梁運濤，田富超，馮文彬，邵振魯，孟祥寧，陳成鋒

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 沈撫示范區(qū) 113122; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

煤礦氣體是煤礦井下環(huán)境中各種氣體的總稱，主要包括氮氣(N2)、氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、正丁烷(n-C4H10)、異丁烷(i-C4H10)、丙烯(C3H6)、氫氣(H2)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)及一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氨氣(NH3)等[1]。煤礦氣體組分復(fù)雜且具有多面性:1是必需性，2是致災(zāi)性，3是預(yù)警性[2-3]。必需性是指礦井通風(fēng)風(fēng)流對維系井下人員作業(yè)環(huán)境所必須的職業(yè)健康保障功能，例如O2;致災(zāi)性是指礦井災(zāi)害氣體對煤礦安全生產(chǎn)的危害性，例如CH4是瓦斯爆炸過程中的主要災(zāi)害氣體;預(yù)警性是指煤礦特定氣體成分和濃度變化特征與災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展存在一定的對應(yīng)關(guān)系，可以預(yù)測災(zāi)害發(fā)生的概率和危險程度[4-5]，例如CO是煤自然發(fā)火的主要標(biāo)志氣體。

我國煤礦災(zāi)害的種類較多，根據(jù)國家礦山安全監(jiān)察局公布的歷年煤礦災(zāi)害事故數(shù)據(jù)，2000—2020年由煤礦氣體引發(fā)或參與的火災(zāi)、爆炸、突出、窒息等重特大事故起數(shù)達462起，占全國煤礦重特大事故起數(shù)的78.89%。因此，準(zhǔn)確高效分析煤礦氣體成分和濃度，對于早期預(yù)警礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸等災(zāi)害，有效防范次生事故，保障作業(yè)和救援人員的生命安全等具有重大意義[6]。

目前，煤礦氣體檢測主要包括催化燃燒式、熱導(dǎo)式、光干涉式、電化學(xué)式等各類傳感器技術(shù)，色譜分析技術(shù)，傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infra-Red，F(xiàn)TIR)、非分散紅外光譜(Non-Dispersive Infra-Red，NDIR)以及可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)等各類光譜分析技術(shù)。筆者對煤礦井下典型氣體檢測技術(shù)特征、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用效果進行論述，總結(jié)各種檢測技術(shù)的優(yōu)缺點及適用條件，提出煤礦氣體檢測技術(shù)的應(yīng)用建議和發(fā)展方向，為災(zāi)害預(yù)警和事故救援提供科學(xué)依據(jù)。

1 傳感器技術(shù)

1.1 催化燃燒式

催化燃燒式氣體檢測是利用可燃?xì)怏w在涂有催化劑的催化元件表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)的一種傳感技術(shù)。圖1為催化元件結(jié)構(gòu)原理[7]，該元件是以氧化鋁作為載體，外表面涂有鉑等稀有金屬催化層，載體內(nèi)部為鉑絲線圈，通常采用惠斯通電橋檢測電阻變化，通過測量電橋輸出電壓的大小，即可得到可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)[8]。

圖1 催化元件結(jié)構(gòu)[7]Fig.1 Structure of catalytic element[7]

催化燃燒式氣體傳感器主要用于煤礦中0～4%CH4氣體的檢測，具有電路可靠、結(jié)構(gòu)簡單的顯著特點[9-10]。但使用壽命較短、調(diào)校周期需要15 d、貧氧環(huán)境檢測誤差大且易硫化物中毒。CH4體積分?jǐn)?shù)在0～4%時，測量值與CH4體積分?jǐn)?shù)呈良好的線性對應(yīng)關(guān)系;當(dāng)CH4體積分?jǐn)?shù)超過13%時，催化反應(yīng)隨著CH4體積分?jǐn)?shù)上升而逐漸減弱，測量值下降出現(xiàn)同一個輸出電壓信號對應(yīng)2個體積分?jǐn)?shù)值的現(xiàn)象，即二值性問題(圖2)，在應(yīng)用過程中存在高體積分?jǐn)?shù)CH4被誤測偏低的風(fēng)險[11]。此外，當(dāng)環(huán)境中O2體積分?jǐn)?shù)過低時，CH4催化燃燒反應(yīng)不完全，導(dǎo)致傳感器輸出值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際值，不適用于煤礦井下密閉區(qū)、災(zāi)害事故區(qū)域等貧氧環(huán)境CH4檢測;并且，硫中毒會使催化元件失去活性，也不適用于存在SO2，H2S等氣體的含硫煤層、廢棄采空區(qū)等地點的CH4檢測[12]。

