国家能源集团神东煤炭集团乌兰木伦煤矿通风队 陕西省榆林市 719000
摘要:针对乌兰木伦煤矿采煤工作面上隅角使用光学瓦斯检测仪和低浓度瓦斯传感器测定的瓦斯浓度数据差距较大的问题，理论分析各检测仪器的测定原理，通过实验室标气检测、现场瓦斯浓度实测和气样色谱分析等实验手段综合分析，结果显示，乌兰木伦煤矿上隅角瓦斯检定的失真仪为光学瓦斯检测仪，通过现场的瓦斯实测数据分析，工作面上隅角处的气压、温度和N2浓度与光瓦误差值的变化趋势之间没有明显的关系，造成测量误差的主要因素为气体成分中的O2、CO和CO2浓度变化。
关键词:上隅角;光学瓦斯检测仪;低浓度瓦斯传感器;瓦斯浓度;误差分析
1前言
瓦斯事故是造成矿井特重大事故的主要灾害之一。为了预防瓦斯灾害，矿井通过安装瓦斯监测监控系统采集井下瓦斯实时环境数据，分析和挖掘矿井瓦斯实时环境数据中的安全信息，以进行瓦斯风险的实时识别和评价是预防瓦斯灾害的关键。由于井下环境的复杂性，监测系统实际监测到的瓦斯浓度流中必然有一定的异常。因此，如何从海量瓦斯浓度数据实时分析与发现瓦斯浓度异常信息就成为了提高瓦斯风险评价准确率的先决条件。目前，检测异常数据的方法大都以统计和机器学习为主。因此，瓦斯浓度异常数据的检测方法也大多基于机器学习方法，包括神经网络技术和支持向量机也被广泛采用。
2问题的提出
乌兰木伦煤矿一采区工作面开采3－1号煤层，厚度平均3.9m，采用综采放顶煤方式回采，运输顺槽进风，回风顺槽回风的一进一回的通风方式，原煤硫分平均0.6%，为特低～中硫煤，瓦斯等级鉴定结果为瓦斯矿井，煤的自燃倾向性等级为Ⅰ类容易自燃煤层。工作面自回采以来，上隅角瓦斯浓度一直存在使用“光瓦”测量数据和“数瓦”显示数据存在不一致的问题，“光瓦”与“数瓦”测量值差距较大，且“光瓦”测量值普遍大于“数瓦”测量值，给现场管理人员准确掌握瓦斯浓度、正确指导生产带来很大困扰。
3不同检测仪器测定原理及误差因素分析
(1)光学瓦斯检测仪。乌兰木伦煤矿使用的光学瓦斯检定器是鹤壁市新星分析仪器有限责任公司生产的CJG10型光干涉式甲烷测定器。光干涉甲烷测定器由光路、电路、气路三大系统组成，利用光的折射率变化与瓦斯的含量关系来测量瓦斯浓度。影响光学瓦斯检测仪测值出现误差的主要因素可能有O2、CO、N2和CO2的浓度，仪器药品选用的好坏和吸收效能及测量环境的温度和气压的变化。(2)低浓度瓦斯传感器。乌兰木伦煤矿使用的甲烷传感器是天地（常州）自动化股份有限公司生产的KGJ16B型低浓度甲烷传感器。甲烷传感器属于催化燃烧式甲烷传感器，主要由传感器、电源、放大电路、警报电路、显示电路等组成。工作原理是利用甲烷在催化元件表面的无焰燃烧，使载体催化元件的阻值发生变化，造成桥路失衡产生信号输出，利用信号大小与甲烷含量成线性比例的关系测定甲烷含量。影响甲烷传感器测值出现误差的因素有空气中的H2S、SO2等易导致其敏感元件中毒，低浓度甲烷传感器受到大于4%的甲烷气体冲击，传感器中的稳压元件出现故障和测量环境的温度和气压变化。
4测量仪器出现误差的主要影响因素分析
通过对两种测量仪器的原理和出现误差的主要因素分析可知，造成测量数据差值主要有两类因素:一是仪器设备本身的问题，例如光学瓦斯检定器的药品选用的好坏和吸收效能、甲烷传感器的稳压元件;二是测量环境和测量点的气体成分变化，主要包括气压、温度的变化以及CO、CO2、O2、N2、SO2、H2S成分浓度的变化。在光学瓦斯检定器、瓦斯传感器下井使用之前和投入使用过程中，矿方都会保持一周两次的标气校准和设备检查。同时，通过实验室对乌兰木伦煤矿光学瓦斯检定器和瓦斯传感器的针对性检测，基本排除药品选用的好坏和吸收效能、甲烷传感器的稳压元件对测量差值的影响。因此，排除仪器设备本身的问题导致误差。针对第二类差值因素进行研究分析，乌兰木伦煤矿井下没有采用无轨胶轮车、工作面采空区在该项目观测期间没有采用注氮工艺，且在设计上没有布置充电硐室，观测期间顶板垮落正常且井下没有掘进工作面，没有放炮工艺会对工作面造成影响;在现场观测期间，通过鉴定管和便携式检测仪在工作面均未检测到H2S和SO2，所以H2S和SO2的影响也可以排除。工作面上隅角可以检测到CO;工作面设备的运转和当地地面气度和压力的变化均会对井下工作面的温度和气压造成影响。因此，通过对影响因素的可能性进行初步筛选和分析可知，对上隅角瓦斯检定器测量造成误差的可能影响因素主要有气压、温度变化以及气体中的CO、CO2、O2、N2的含量浓度变化。
