火災束管監測系統

火災束管監測系統是廣泛適用於大、中、小各類煤礦自然火災預報和防治工作。對井下重點區域的CO、CO2、CH4、O2等氣體濃度通過紅外分析儀進行24小時連續循環監測分析

基本介紹

• 中文名：火災束管監測系統
• 目的：確保礦井安全生產
• 方法：對井下的氣體成份進行分析
• 用處：礦井

用途

為確保礦井安全生產，需設一套火災束管監測系統對井下重點區域的氣體成份進行分析、判斷、預測，為提前的干預提供準確的數據支持。

該系統廣泛適用於大、中、小各類煤礦自然火災預報和防治工作。對井下重點區域的CO、CO2、CH4、O2等氣體濃度通過紅外分析儀進行24小時連續循環監測分析，C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度通過氣相色譜儀進行採樣分析，經過對自燃火災標誌氣體的確定和分析，及時預測預報發火點的溫度變化，為煤礦自然火災和礦井瓦斯事故的防治工作提供科學依據。

組成

本系統主要由三部分組成：

1）氣體採樣子系統：主要完成井下氣體的採集和氣體樣本地面輸送的自動控制。包括：井下束管系統、真空泵機組、採樣泵、分路控制箱、採樣控制箱等。

2）氣體分析子系統：主要完成氣體樣本組分的精確測量。包括：連續線上紅外分析儀、氣相色譜儀、順磁氧分析儀及相關配套裝置等。

3）數據處理和共享子系統：主要完成測定數據的獲取、存儲、分析；束管採樣控制、管路維護控制等的軟體系統；專業化的測量數據輔助分析和數據Web共享所需的軟體系統。包括：系統控制工控機、資料庫伺服器、Web伺服器、印表機、工作站、系統軟體等。

火災束管監測系統組成圖

主要功能

第一：實現了對井下自燃標誌氣體的連續、線上分析。

礦井火災束管監測系統對礦山各重點區域的CO、CO2、CH4、O2濃度通過紅外分析儀進行24小時連續循環監測分析，C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度通過氣相色譜儀進行採樣分析，並將監測結果和採樣氣體組分存入資料庫中，以報表、曲線、爆炸三角形、爆炸趨勢四方圖等形式在網上實時發布。

第二：系統採用適合煤礦使用的礦井氣體線上式紅外分析儀為核心的礦山氣

體線上監測系統。

1. 紅外分析儀的檢測器均從德國進口。

2. 為適應寬量程高精度的要求（一氧化碳0-1000ppm；甲烷0-100%），一氧化碳和甲烷均採用高低量程雙檢測器（一氧化碳0-50ppm、0-1000ppm；甲烷0-5%、0-100%），以滿足測量範圍的高低端要求。

3. 氧氣採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. 整體性能優於西門子的四合一分析儀，西門子的四合一分析儀為單量程，氧氣採用電化學感測器，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,無法達到礦井火災束管監測的要求（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）。而氧電化學感測器的性能也無法達到礦井火災束管監測的要求（國家標準要求使用順磁氧分析儀，電化學感測器在缺氧時會失效損壞）。

第三：系統採用先進可靠的樣品採集裝置。

1.系統的氣體分路及採樣、分析部件採用4U的標準化設計，配置靈活，擴充方便，通用的接口，智慧型化設計，維護簡單。

2.獨立的管路壓力及流量監測，監測每根管路的泄漏情況，便於對井下束管的維護管理。

3. 電磁閥、流量計及壓力測量等關鍵部件均從美國進口。

4.系統的抽氣採用德國進口的無油、無水、體積小、便於安裝、免維護的乾式真空泵，可以通過系統軟體控制其開停，停電後可由UPS供電，繼續連續工作4小時。

5.系統的抽氣真空泵、採樣泵，採樣、分析、系統校準、管路清洗等工作均可通過電腦控制自動或人工操作完成，並可實現遠程自動監測和控制。

6.具有完善的氣路阻火設計，系統更加安全。（如沒有此設計，則會很危險）

第四：系統具備數據保存、報警並以報表、曲線、爆炸三角形等形式查詢外，還具備如下特有功能：

1.系統提供的氣體爆炸危險趨勢四方圖，用於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.系統提供的Graham’s Ration指數也稱CO指數（ICO），分析煤在自燃發火過程中，氧化產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，反映燃料氧化反應狀況。

3.系統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，增加了系統的可靠性。它主要根據火災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。若火災的主要燃料是煤，Tr大於1的氣樣就值得懷疑。

4.系統提供遠程監控及數據網上實時發布功能。

技術參數

主要技術性能：

1. 利用線上式紅外分析儀對CO、CO2、CH4、O2進行24小時線上式連續監測。同時配備的氣相色譜分析儀在發現有異常樣本時，再對其詳細分析C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等氣體的濃度，並將監測結果和採樣氣體組分存入資料庫中，以報表、曲線、爆炸三角形、爆炸趨勢四方圖等形式在網上實時發布，從而更精確地掌握井下氣體的狀況。