圖2 甲烷催化燃燒傳感器的二值性問題[11]Fig.2 Two-value problem of catalytic combustion methane sensor[11]

1.2 熱導(dǎo)式

熱導(dǎo)式氣體檢測是通過對比被測氣體與空氣熱導(dǎo)率的差異而分析氣體體積分?jǐn)?shù)的一種檢測方式。熱導(dǎo)式氣體檢測傳感器通常包括2個氣室(圖3)：一個是充滿干空氣的參比氣室，另一個是充滿被測氣體的測量氣室，每個氣室中都包含一個熱敏電阻，其電阻隨溫度、濕度和氣體成分而變化。當(dāng)2個氣室的溫度和濕度相同時，熱敏電阻的差異將表征氣體體積分?jǐn)?shù)的大小[13]。

圖3 熱導(dǎo)式氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意[13]Fig.3 Schematic diagram of thermal conductivity gas sensor[13]

熱導(dǎo)式氣體傳感器主要用于煤礦中1%～100% CH4氣體的檢測，如抽采管道瓦斯檢測。熱導(dǎo)式氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、檢測范圍廣、無催化劑老化問題，可在貧氧氣體環(huán)境中使用。但由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)都較小，如CH4的導(dǎo)熱系數(shù)為0.029 W/(m·K)，僅是空氣導(dǎo)熱系數(shù)的1.296倍，當(dāng)CH4體積分?jǐn)?shù)低于1%時，傳感器的輸出信號很弱導(dǎo)致測量精度不足[14]。由于煤礦井下CO2，C2H4，C2H2氣體的導(dǎo)熱系數(shù)差異不大，因此對混合氣體則適用性較差。此外，水蒸氣和CO2對測量結(jié)果有較大影響，分別造成正偏差與負(fù)偏差，且絕對值幾乎相等并具有相消作用，因此熱導(dǎo)檢測技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下時首先要通過吸收劑消除水蒸氣和CO2的影響[15]。

1.3 光干涉式

光干涉式氣體檢測是通過對比被測氣體與參比氣體折射率不同而導(dǎo)致的干涉條紋變化特征來分析氣體濃度的一種檢測方式。圖4為光干涉式氣體傳感器檢測原理，當(dāng)測量氣室未通入氣樣，與參比氣室氣體成分相同時，兩束光光程相等，干涉條紋不移動。如測量氣室中氣體的成分、壓力或溫度等條件發(fā)生變化，會使干涉條紋移動，若氣樣化學(xué)成分已知，則可用于定量分析該氣體的體積分?jǐn)?shù)。

圖4 光干涉式氣體傳感器檢測原理[16]Fig.4 Detection principle of optical interference gas sensor[16]

光干涉式檢測器是我國CH4體積分?jǐn)?shù)檢測的標(biāo)準(zhǔn)便攜儀器，適用于煤礦井下全量程CH4體積分?jǐn)?shù)檢測。光干涉式檢測器較催化燃燒式和熱導(dǎo)式傳感器有著更高的測量精度、更長的使用壽命[17]，但易受CO2交叉干擾，溫度、壓力等參數(shù)的差異也會引起折射率的變化，并且在采空區(qū)、密閉區(qū)等貧氧條件下檢測誤差較大。

