煤矿瓦斯监测报警器设计文献综述

1煤矿瓦斯监测报警器设计文献综述1前言随着我国经济的发展，能源的需求量大大增加，刺激了煤炭产业的发展。但是由于井下环境恶劣，近年来，我国煤矿瓦斯爆炸事件频繁发生，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，严重威胁着煤矿的安全生产和数百万名矿工的生命安全，给人民生活和国家经济建设带来巨大影响。目前，我国所有煤矿均为瓦斯矿井。瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全生产和煤炭工业发展的重要因素。这从一个侧面告诉人们，在我国，只要控制住瓦斯，就可有效减少煤矿事故。多年来的实践证明，煤矿瓦斯监测监控系统是控制瓦斯事故的重要管理工具，它不仅能够准确地检测甲烷含量,当被测气体中甲烷浓度超过预定数值时,自动发出报警，提醒井下人员立刻离开。使煤矿采取有针对性的防范措施，还可立即切断危险区域内的电源，避免事故发生。近年来，国有重点煤矿瓦斯爆炸事故较少的原因之一，就是绝大多数煤矿的高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安装了瓦斯监测监控系统。2瓦斯爆炸的基本概念和危害2.1瓦斯的爆炸性瓦斯爆炸历来都是煤矿的主要灾害之一，为了防止瓦斯爆炸事故，必须很好地了解瓦斯爆炸的发生、发展规律。煤矿中瓦斯的主要成分是甲烷．瓦斯爆炸即指甲烷爆炸。2.2瓦斯爆炸的基本概念瓦斯爆炸历来都是煤矿的主要灾害之一，为了防止瓦斯爆炸事故，必须很好地了解瓦斯爆炸的发生、发展规律。煤矿中瓦斯的主要成分是甲烷．瓦斯爆炸即指甲烷爆炸。瓦斯爆炸是瓦斯和空气混合后．在一定的条件下遇高温热源发生的剧烈的连锁反应，并伴有高温高压的现象，在瓦斯爆炸过程中，火焰从火源占据的空间不断地传播到爆炸性混合气体所在的整个空间。22.3瓦斯爆炸的危害瓦斯爆炸时，最初着火(爆炸)产生以一定速度运行的火焰锋面，其后面是具有高温的混合气体，同时产生压力的冲击，它们互相叠加．形成压力很高的正向冲击波。当从障碍物(例如从巷道的扩大、缩小处和联络处)返回冲击时，形成与正向冲击波传播方向相反的反向冲击波。在大断面巷道中，还可能形成所谓的斜向冲击波。冲击波与集中在巷道顶板附近的瓦斯相互作用，使瓦斯均匀地分布于巷道的全断面。这样在冲击波后面就形成了愈来愈多具有爆炸性的混合气体，这种情况一直持续到冲击波传遍混合气体存在的全部巷道。爆炸前存在于巷道中的以及冲击波作用后产生的爆炸性混合气体均放火焰锋面引燃。在火焰锋面传播的过程中．留下爆炸的产物。因而，在瓦斯爆炸时，会产生三种危害：火焰锋面、冲击波、矿井空气成分变化。从而造成人员伤亡、巷道和设备被毁坏等恶果，瓦斯的另一个问题是其排放造成了严重的环境影响。3瓦斯监测的内容和目的瓦斯爆炸是在含瓦斯的地层施工中最大的安全隐患。瓦斯爆炸的3个充分条件：(1)瓦斯浓度：瓦斯浓度在5%-16%爆炸，瓦斯浓度低于5%燃烧，大于l6%既不燃也不爆炸。(2)高温火源：温度在650—750℃之间。(3)充足的氧气：氧气浓度大于12%。要达到安全生产的目的，就必须通过瓦斯的检测、通风、设备防爆等综合预防措施，杜绝洞内同时具备瓦斯爆炸的3个充分条件。而对瓦斯的实时监测，控制和防止瓦斯浓度超标，是防止瓦斯爆炸发生的关键。监测的目的：(1)防止在施工过程中，有害气体浓度超限造成灾害，以确保施工安全和施工的正常进行；(2)根据监测的洞内有害气体的浓度大小，及时采取相应的技术措施；(3)检验防排瓦斯技术措施效果，正确指导隧道施工，为科学组织施工提供依据34我国煤矿瓦斯监测系统的现状4.1装备水平良莠不齐目前，在我国很多地区，随着矿井开采强度的加大，瓦斯含量小的浅部煤层越来越少，煤矿生产逐年向深部发展，瓦斯涌出量逐渐增大。