煤礦瓦斯監(jiān)測新技術(shù)

第1章　緒論

1.1　瓦斯氣體簡介

1.2　礦井瓦斯氣體的產(chǎn)生過程

1.2.1　礦井瓦斯的生成

1.2.2　礦井瓦斯的性質(zhì)

1.2.3　礦井瓦斯的存在狀態(tài)

1.2.4　礦井瓦斯的爆炸

1.3　瓦斯氣體的物理性質(zhì)

1.3.1　甲烷的分子結(jié)構(gòu)

1.3.2　甲烷的一般性質(zhì)

1.3.3　甲烷運(yùn)輸注意事項(xiàng)

1.4　瓦斯氣體的化學(xué)性質(zhì)

1.4.1　甲烷的穩(wěn)定性

1.4.2　甲烷的取代反應(yīng)

1.4.3　甲烷的氧化反應(yīng)

1.4.4　甲烷的裂解

1.5　礦井瓦斯氣體的利用現(xiàn)狀

1.5.1　國外礦井瓦斯利用狀況

1.5.2　國內(nèi)礦井瓦斯利用現(xiàn)狀

1.5.3　礦井瓦斯開發(fā)存在的問題

參考文獻(xiàn)

第2章　瓦斯傳感器的發(fā)展

2.1　載體催化元件的檢測機(jī)理和發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1　載體催化元件的檢測機(jī)理

2.1.2　載體催化元件的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.3　載體催化元件的缺陷

2.2　氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的檢測機(jī)理和發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1　氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的檢測機(jī)理

2.2.2　氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

2.3　紅外光譜法檢測瓦斯傳感器

2.3.1　紅外瓦斯傳感器的原理

2.3.2　紅外瓦斯傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.4　光干涉型瓦斯傳感器

2.4.1　光干涉型瓦斯傳感器的原理

2.4.2　光干涉型瓦斯傳感器的特點(diǎn)

2.5　吸收型光纖瓦斯傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

2.5.1　光纖瓦斯傳感器概念

2.5.2　光纖瓦斯傳感器分類

2.5.3　光纖瓦斯傳感器的應(yīng)用

2.6　模式濾光光纖瓦斯傳感器

2.6.1　模式濾光光纖瓦斯傳感器的原理

2.6.2　模式濾光光纖瓦斯傳感器的研制

2.7　電化學(xué)瓦斯傳感器

2.7.1　直接電化學(xué)瓦斯傳感器

2.7.2　間接電化學(xué)瓦斯傳感器

2.8　其他瓦斯傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

2.8.1　納米氣敏瓦斯傳感器

2.8.2　納米修飾電極瓦斯傳感器

參考文獻(xiàn)

第3章　電化學(xué)檢測瓦斯新技術(shù)

第4章　模式濾光瓦斯傳感器

第5章　微生物瓦斯傳感器的研究

第6章　瓦斯爆炸的化學(xué)熱力學(xué)預(yù)警研究

第7章　穴番類化合物與甲烷的相互作用研究

瓦斯災(zāi)害被稱為煤礦安全生產(chǎn)的“頭號殺手”。各煤礦生產(chǎn)管理單位對煤礦瓦斯監(jiān)測非常重視，并成為煤礦是否可以生產(chǎn)的必要條件．研究和開發(fā)新型傳感器和瓦斯監(jiān)測技術(shù)日益受到廣泛重視。本書主要介紹了煤礦瓦斯的產(chǎn)生．形成等過程和性質(zhì)，重點(diǎn)總結(jié)了編著者在煤礦瓦斯傳感技術(shù)和預(yù)警信息系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)等方面取得的最新成果和進(jìn)展；同時(shí)，在撰寫過程中，還參考了國內(nèi)外在這一學(xué)科領(lǐng)域取得的新成就并進(jìn)行了分析，力求能夠較為全面地反映該領(lǐng)域的新進(jìn)展。本書對于煤礦預(yù)防和治理瓦斯災(zāi)害具有積極和現(xiàn)實(shí)的意義。