近年來，梁運濤等[18]采用峰值提取和高斯擬合方法，研究了不同CH4體積分?jǐn)?shù)時的零級條紋位置和干涉條紋位移量，實現(xiàn)了光干涉零級條紋的自動定位和光干涉條紋位移量的精準(zhǔn)識別(圖5);并根據(jù)煤礦井下復(fù)雜的氣體環(huán)境研究了CO2，O2等環(huán)境氣體對CH4測量結(jié)果的影響，理論推導(dǎo)了環(huán)境氣體的測定器顯示值，研發(fā)了便攜式CJG10X型光干涉式數(shù)顯CH4測定器，基本誤差優(yōu)于煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《MT/T 1098—2009煤礦用光干涉式甲烷氣體傳感器》的規(guī)定[19]，如CH4體積分?jǐn)?shù)1.49%時，測量絕對誤差在±0.03%以內(nèi)(圖6)。

圖5 峰值提取和高斯擬合曲線[18]Fig.5 Peak extraction and Gaussian fitting curve[18]

圖6 4種不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷標(biāo)氣測量絕對誤差分析[18]Fig.6 Absolute error analysis of methane standard gas with four different concentrations[18]

1.4 電化學(xué)式

電化學(xué)式氣體檢測是通過測量氣體在電極處發(fā)生氧化或還原反應(yīng)產(chǎn)生的電信號來分析氣體體積分?jǐn)?shù)的一種檢測方式，電信號的強度與氣體體積分?jǐn)?shù)成正比。電化學(xué)傳感器一般采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計，由電極、過濾器、透氣膜、電解液、管腳等組成，結(jié)構(gòu)原理如圖7所示[20]。待測氣樣經(jīng)過濾器和透氣膜擴散到電極-電解液中，對工作電極和對電極施加恒定電壓，電活性物質(zhì)在電場作用下將會吸附在電極表面，進而發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流。

電化學(xué)傳感器最早用于O2體積分?jǐn)?shù)測量。20世紀(jì)80年代中期，能測量多種不同有毒有害氣體體積分?jǐn)?shù)的電化學(xué)傳感器已經(jīng)被開發(fā)，具有良好的敏感性與選擇性。在煤礦氣體檢測領(lǐng)域，電化學(xué)傳感器主要用于煤礦井下O2，CO，H2S，SO2等氣體檢測，功耗低、對目標(biāo)氣體具有一定的靶向性，但測量結(jié)果易受溫度影響，通常采取內(nèi)部溫度補償?shù)姆绞絹肀ＷC測量準(zhǔn)確度;同時電化學(xué)傳感器容易受到其他氣體的干擾，導(dǎo)致讀數(shù)錯誤或誤報警[21]，需要對氣樣進行過濾處理。

2 色譜分析技術(shù)

色譜分析是利用待測氣樣中不同氣體成分在固定相和流動相中擴散系數(shù)的差異性實現(xiàn)氣體分離的檢測技術(shù)[22-23]，根據(jù)色譜圖流出曲線的位置進行定性分析，根據(jù)峰面積或峰高進行定量分析。

20世紀(jì)70年代初，原煤炭科學(xué)研究總院撫順分院率先將色譜分析法應(yīng)用于煤礦氣體分析領(lǐng)域[24-25]，開發(fā)了用于測定常量氣體和微量氣體的煤礦專用型色譜分析裝備系統(tǒng)，配置熱導(dǎo)檢測器、火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器、火焰光度檢測器，可以實現(xiàn)一次進樣對O2，N2，CO，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2等多組分氣體進行定性定量分析。20世紀(jì)80年代以來，我國又相繼研發(fā)了ZS32F型地面色譜束管監(jiān)測系統(tǒng)[26]、JSG8型色譜束管監(jiān)測系統(tǒng)[27]，通過束管系統(tǒng)取氣至地面色譜分析儀自動分析，最低檢測體積分?jǐn)?shù)可達到0.5×10-6。色譜技術(shù)極大提高了我國煤礦氣體分析能力，全面提升了我國煤炭自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報水平[28]。

