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江苏大学硕士学位论文 独创性声明
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江苏大学硕士学位论文 第一章绪论
煤矿中含有大量的甲烷(CH4)等易燃易爆气体，发生事故后会造成巨大的经济 损失，危及矿T的生命。随着煤矿开采技术手段的不断改进和开采规模的扩大及 开采深度的小断延伸，安全隐患越来越多。瓦斯事故特别是重、特大瓦斯事故在 煤矿事故中所占的比例也越来越高。如果不把瓦斯事故控制住，就不能实现煤矿 安全生产状况的稳定，也就无法保障煤炭工业的持续健康发展。所以，对煤矿井 下瓦斯气体进行快速准确的监测显得尤其晕要，对易燃易爆混合气体监测系统的 研究和开发也成为人们一直关注的问题。 1．1煤矿气体监测系统概述
煤矿气体监测系统是能够监测矿井环境中瓦斯气体的浓度，具有报警功能并
能实现数据远传垒地面监控室PC的系统。本课题中完整的煤矿气体监测系统由以 下五个部分组成：
1) 气体传感器：能感知环境中甲烷气体及其浓度的一种敏感元件，它能将 与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号
2) 显示单元：根据测量信号，由单片机将待显示数据按相应方式进行数据 传输给显示处理模块显示于仪表
3) 声光报警单元：当监测气体浓度超出设定报警值时，发出声光报警： 4) 通讯单元：将采集数据通过RS-485通讯方式进行数据通信
5) 数据采集分析软件；运用vc++编写串口通讯软件，实现气体数据的采集、 分析及保存
煤矿气体监测系统其他的技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、使用 寿命与可靠性等。
气体传感器是煤矿气体监测系统的重要组成部分，就其原理可以分为四大类： 光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器及电学类气 体传感器。利用气体的光学特性来监测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传 感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、
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化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器 是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括：定电位电解式、伽伐尼 电池式、同体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高 分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式、声表面波式、石英振子式等。利用 材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气 体传感器。这类气体传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中非电阻式气 体传感器是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器“1，主 要包括MOS--极管式、结型二极管式和场效应管式，而电阻式气体传感器则通常 主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等等。
世界上发达国家用于煤矿井下易燃易爆气体监测的方式主要有光干涉式、载 体催化燃烧式两种。光T涉式气体监测仪表是利用了光的干涉原理实现对已知待 监测气体浓度的测量。比较典型的产品有矿用光干涉型CH4气体监测仪，它是利 用不同种类、不同浓度的气体对光的折射率不同这一性质，针对CH4气体设计适 当的光路系统，把CH4气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变化。具体地 说，就是采用一个光源，经过适当的光学设计，使其分解为两列光波，一路通过 标准空气窜，另一路穿过采样气室后在某处相遇，此时由于满足光的相干条件， 从而产生丁涉条纹。把两气窜都充有空气时的干涉条纹作为初始位置，当CH4气 体充入采样窜后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一段距离， 并且这个距离将随CH4气体浓度的不同而产生相应的变化。因此只要测量该位移 量，就可以获得CH4在空气中的含量。该测量仪测量范围大，使用寿命长，但仪 器设备大，价格高，测量不直观，而且无法与监控系统连接，因此在煤矿中的使 用量逐年减少。在这二种气体监测仪表中，载体催化燃烧方式监测可燃气浓度的 方法冈其线性和稳定性较好，以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能 统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度，且量程符合工业要求，故被较多 的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。该监测方式使用催化载体型气体传感器 作浓度的榆知器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体(如Al。0。)后再涂覆催化活性 物(Rh，Pd等)构成。当Pt丝中通以工作电流使之达到临界反应温度(320--350。C) 时，可燃气在元件表面催化燃烧使Pt丝电阻增加”1，在完全燃烧且热辐射可忽略 时，电阻增量△R．与可燃气浓度C成正比，即有
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ARe=tt*a*C+Q／C,--k,c，(缸=口’a‘Q／CP) (1．1)
口．a，Q，c。分别为Pt电阻温度系数、催化剂性能常数、可燃气燃烧热、元件热 容，故k，是仅与元件及可燃气种类有关的常数。将△R，转换成电信号，通过这一 阻值变化，转换为电压变化，从而通过A／D转换可得到被测气体的浓度值。 1．2煤矿气体监测系统的国内外发展状况
伴随气体传感器的发展，气体监测仪器不断更新。其类型根据监测对象可分 为可燃性气体监测仪、毒性气体监测仪和氧气监测仪等；从仪器结构和方法上分 为袖珍式、便携式和同定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境 中的丁作人员随身携带：便携式仪器用象吸式采样，用于监测人员定期安检：固 定式仪器用于煤矿升下同定地点气体监测。
世界再国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的DAN6400、法国的TF200、 德国的MINOS和英国的Senturion一200等，其中全矿井综合监测控制系统有代表 性的产品有美国MS^公司生产的系统，德国BEBRO公司的PROldOS系统。但是这 两种系统只足基于井下监测，并无数据上传，不能实现智能化监控。
我国监测监控技术麻用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国 等引进了一批安全监测系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收 并结合我国煤矿的实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤 矿科学研究所研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJIO、KJl3、KJl9、KJ38、KJ66、KJ75、 KJ80、KJ92、KJ95、KJl01等煤矿有害气体监测系统，在我国煤矿已有大量使用， 但其中很大一部分仪表的传输数据是模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受 矿弗下强电磁设备T扰，造成监测结果不准确，易出现误报警等现象。 1．3本课题的研究意义
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能
源的国家之一。虽然通过煤炭生产、加‘T和利用等各个环节，提供了相当多的就 业机会，但每个环节却同时带来了环境污染、安全等一系列的问题。其中之一便 是有害气体影响，包括CH4，CO，SO。等。后两种气体含量少，RSOz易溶于水，经煤