本書可供采煤專業(yè)及煤層氣開采專業(yè)方面的生產(chǎn)單位及相關(guān)科研部門．大專院校的研究人員，師生和管理者參考。

煤礦工業(yè)面臨著礦井工作環(huán)境復(fù)雜、瓦斯安全事故頻發(fā)的現(xiàn)狀。目前，瓦斯監(jiān)測技術(shù)還存在預(yù)警能力弱、智能化程度低、準(zhǔn)確度低和系統(tǒng)可靠性低等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著煤礦工業(yè)向安全、綠色和高效方向發(fā)展。針對煤礦工業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，本項(xiàng)目提出研究一種“基于柔性光柵與柔性驅(qū)動(dòng)的全光型煤礦瓦斯紅外吸收光譜檢測”新思想。項(xiàng)目將研發(fā)光驅(qū)動(dòng)柔性光柵變形進(jìn)行光譜掃描檢測、光驅(qū)動(dòng)微泵等新技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)礦井下瓦斯?jié)舛热庑?、遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確探測。該技術(shù)方案中礦井下僅有光學(xué)器件，無電源等電子器件，消除了電路短路、放電等故障對礦井安全的潛在威脅。項(xiàng)目將探明這種新思想的檢測原理和方法、各種影響因素對檢測精度的影響規(guī)律，最終建立一套遠(yuǎn)程、全光型的瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的原型樣機(jī)。該新方法具有檢測精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、成本低等優(yōu)勢，適于大面積應(yīng)用，將為煤礦工業(yè)等危險(xiǎn)行業(yè)提供一種廉價(jià)、先進(jìn)的檢測方法和技術(shù)，具有重要的理論和實(shí)際意義。

針對煤礦開采過程中瓦斯事故頻發(fā)的現(xiàn)狀和煤礦產(chǎn)業(yè)綠色高效發(fā)展的需求，本項(xiàng)目探索研究一種“井下全光型”的瓦斯氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測的新原理和新技術(shù)。項(xiàng)目采用基于石墨烯復(fù)合材料的光驅(qū)動(dòng)柔性光柵，來作為監(jiān)測系統(tǒng)的分光元件，用近紅外光驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料薄膜，利用其變形來調(diào)諧柔性光柵，從而實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度的全光型、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程在線測量。項(xiàng)目提出的采用光驅(qū)動(dòng)柔性光柵作為分光元件的方案，完全避免了氣體監(jiān)測過程中電子電路短路斷路等危險(xiǎn)情況的發(fā)生，極大地提高了監(jiān)測系統(tǒng)的安全性。項(xiàng)目研究了光驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料對近紅外光響應(yīng)的機(jī)理和規(guī)律，開發(fā)了光驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料薄膜的制備工藝，并理論和實(shí)驗(yàn)研究了預(yù)拉伸力大小、石墨烯質(zhì)量百分比等因素對光驅(qū)動(dòng)性能的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)加工了光驅(qū)動(dòng)柔性光柵，并研究了驅(qū)動(dòng)時(shí)間等因素對光柵調(diào)諧性能的影響規(guī)律。設(shè)計(jì)了用于調(diào)諧柔性光柵的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了用于瓦斯氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測的光學(xué)系統(tǒng)、微弱光強(qiáng)信號檢測的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)、納瓦量級光強(qiáng)測量的光電檢測電路、以及控制與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。項(xiàng)目利用所開發(fā)的系統(tǒng)對不同濃度甲烷氣體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試研究，對起始波長進(jìn)行了標(biāo)定，并實(shí)驗(yàn)研究了吸光度與甲烷濃度的關(guān)系。本項(xiàng)目研究的原型測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料薄膜3 s內(nèi)達(dá)到最大形變，柔性光柵柵距變化達(dá)到180 nm，以及0.68 nm的系統(tǒng)光譜分辨率等性能。所研究的系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了全光型、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛葴y量，驗(yàn)證了本基金所提新測量原理和方案的正確性和可行性。項(xiàng)目所研究的測量原理以及建立的原型系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果、經(jīng)驗(yàn)，為將來的實(shí)際應(yīng)用研究打下了良好基礎(chǔ)。本項(xiàng)目的研究為煤礦瓦斯監(jiān)測提供了一種新思路，具有全光型、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、安全、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為將來進(jìn)一步的實(shí)用化和工程化研究提供了理論及實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)，具有較重要的理論和實(shí)際意義。 項(xiàng)目研究過程中發(fā)表了9篇學(xué)術(shù)論文（其中SCI論文7篇），申請了7項(xiàng)發(fā)明專利（其中已授權(quán)專利6項(xiàng)），獲得了完全的知識產(chǎn)權(quán)，并培養(yǎng)了多名博士、碩士研究生。 2100433B

瓦斯爆炸是可以預(yù)防的，瓦斯突出（gas outburst）也是可以預(yù)測的，如經(jīng)常測量巷道空氣中的瓦斯含量，測量瓦斯涌出量，并采取有效通風(fēng)、嚴(yán)禁煙火、預(yù)先抽放、開采保護(hù)層、人工突出等措施，可以保障煤礦生產(chǎn)的安全。重要的是應(yīng)該研究解決煤礦瓦斯的綜合利用問題，變害為利，專門抽放集中瓦斯用作氣體燃料和制造炭黑等。根據(jù)1晝夜內(nèi)每開采l噸煤涌出的平均瓦斯量和瓦斯涌出形式，分為：低瓦斯礦井，10立方米及其以下；高瓦斯礦井，10立方米以上；煤與瓦斯突出礦井，地質(zhì)勘查部門應(yīng)為礦井設(shè)計(jì)和建井提供資料。在采煤之前先開采煤層氣能有效地減少煤礦瓦斯。