色譜技術(shù)具有靈敏度高、分離度好、定量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體和礦井環(huán)境氣體定量分析的常用技術(shù)。但現(xiàn)有傳統(tǒng)色譜分析技術(shù)的缺點也很明顯，火焰離子化檢測器反應(yīng)溫度高于150 ℃，轉(zhuǎn)化爐溫度一般為360 ℃，無法直接應(yīng)用到井下爆炸危險環(huán)境;此外，分析周期長、束管管路維護難，儀器操作相對復(fù)雜，氣樣真實性和時效性差，無法適應(yīng)災(zāi)變時期應(yīng)急救援的快速分析。為解決該問題，梁運濤等[29]在國內(nèi)研發(fā)了本質(zhì)安全型氣相色譜儀(圖8)及井下本安型色譜束管監(jiān)測系統(tǒng)，分析時間小于3 min，工業(yè)試驗效果良好。

3 紅外光譜分析技術(shù)

紅外光譜法是基于極性氣體分子獨有的元素種類及空間關(guān)系所對應(yīng)的特定紅外譜段，分析紅外光譜圖的吸收波長位置，通過對比氣體實時光譜吸收強度與紅外譜圖庫的數(shù)據(jù)，進而檢測出待測氣體的方法。根據(jù)實現(xiàn)方式不同，分為色散型、非色散型，主流紅外吸收光譜氣體分析技術(shù)包括FTIR，NDIR和TDLAS等，煤礦氣體紅外吸收光譜分布如圖9所示[30]。

圖9 煤礦氣體紅外吸收光譜分布[30]Fig.9 Infrared absorption spectrogram of coal mine gas[30]

3.1 FTIR分析技術(shù)

FTIR的原理是利用氣體分子對紅外光的選擇性吸收特性，對干涉后的紅外光進行傅里葉變換，從而實現(xiàn)目標(biāo)氣體的分析，屬于分散型紅外吸收光譜技術(shù)，適用于煤礦氣體在線分析，可同時分析CH4，CO，CO2，C2H6，C3H8，i-C4H10，n-C4H10，C2H4，C3H6，C2H2等氣體，其技術(shù)原理如圖10所示。

圖10 FTIR氣體分析技術(shù)原理[31]Fig.10 Principle of FTIR gas analysis technology[31]

國外率先將FTIR技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境的檢測，GRIFFITH等[32]使用開放光程FTIR系統(tǒng)在外場環(huán)境下檢測氣體成分及濃度，MARZEC[33]第1次將這種方法應(yīng)用于煤礦氣體檢測領(lǐng)域，此后，GENG等[34]認(rèn)為，煤中的灰分含量與3 620 cm-1處結(jié)晶水的光譜峰面積密切相關(guān)，洪林等[35]采用管式電阻爐和傅里葉變換紅外光譜儀，分析了神東礦區(qū)煤樣在燃燒過程不同階段的C2H4,C2H2等標(biāo)志氣體的紅外光譜圖。

梁運濤等[36-37]應(yīng)用FTIR方法得到了8種不同變質(zhì)程度的原煤樣及氧化煤樣的氣體產(chǎn)物實時生成規(guī)律，同時利用紅外光譜儀對CO,C2H4和C2H2等礦井典型自然發(fā)火氣體進行了體積分?jǐn)?shù)預(yù)測分析，得到了煤礦井下10種極性氣體用于光譜定量分析的特征吸收峰、對應(yīng)的波數(shù)區(qū)間及相關(guān)性系數(shù)，見表1;同時針對多組分混合烷烴類氣體紅外光譜定性定量分析過程中特征吸收峰譜線交疊的問題，分別找出了CH4,C2H6,C3H8,n-C4H10和i-C4H10等5種礦井烷烴類氣體的特征指紋吸收峰,如圖11所示[38-40]。指紋吸收峰作為氣體紅外光譜輔助定性定量方法，解決了礦井烷烴類氣體在特征頻率區(qū)譜圖交疊嚴(yán)重?zé)o法分離的難題，實現(xiàn)了烷烴類氣體的輔助定性定量分析[41]。

