)狀況。該值用于預(yù)報煤的自燃發(fā)火趨勢。在以ICO作為自燃發(fā)火預(yù)報指標時，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。因為ICO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，而非單個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。

· 其值計算方法:

· ICO= CO/(0.265*(N2+Ar)-O2)= CO/△O2

· 式中:

· CO-風流流經(jīng)著火帶后生成CO濃度，%;

· △O2-風流流經(jīng)著火帶后O2消耗的濃度，%;

· O2-風流流經(jīng)著火帶后O2濃度，%。

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

· 以ICO作為自然發(fā)火預(yù)報指標時，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。因為ICO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，而非單個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。以撫順局老虎臺礦(氣煤)為例，當溫度升高，出現(xiàn)微量CO和有煤油味時，ICO臨界值為0.0046~0.04;煤油味加重，自熱嚴重時，ICO報警值為0.041~0.09;出現(xiàn)灼熱煙霧，處于陰燃狀態(tài)時，ICO值>0.09。

科瓦德三角形

含有多種單一可燃氣體的混合氣體發(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使災(zāi)區(qū)或災(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性，進一步采取可靠預(yù)防措施,保障安全的一個重要步驟。

科瓦德三角形的做法:

橫坐標為可燃氣體濃度(%)0~100%，縱坐標為O2濃度(%)0~22%，沿橫坐標的(100%，0)和縱坐標的(0，21%)兩點做直線，在直線上作出可燃氣體爆炸上、下限點，結(jié)合鼻點三點通過三點法做出瓦斯爆炸科瓦德三角形。

計算屬性可輸入的數(shù)據(jù):各種可燃氣體濃度值，N2、 O2濃度值。

A:可燃氣體爆炸下限點，橫坐標代表可燃氣體濃度下限用LTL表示，縱坐標代表氧氣濃度

B:可燃氣體爆炸上限點，橫坐標代表可燃氣體濃度上限用LTU表示，縱坐標代表氧氣濃度

C:混合氣體失爆點。坐標用(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。當比例不正常時，意味著氣樣受到某種干擾而無效。當氣樣的Tr超過1.6時，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。

其計算公式為:

美國礦業(yè)局爆炸三角形

該方法既考慮了可燃氣體的多樣性，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，但混合氣體組分點坐標值根據(jù)各種可燃氣體濃度和各種惰性氣體濃度按其爆炸或惰化特性加權(quán)綜合計算，即組分點隨混合氣體組分變化。通過了解混合氣體組分點是否在爆炸三角形內(nèi)來了解其爆炸性。

用標準的圖形與計算的R值進行比較。

氣體爆炸危險趨勢四方圖

該圖依據(jù)混合氣體爆炸三角形的計算，進行變換獲得，主要用于判斷混合氣體在成分變化的過程中爆炸危險性的趨勢。計算原理是:將對同一測點不同時間測定獲得的多個氣樣數(shù)據(jù)，固定氣體爆炸三角形的邊界，計算混合氣體的坐標點距離爆炸危險區(qū)域的距離，從而為判斷其爆炸危險性提供方便的工具。

四方圖的繪制要求有查詢條件輸入。輸入內(nèi)容為測點的位置和時間

災(zāi)區(qū)封閉過程中氣體的爆炸性分析

2、當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:

A、人工測量或取樣

由測量人員直接在測定現(xiàn)場測量，或取樣后送至地面進行分析。測定地點靈活，但頻度低，且只能測定正常氣樣，危險環(huán)境測點無法測量。

B、井下實時監(jiān)控系統(tǒng)(以重慶煤科院等為代表)

能夠?qū)崿F(xiàn)對選定測點的連續(xù)可靠測量，但測量的氣體種類和范圍、精度均受限制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有待進一步改善，傳感器易受環(huán)境影響，維護工作量大，且災(zāi)變時期無法使用。

C、第一代礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(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)

當前多數(shù)采用束管取樣+色譜分析系統(tǒng)。布點方便、測定不受環(huán)境影響，測定范圍、精度不受限制。但實際運行中存在如下缺點:

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

2) 氣相色譜儀不適宜長期連續(xù)運行，為保證可靠性，檢測不同含量氣體時都要配置不同標準的標氣、做模板、調(diào)試環(huán)境等維護工作。

3) 氣樣分析有時需人工參與，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)測系統(tǒng)。

2) 可測量大多數(shù)的混合性氣體，包括缺氧區(qū)域的測量或災(zāi)變時氣體分析。

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

4) 可以24小時連續(xù)監(jiān)測井下的一氧化碳、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;采用免維護和智能化設(shè)計，避免每天要對測量儀器進行校準等繁瑣的工作環(huán)節(jié)。

6) 色譜分析儀可檢驗出氧氣、氮氣、一氧化碳、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) 準確獲知的人工取樣氣樣;

b) 進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) 校準儀器所用的標準氣體。

9) 由于色譜分析比較費時費力，通常在系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)氣體異常狀況時再啟動，進行核實，并獲得完整的氣樣成分。