火灾束管监测系统

第一:实现了对井下自燃标志气体的连续、在线分析。

矿井火灾束管监测系统对矿山各重点区域的CO、CO2、CH4、O2浓度通过红外分析仪进行24小时连续循环监测分析，C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等气体的浓度通过气相色谱仪进行采样分析，并将监测结果和采样气体组分存入数据库中，以报表、曲线、爆炸三角形、爆炸趋势四方图等形式在网上实时发布。

第二:系统采用适合煤矿使用的矿井气体在线式红外分析仪为核心的矿山气

体在线监测系统。

1. 红外分析仪的检测器均从德国进口。

2. 为适应宽量程高精度的要求(一氧化碳0-1000ppm;甲烷0-100%)，一氧化碳和甲烷均采用高低量程双检测器(一氧化碳0-50ppm、0-1000ppm;甲烷0-5%、0-100%)，以满足测量范围的高低端要求。

3. 氧气采用高性能的热磁氧分析仪进行测量。

4. 分析仪的校准由电脑控制自动完成标气的进样、切换、测量、计算等整个过程。

5. 整体性能优于西门子的四合一分析仪，西门子的四合一分析仪为单量程，氧气采用电化学传感器，目前的分析仪最高精度为满量程的±1.5%~±2.5%，0-1000ppm量程的一氧化碳误差会达到±15~±25ppm，0-100%量程的甲烷误差会达到±1.5~±2.5%甲烷,无法达到矿井火灾束管监测的要求(国家标准要求0-20ppm一氧化碳误差为±2ppm，0-1%甲烷误差为±0.1%甲烷)。而氧电化学传感器的性能也无法达到矿井火灾束管监测的要求(国家标准要求使用顺磁氧分析仪，电化学传感器在缺氧时会失效损坏)。

第三:系统采用先进可靠的样品采集装置。

1.系统的气体分路及采样、分析部件采用4U的标准化设计，配置灵活，扩充方便，通用的接口，智能化设计，维护简单。

2.独立的管路压力及流量监测，监测每根管路的泄漏情况，便于对井下束管的维护管理。

3. 电磁阀、流量计及压力测量等关键部件均从美国进口。

4.系统的抽气采用德国进口的无油、无水、体积小、便于安装、免维护的干式真空泵，可以通过系统软件控制其开停，停电后可由UPS供电，继续连续工作4小时。

5.系统的抽气真空泵、采样泵，采样、分析、系统校准、管路清洗等工作均可通过电脑控制自动或人工操作完成，并可实现远程自动监测和控制。

6.具有完善的气路阻火设计，系统更加安全。(如没有此设计，则会很危险)

第四:系统具备数据保存、报警并以报表、曲线、爆炸三角形等形式查询外，还具备如下特有功能:

1.系统提供的气体爆炸危险趋势四方图，用于判断混合气体在成分变化的过程中爆炸危险性的趋势，从而为判断其爆炸危险性提供方便的工具。

2.系统提供的Graham's Ration指数也称CO指数(ICO)，分析煤在自燃发火过程中，氧化产生的一氧化碳与氧耗量之比(CO/△O2)，该值与氧化源温度及氧化时间成正比，反映燃料氧化反应状况。

3.系统提供的特里克特比率(琼斯-特里克特比率) Tr，是一种剔除无效气样，避免错误判断的有力工具，增加了系统的可靠性。它主要根据火灾生成气体的浓度之间有一定的相互依存比例来确定的。当比例不正常时，意味着气样受到某种干扰而无效。当气样的Tr超过1.6时，该气样不予考虑。若火灾的主要燃料是煤，Tr大于1的气样就值得怀疑。

4.系统提供远程监控及数据网上实时发布功能。

主要技术性能:

1. 利用在线式红外分析仪对CO、CO2、CH4、O2进行24小时在线式连续监测。同时配备的气相色谱分析仪在发现有异常样本时，再对其详细分析C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等气体的浓度，并将监测结果和采样气体组分存入数据库中，以报表、曲线、爆炸三角形、爆炸趋势四方图等形式在网上实时发布，从而更精确地掌握井下气体的状况。

2.快速自动循环分析，最快1-2分钟分析一路气体。

3.采用原装进口的干式真空泵机组，无油、无水、静音，体积小、便于安装、免维护，可以通过系统软件控制开停。

4.配备3kw的UPS电源，并配电池组，使系统在断电后还能继续运行4小时。(含真空泵机组)

5.具有束管抽气流量显示功能，能够直观地反应每路束管的气体流量，并可方便调节控制。

6.系统配备专门的清洗泵用于束管堵塞时的快速处理。

7.系统的自动运行，包括分析仪的自动校准，用户均可以自行设定校准周期、管路堵塞监测、管路清洗时间、自动循环或单路监测等。

8.系统具备如下数据分析功能:

爆炸三角图、爆炸趋势四方图、特里克特比率Tr、Graham's Ration指数.