5仪器测定结果准确性比较分析
仪器测定结果准确性检验主要分为地面实验室的标气检测和井下现场气样的检测。在实验室分别将不同浓度的O2和CH4气体相混合注入实验箱，分析不同成分气体对瓦斯传感器和光学瓦斯检测仪瓦斯测量结果的影响，同时结合现场光瓦和数瓦的瓦斯测量结果与色谱仪测量结果的对比分析，确定各测量仪器结果的准确性。(1)地面实验室的标气检测。将工作面上隅角正常使用的2台KGJ16B型低浓度甲烷传感器(编号109885和108619)及2台CJG10型光干涉甲烷测定器(编号070882和070508)在不同氧气浓度的情况下使用0．5%、1%、2%标气进行检测。(2)井下气样现场检测结果。在工作面上隅角(一号测点)、60#支架后方(二号测点)和回风顺槽距上隅角60m(三号测点)的风流平稳处，分别利用甲烷传感器和光学甲烷测定器测定现场甲烷值，同时抽取气样送地面利用色谱仪进行气样成分分析。(3)仪器检测准确性分析。从表1可知，两台甲烷传感器的测定结果与真实值之间的差值平均值在允许误差范围之内，而光干涉甲烷测定器的测定结果与真实值之间的差值平均值均超出了允许误差。
表 1 ：地面实验室标气检测统计表
6光瓦测定结果影响因素分析
通过仪器检验结果准确性的对比分析可知，乌兰木伦煤矿井下使用的KGJ16B型低浓度甲烷传感器的瓦斯测量结果是准确的，CJG10型光干涉甲烷测定器的瓦斯测量结果存在较大误差。工作面上隅角处的气压值始终平稳在91．0kPa～91．3kPa之间，温度始终处于21℃～24℃之间，变化趋势和光瓦误差值的变化趋势之间均没有明显的关系;O2浓度的变化趋势和光瓦误差值的变化趋势相反;CO浓度的变化趋势和光瓦误差值的变化趋势基本一致，乌兰木伦煤矿上隅角处CO的来源主要为采空区遗煤的不完全氧化生成，而不完全氧化同时会导致O2浓度的降低，CO浓度和光瓦误差值的变化趋势关系与O2浓度和光瓦误差值的变化趋势关系大致相同。工作面上隅角处的CO2浓度变化趋势和光瓦误差值的变化趋势大致相同，乌兰木伦煤矿上隅角处CO2的来源主要为采空区遗煤完全氧化生成的CO2，而氧化过程同时会伴随着O2浓度的降低，CO2浓度和光瓦误差值的变化趋势的关系也印证了O2浓度和光瓦误差值的变化趋势的关系;N2浓度始终处于77%～80%，变化幅度不大，而且变化趋势和光瓦误差值的变化趋势没有明显的相关关系。造成乌兰木伦煤矿工作面上隅角光学瓦斯检测仪测量结果出现误差的主要因素可能为测点处气体成分中的O2、CO和CO2浓度变化，而测点处的气压和温度变化以及测点气体成分中的N2浓度变化对其基本没有影响。
7结语
通过现场的瓦斯实测数据分析，造成乌兰木伦煤矿工作面上隅角光学瓦斯检测仪测量结果出现误差的主要因素为上隅角气体成分中的O2、CO和CO2浓度变化。应在工作面上隅角安设氧气传感器对该区域O2浓度随时监测，在对上隅角瓦斯浓度进行监测时，以受影响较小的瓦斯传感器数据为依据，并辅助其他监测手段加强上隅角瓦斯监测。
参考文献:
［1］高思强，张洪鹏．光瓦和便携仪在矿井瓦斯管理中的应用分析［J］．山东煤炭科技，2009，(4):5－6．
［2］陈希豪．光学瓦斯检测仪的校验［J］．煤炭科学技术，1974，(4):34－41．
［3］李岩，郭寿松．两种瓦斯检测仪器在庞庞塔煤矿上隅角测定数值不一致的原因分析［J］．矿业安全与环保，2014，(1):57－59，62．
论文作者:李玉平
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/9
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