表1 煤礦井下10種極性氣體吸收峰與特征吸收峰[38]Table 1 Absorption peaks and characteristic absorption peaks of 10 polar gases in underground coal mines[38]

湯曉君等[42-44]采用支持向量機(SVM)算法回歸模型，實現(xiàn)了對7種烷烴氣體的定量分析，李玉軍等[45]利用粒子群算法(PSO)與支持向量機(SVM)算法相結(jié)合的方法建立了分析模型，對CH4,C2H6和C3H8三組分氣體主吸收峰區(qū)域的550個紅外光譜數(shù)據(jù)進行了特征變量提取，并基于本底值直接消除的紅外光譜分析方法，采集特定濃度的水蒸氣譜圖作為標(biāo)尺，建立水蒸氣扣除算法得到了水蒸氣對背景功率光譜的影響及優(yōu)化方法。

圖11 煤礦烷烴類氣體紅外光譜特征及指紋區(qū)吸收峰[38]Fig.11 Characteristic fingerprint absorption peaks of alkane gas in coal mine[38]

FTIR技術(shù)光譜范圍寬，可使用多種紅外光源，滿足大多數(shù)氣體分子對于其特定波段紅外光的吸收;分辨率高，在特定范圍內(nèi)分辨率可達到0.100～0.005 cm-1，可檢測多組分混合氣體的復(fù)雜光譜圖;信噪比高，先通過干涉儀產(chǎn)生干涉圖像，再經(jīng)傅里葉變換轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外光譜圖，能量耗損小，增強了探測器的信噪比，可測量微量氣體成分;掃描速度快，完成一次多組分混合氣體分析過程不超過1 min，且不需要定期調(diào)校。但紅外光譜吸收帶較寬，烷烴類氣體圖譜交疊嚴(yán)重。此外，由于該類儀器體積大、對使用環(huán)境要求高，不適用于井下高溫、高濕、高粉塵和復(fù)雜電磁環(huán)境干擾。FTIR目前主要用于煤微觀結(jié)構(gòu)和氧化燃燒特性的實驗研究[46-50]。

3.2 NDIR分析技術(shù)

NDIR利用測量氣體對特定波段光具有選擇性吸收的特點，根據(jù)波長強度的變化計算出被測氣體的濃度值，可檢測多種煤礦氣體，如CH4，CO，CO2等[51-52]。NDIR氣體傳感器分析系統(tǒng)原理如圖12所示[53]。

NDIR氣體分析技術(shù)誕生于19世紀(jì)30年代，首先應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境單一氣體分析領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代后期，隨著紅外光源、探測器技術(shù)的發(fā)展，通過改進調(diào)制裝置、光源以及嵌入式系統(tǒng)，趨于功耗更低、體積更小的方向發(fā)展[54-55]。國外幾種典型的NDIR多組分氣體分析儀性能參數(shù)見表2[56]。

圖12 NDIR氣體傳感器典型分析系統(tǒng)[53]Fig.12 Typical analysis system of NDIR gas sensor[53]