近年来，虽然各煤矿按照“先抽后采、监测监控、以风定产”的“十二字方针”，加大了瓦斯监测监控力度，取得了较大成效，但是，我国煤矿众多，不仅开采情况千差万别，安全装备水平也良莠不齐。就瓦斯监测监控系统本身而言，目前也存在着不够完善的地方。我国在瓦斯监测监控系统的应用上起步较晚，上世纪80年代初，才从国外引进了这一系统，而且只应用于部分国有重点煤矿。随着我国科研力量的壮大和制造水平的提高，国内一批科研机构和公司已经成为研究、制造瓦斯监测监控系统的主力军。应当指出的是，目前，与煤矿瓦斯监测监控系统配套使用的其他安全装备，比如温度、压力监测设备及井下运输、通信等设备，都不能满足现有需求，不仅功能落后，而且严重老化，这也影响了瓦斯监测监控系统的正常使用。4.2投入不足虽然在瓦斯监测监控系统的开发、研制方面，我国已积累了20多年的经验，但受诸多因素的影响，瓦斯监测监控系统在推广普及和改进完善方面，与煤矿安全生产工作的要求相比，仍存在着明显差距。一个重要原因是，国家及煤炭企业在瓦斯监测监控系统的改进上投入不足。煤矿瓦斯监测监控系统的发展，离不开煤矿通信网络的支持。近几年，在中国煤炭工业协会和国家煤矿安全监察局的指导下，煤矿通信网络建设取得长足发展，53%的矿区与国家公用信息网实现了联网，网络拥有110万线交换机和10万线生产调度交换机。在未来几年内，煤矿瓦斯监测监控系统将同生产自动控制系统，煤矿矿区井上、井下通信系统，企业管理信息系统结合起来，共同为煤炭企业信息化建设服务。4.3安全技术的基础性研究客观地说，目前，我国煤矿的瓦斯灾害防治技术已处于世界先进水平，但防灾抗灾的安全仪表和装备的技术水平与国外相比差距较大。如：安全仪表零部件的加工水平，大大低于国外先进水平，致使瓦斯监测数据不够精确。4造成这种状况的主要原因是，我国煤矿安全技术基础理论研究严重滞后于煤矿安全的现实需要。为了防止煤矿瓦斯灾害事故发生，煤矿安全科学技术研究主要集中于瓦斯灾害的防治方面，对瓦斯灾害事故的发生和发展机理研究不够，致使防治措施单一。近年来，随着开采工艺的改进，我国出现了新的瓦斯治理技术。随着矿井开采深度的增加，煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出量都将增大，煤与瓦斯突出的危险性也将增大，从而加大了治理难度。高产高效矿井的集中生产和新工艺的推广应用，加大了矿井的治理难度，增大了瓦斯灾害事故发生的几率。矿井瓦斯管理模式亟待完善，要用科学的方法进行管理，建立矿井瓦斯灾害事故数据库、知识库和专家库，对矿井瓦斯灾害进行科学预测，以便掌握矿井瓦斯动态，及时提出抗灾对策。同时，煤矿安全监察是一项技术性很强的工作，煤矿安全监察工作应该建立技术支撑体系，包括完备的煤矿安全标准体系，为监察工作提供技术依据。要想解决目前存在于我国煤矿开采行业的瓦斯监测系统的问题，首先，加强煤矿瓦斯的基础理论研究，摸清瓦斯灾害事故发生的机理、发生演化过程，解决防灾、抗灾和救灾等重大理论问题及重大技术难题，健全和完善煤矿安全标准化体系，改善重大技术与装备研发的实验条件，为煤矿安全形势的全面好转提供技术支持；其次，对煤矿瓦斯灾害防治的关键性技术进行攻关研究，为控制矿井瓦斯事故的发生，提供有效的技术；第三，研究、开发煤矿安全生产的高新技术产品，建立完善的煤矿安全科技创新体系和科技服务体系，加强煤矿安全生产的科技研究，建立瓦斯灾害治理的示范工程。5瓦斯检测流程瓦斯检测的流程如下所示：先由检测器件对瓦斯的浓度进行检测，如果正常则继续施工生产，反之若浓度超限就需要通过一定的处理措施来降低浓度，如果方法行之有效则生产，不能奏效就要继续处理。