2.快速自動循環分析，最快1-2分鐘分析一路氣體。

3.採用原裝進口的乾式真空泵機組，無油、無水、靜音，體積小、便於安裝、免維護，可以通過系統軟體控制開停。

4.配備3kw的UPS電源，並配電池組，使系統在斷電後還能繼續運行4小時。（含真空泵機組）

5.具有束管抽氣流量顯示功能，能夠直觀地反應每路束管的氣體流量，並可方便調節控制。

6.系統配備專門的清洗泵用於束管堵塞時的快速處理。

7.系統的自動運行，包括分析儀的自動校準，用戶均可以自行設定校準周期、管路堵塞監測、管路清洗時間、自動循環或單路監測等。

8.系統具備如下數據分析功能：

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

9. 每一個氣體警報都要有各自獨立的可設定的四個警報臨界點。

10.系統具有聯網功能，支持web發布功能，具備數據上傳功能。

主要技術指標：

系統分類：地面監測型

系統容量：≤248路

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

系統精度：≤1.5%

檢測範圍： CO：0～1000ppm（最高解析度0.1ppm）；

CO2：0～30%（最高解析度0.1%）；

CH4：0～100%（最高解析度0.1%）；

O2：0～25%（最高解析度0.1%）；

N2：0～100%（最高解析度0.1%）；

H2：0～1000ppm（最高解析度0.5ppm）；

C2H4：0～500ppm（最高解析度0.5ppm）；

C2H2：0～500ppm（最高解析度0.5ppm）；

C2H6：0～500ppm（最高解析度0.5ppm）；

供電電源：220V±10%（含真空泵機組）

後備電源：UPS電源（為含真空泵機組在內的線上系統提供4小時的後備電源）

工作環境：濕度 5-95%（非冷凝）

溫度 0℃-40℃（地面）

擴充資料

1、數據分析和預警原理

Graham’s Ration指數（ICO指數）

Graham’s Ration指數也稱CO指數（ICO），是指煤在自燃發火過程中，氧化產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狀況。該值用於預報煤的自燃發火趨勢。在以ICO作為自燃發火預報指標時，應根據各礦具體條件確定自燃發火過程中ICO的臨界值。因為ICO值受煤質和環境條件影響很大，而是應根據ICO的變化趨勢，而非單個ICO值來判斷採空區自燃發火的可能或封閉火區的狀態變化。

· 其值計算方法：

· ICO= CO/（0.265*（N2+Ar）-O2）= CO/△O2

· 式中：

· CO—風流流經著火帶後生成CO濃度，%；

· △O2—風流流經著火帶後O2消耗的濃度，%；

· O2—風流流經著火帶後O2濃度，%。

· 當煤氧化升溫時ICO指標增加較快；在著火燃燒後，增加速率變緩，大多情況下會趨於穩定。

· 以ICO作為自然發火預報指標時，應根據各礦具體條件確定自燃發火過程中ICO的臨界值。因為ICO值受煤質和環境條件影響很大。特別應根據ICO的變化趨勢，而非單個ICO值來判斷採空區自燃發火的可能或封閉火區的狀態變化。以撫順局老虎台礦(氣煤)為例，當溫度升高，出現微量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；出現灼熱煙霧，處於陰燃狀態時，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生火災或爆炸都十分突然，經常出乎人的意料，而且發展迅猛、激烈，災害本身具有很大的危害性，可致人傷亡，而燃燒或爆炸所產生的有毒有害氣體還會使災區或災區波及區域中的人員中毒傷亡。釀成重大事故，使企業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，進一步採取可靠預防措施,保障安全的一個重要步驟。

科瓦德三角形的做法：

科瓦德三角形

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據：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。它主要根據火災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。若火災的主要燃料是煤，Tr大於1的氣樣就值得懷疑。

其計算公式為：

特里克特比率Tr

美國礦業局爆炸三角形

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來了解其爆炸性。

用標準的圖形與計算的R值進行比較。

美國礦業局爆炸三角形

氣體爆炸危險趨勢四方圖

該圖依據混合氣體爆炸三角形的計算，進行變換獲得，主要用於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據，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。

四方圖的繪製要求有查詢條件輸入。輸入內容為測點的位置和時間

氣體爆炸危險趨勢四方圖

災區封閉過程中氣體的爆炸性分析

災區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採用的四種方法及其優缺點：

A、人工測量或取樣

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

B、井下實時監控系統（以重慶煤科院等為代表）

能夠實現對選定測點的連續可靠測量，但測量的氣體種類和範圍、精度均受限制，系統的穩定性有待進一步改善，感測器易受環境影響，維護工作量大，且災變時期無法使用。

C、第一代礦井火災束管監測系統：束管系統+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）

當前多數採用束管取樣+色譜分析系統。布點方便、測定不受環境影響，測定範圍、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。從進氣到出結果需十幾分鐘，不能適應連續檢測的要求。

2) 氣相色譜儀不適宜長期連續運行，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、調試環境等維護工作。

3) 氣樣分析有時需人工參與，通常需要專業人員操作。

D、第二代礦井火災束管監測系統：束管系統+色譜儀分析（以北京華榮科安公司為代表）

1) 以適合煤礦使用的線上式三通道色譜儀為核心的礦山氣體線上監測系統。

2) 可測量大多數的混合性氣體，包括缺氧區域的測量或災變時氣體分析。

3) 線上式紅外分析儀可以在2-3分鐘的時間內完成一路氣體的分析。

4) 可以24小時連續監測井下的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氧氣，免除繁瑣的人工操作環節，能夠實時線上分析氣體的數據。

5) 具有良好的穩定性和可靠性；採用免維護和智慧型化設計，避免每天要對測量儀器進行校準等繁瑣的工作環節。

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據以完善高質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，主要用於：

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) 深入調查的可疑分析結果或相關氣樣；

d) 校準儀器所用的標準氣體。

9) 由於色譜分析比較費時費力，通常在系統連續監測發現氣體異常狀況時再啟動，進行核實，並獲得完整的氣樣成分。