9. 每一个气体警报都要有各自独立的可设定的四个警报临界点。

10.系统具有联网功能，支持web发布功能，具备数据上传功能。

主要技术指标:

系统分类:地面监测型

系统容量:≤248路

分析气体: CO、CO2、CH4、O2、C2H4、C2H2、C2H6、H2、N2等

系统精度:≤1.5%

检测范围: 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);

供电电源:220V±10%(含真空泵机组)

后备电源:UPS电源(为含真空泵机组在内的在线系统提供4小时的后备电源)

工作环境:湿度 5-95%(非冷凝)

温度 0℃-40℃(地面)

为确保矿井安全生产，需设一套火灾束管监测系统对井下重点区域的气体成份进行分析、判断、预测，为提前的干预提供准确的数据支持。

该系统广泛适用于大、中、小各类煤矿自然火灾预报和防治工作。对井下重点区域的CO、CO2、CH4、O2等气体浓度通过红外分析仪进行24小时连续循环监测分析，C2H6、C2H4、C2H2、H2、N2等气体的浓度通过气相色谱仪进行采样分析，经过对自燃火灾标志气体的确定和分析，及时预测预报发火点的温度变化，为煤矿自然火灾和矿井瓦斯事故的防治工作提供科学依据。

本系统主要由三部分组成:

1)气体采样子系统:主要完成井下气体的采集和气体样本地面输送的自动控制。包括:井下束管系统、真空泵机组、采样泵、分路控制箱、采样控制箱等。

2)气体分析子系统:主要完成气体样本组分的精确测量。包括:连续在线红外分析仪、气相色谱仪、顺磁氧分析仪及相关配套装置等。

3)数据处理和共享子系统:主要完成测定数据的获取、存储、分析;束管采样控制、管路维护控制等的软件系统;专业化的测量数据辅助分析和数据Web共享所需的软件系统。包括:系统控制工控机、数据库服务器、Web服务器、打印机、工作站、系统软件等。

1、数据分析和预警原理

Graham's Ration指数(ICO指数)

Graham's Ration指数也称CO指数(ICO)，是指煤在自燃发火过程中，氧化产生的一氧化碳与氧耗量之比(CO/△O2)，该值与氧化源温度及氧化时间成正比，能反映燃料氧化反应状况。该值用于预报煤的自燃发火趋势。在以ICO作为自燃发火预报指标时，应根据各矿具体条件确定自燃发火过程中ICO的临界值。因为ICO值受煤质和环境条件影响很大，而是应根据ICO的变化趋势，而非单个ICO值来判断采空区自燃发火的可能或封闭火区的状态变化。

· 其值计算方法:

· ICO= CO/(0.265*(N2+Ar)-O2)= CO/△O2

· 式中:

· CO-风流流经着火带后生成CO浓度，%;

· △O2-风流流经着火带后O2消耗的浓度，%;

· O2-风流流经着火带后O2浓度，%。

· 当煤氧化升温时ICO指标增加较快;在着火燃烧后，增加速率变缓，大多情况下会趋于稳定。

· 以ICO作为自然发火预报指标时，应根据各矿具体条件确定自燃发火过程中ICO的临界值。因为ICO值受煤质和环境条件影响很大。特别应根据ICO的变化趋势，而非单个ICO值来判断采空区自燃发火的可能或封闭火区的状态变化。以抚顺局老虎台矿(气煤)为例，当温度升高，出现微量CO和有煤油味时，ICO临界值为0.0046~0.04;煤油味加重，自热严重时，ICO报警值为0.041~0.09;出现灼热烟雾，处于阴燃状态时，ICO值>0.09。

科瓦德三角形

含有多种单一可燃气体的混合气体发生火灾或爆炸都十分突然，经常出乎人的意料，而且发展迅猛、激烈，灾害本身具有很大的危害性，可致人伤亡，而燃烧或爆炸所产生的有毒有害气体还会使灾区或灾区波及区域中的人员中毒伤亡。酿成重大事故，使企业蒙受难以弥补的损失和危害。所以分析混合气体爆炸性是判断混合气体危险性，进一步采取可靠预防措施,保障安全的一个重要步骤。

科瓦德三角形的做法:

横坐标为可燃气体浓度(%)0~100%，纵坐标为O2浓度(%)0~22%，沿横坐标的(100%，0)和纵坐标的(0，21%)两点做直线，在直线上作出可燃气体爆炸上、下限点，结合鼻点三点通过三点法做出瓦斯爆炸科瓦德三角形。

计算属性可输入的数据:各种可燃气体浓度值，N2、 O2浓度值。

A:可燃气体爆炸下限点，横坐标代表可燃气体浓度下限用LTL表示，纵坐标代表氧气浓度

B:可燃气体爆炸上限点，横坐标代表可燃气体浓度上限用LTU表示，纵坐标代表氧气浓度

C:混合气体失爆点。坐标用(LTN，LTO2)表示

特里克特比率Tr

特里克特比率(琼斯-特里克特比率) Tr;是一种剔除无效气样，避免错误判断的有力工具。它主要根据火灾生成气体的浓度之间有一定的相互依存比例来确定的。当比例不正常时，意味着气样受到某种干扰而无效。当气样的Tr超过1.6时，该气样不予考虑。若火灾的主要燃料是煤，Tr大于1的气样就值得怀疑。

其计算公式为:

美国矿业局爆炸三角形

该方法既考虑了可燃气体的多样性，包括CH4、H2、CO等，也考虑了几种常用的惰气如二氧化碳的混合物。与科瓦德爆炸三角形不同的是这种三角形基本固定，但混合气体组分点坐标值根据各种可燃气体浓度和各种惰性气体浓度按其爆炸或惰化特性加权综合计算，即组分点随混合气体组分变化。通过了解混合气体组分点是否在爆炸三角形内来了解其爆炸性。

用标准的图形与计算的R值进行比较。

气体爆炸危险趋势四方图

该图依据混合气体爆炸三角形的计算，进行变换获得，主要用于判断混合气体在成分变化的过程中爆炸危险性的趋势。计算原理是:将对同一测点不同时间测定获得的多个气样数据，固定气体爆炸三角形的边界，计算混合气体的坐标点距离爆炸危险区域的距离，从而为判断其爆炸危险性提供方便的工具。

四方图的绘制要求有查询条件输入。输入内容为测点的位置和时间

灾区封闭过程中气体的爆炸性分析

2、当前煤矿井下的气体分析主要采用的四种方法及其优缺点:

A、人工测量或取样

由测量人员直接在测定现场测量，或取样后送至地面进行分析。测定地点灵活，但频度低，且只能测定正常气样，危险环境测点无法测量。

B、井下实时监控系统(以重庆煤科院等为代表)

能够实现对选定测点的连续可靠测量，但测量的气体种类和范围、精度均受限制，系统的稳定性有待进一步改善，传感器易受环境影响，维护工作量大，且灾变时期无法使用。

C、第一代矿井火灾束管监测系统:束管系统+色谱分析(以北京华荣科安公司、淄博立伟、北京东西电子等厂家为代表)

当前多数采用束管取样+色谱分析系统。布点方便、测定不受环境影响，测定范围、精度不受限制。但实际运行中存在如下缺点:

1) 气样分析时间过长。从进气到出结果需十几分钟，不能适应连续检测的要求。

2) 气相色谱仪不适宜长期连续运行，为保证可靠性，检测不同含量气体时都要配置不同标准的标气、做模板、调试环境等维护工作。

3) 气样分析有时需人工参与，通常需要专业人员操作。

D、第二代矿井火灾束管监测系统:束管系统+色谱仪分析(以北京华荣科安公司为代表)

1) 以适合煤矿使用的在线式三通道色谱仪为核心的矿山气体在线监测系统。

2) 可测量大多数的混合性气体，包括缺氧区域的测量或灾变时气体分析。

3) 在线式红外分析仪可以在2-3分钟的时间内完成一路气体的分析。

4) 可以24小时连续监测井下的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氧气，免除繁琐的人工操作环节，能够实时在线分析气体的数据。

5) 具有良好的稳定性和可靠性;采用免维护和智能化设计，避免每天要对测量仪器进行校准等繁琐的工作环节。

6) 色谱分析仪可检验出氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氢气、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等多种气体。

7) 色谱分析仪可提供更完整的气体分析数据以完善高质量的气体爆炸图表及比例计算。

8) 色谱分析仪是煤矿气体精确分析的必备仪器，主要用于:

a) 准确获知的人工取样气样;

b) 进一步确定的束管分析气路;

c) 深入调查的可疑分析结果或相关气样;

d) 校准仪器所用的标准气体。

9) 由于色谱分析比较费时费力，通常在系统连续监测发现气体异常状况时再启动，进行核实，并获得完整的气样成分。