5图5-1检测流程6瓦斯监测报警系统框架系统由单片机，瓦斯气体检测传感器，A/D转换电路，LED显示电路，报警电路等组成。当检测到空气中瓦斯气体浓度到达危险值时，检测电路向单片机发送信号，单片机经过数据的处理和判断，控制显示电路和报警电路工作，以此来确保井下人员能立即得到警报。图6-1系统框架在瓦斯监测报警器中，用来检测瓦斯浓度是否超限的瓦斯传感器的选择是最基础同时也是最关键的。由于瓦斯得主要成分是甲烷，所以我们选用了气体传感器MQ-4，它对甲烷天然气有很高的灵敏度，响应恢复特性很好，简单的驱动电路，稳定性很可靠且使用寿命很长。MQ-4气敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2AT89S51LED显示蜂鸣器（声光报警）键盘控制瓦斯探测器（MQ—4）电源A/D7109排风检测超限是否有效施工生产处理措施是否是否6个用于提供加热电流。MQ-4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用时，灵敏度的调整是很重要的。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。7总结瓦斯灾害既影响安全又造成环境破坏和能源的浪费，是我国矿业发展中亟待解决的重大问题。因此,瓦斯监测系统有着广阔的发展前景。系统研制单位应开发符合现代化矿井发展要求的产品。需要装备系统的矿井应选择经过煤矿安全标志认证、软件丰富成熟、产品质量过硬、售后服务良好的系统。已装备系统的矿井应保证必要的资金投入,按规定装齐瓦斯传感器,并尽量多装其它类型的传感器,使系统充分发挥保障安全生产的作用。7参考文献[1]张毅坤编著单片微型计算机原理及其应用西安电子科技大学出版社1998.[2]韩磊编著单片及应用技术西安电子科技大学出版社2002[3]何立民主编．单片机应用系统抗干抗技术北京：北京航空航天大学出版社，2000[4]韩磊编著单片及应用技术西安电子科技大学出版社2002[5]曹玲芝编著现代测试技术及虚拟仪器北京航空航天大学出版社2004.2[6]宋文绪杨帆主编传感器与检测技术高等教育出版社[7]沙占友主编集成智能化传感器原理及应用电子工业出版社2004.1[8]徐洁主编检测技术与仪器清华大学出版社[9]何希才主编新型集成电路及应用实例科学出版社[10]杨振江蔡德芳编著新型集成电路实用指南与典型应用西安电子科技大学出版社2000.10[11]曲学基王增福曲敬铠编著稳定电源实用电路选编电子工业出版社2003.10[12]雷霖编著微机自动检测与系统设计电子工业出版社[13]夏路易.电子技术课程设计指导书[M].太原.电子技术课程设计编写组，2004年5月:7一18[14]郭廷荣.光谱吸收式光纤甲烷气体传感器的研究.优秀硕士论文数据库，2001年燕山大学:1一81[15]张红成主编电路与电子技术电子工业出版社[16]徐爱钧主编智能化测量控制仪表原理与设计北京航天航空出版社[17]蒋玉华.高性能遥控瓦斯传感器的研制[J].煤矿安全，1998年第4期:6～9[18]熊廷伟煤矿瓦斯爆炸预警技术研究优秀硕士论文库2005年重庆大学[19]ChanK,ItoH,InabaH.Remotesensingsystemfornear-infrareddifferentialabsorptionofgasusinglow-lossopticalfiberlink[J].ApplOpt,1984:415--419[20]ThompsonEV,CecklerWH.IntroductiontoChemicalEngineering[J].1997:379381