2000年后我國才開始深入研究紅外氣體檢測技術(shù)及裝備，相繼研發(fā)了Gasboard-3000在線紅外煙氣分析儀，可以同時測量SO2，CO，CO2，NO，O2五種氣體濃度。錢偉康等[57]開展了基于NDIR原理的多組分氣體監(jiān)測研究，通過多窗口紅外傳感器組合實現(xiàn)了對大氣中常規(guī)氣體的定量檢測與分析;葉剛等[58]開展了基于NDIR原理的多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計研究;梁運濤等[59]以NDIR氣體窄帶吸收技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了不同溫差下的零點校正吸光度溫度補償方法，得到了溫度補償后的礦用NDIR氣體傳感器氣體濃度計算模型，解決了環(huán)境溫度差異引起的測量誤差(圖13)，并研發(fā)了井下JSG系列紅外光譜束管在線監(jiān)測系統(tǒng)(圖14)，實現(xiàn)了采空區(qū)CH4，CO，CO2，C2H4等9種氣體的在線監(jiān)測，并在全國成功推廣。此外，GJG10H，GJG100H(B)等類型NDIR紅外傳感器也在煤礦井下氣體檢測方面得到了應(yīng)用，提高了CH4檢測精度[60-62]。

圖13 不同溫差下的零點校正吸光度溫度補償[59]Fig.13 Temperature compensation of zero correction absorbance under different temperature difference[59]

NDIR技術(shù)具有精度高、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定、壽命長的特點，但其使用的紅外光源波長位于中紅外波段(2.5～25.0 μm)，CH4氣體會吸收3.31 μm處波長從而引起光強度的減弱，而其他烷烴氣體如C2H6,C3H8也會吸收該區(qū)域的紅外光，導(dǎo)致吸收譜線重疊，容易增大測量誤差。

3.3 TDLAS分析技術(shù)

激光具有窄帶特性，氣體濃度能通過激光的特征吸收譜線來測定。近年來，TDLAS技術(shù)已成為研究熱點，其原理如圖15所示[63]。該技術(shù)使用激光作為光源，一般波長位于近紅外區(qū)(0.78～2.50 μm)，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長隨注入電流變化特性實現(xiàn)氣體分子的單條或數(shù)條近距離吸收線定量分析，可同時檢測多種煤礦氣體，如CH4，CO，CO2，C2H4，C2H2，H2S等。

圖14 JSG系列紅外光譜束管監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用拓?fù)鋱D[53]Fig.14 Application topology diagram of JSG-type infrared spectrum tube bundle system[53]

國外在TDLAS分析技術(shù)研究方面起步較早，KORMANN等[64]采用QCL激光器和TDLAS-WMS技術(shù)，利用CO在4.6 μm附近的吸收峰在36 m超長氣室取得了0.5×10-9的檢測下限;MOESKOPS等[65]利用NO氣體在5.4 μm處的吸收峰，采用WMS技術(shù)和76 m的氣室成功檢測了下限為0.2×10-9的NO;LATHDAVONG等[66]在高溫、高濕環(huán)境下開展了諧波技術(shù)檢測CO濃度的研究。近年來TDLAS技術(shù)逐漸在煤礦氣體檢測領(lǐng)域得到應(yīng)用，潘衛(wèi)東等[67]利用TDLAS技術(shù)，選取1 626.8 nm附近的吸收峰作為檢測譜線，結(jié)合波長調(diào)制和弱信號提取技術(shù)實現(xiàn)了痕量C2H4氣體10×10-6的檢測下限;于慶等[68]、馮文彬等[69-70]研發(fā)了礦用光譜設(shè)備中的多氣體譜線調(diào)制技術(shù)和礦用激光光譜多參數(shù)災(zāi)害氣體分析檢測裝置，具有高精度、高靈敏度、寬量程、低誤差等特點，克服了水蒸氣、粉塵、背景氣體等因素的干擾，并在煤礦井下氣體檢測領(lǐng)域進行了一定的推廣;魏玉賓等[71-72]從混合氣體成分檢測和定量分析兩方面開展了基于光聲光譜技術(shù)的混合氣體實時檢測技術(shù)研究，采用可調(diào)諧CO2激光器作為光源，設(shè)計的混合氣體檢測系統(tǒng)對大氣環(huán)境中NH3,C2H4,SF6氣體的檢出限分別為1.65×10-6，0.6 ×10-6，0.023×10-6。倪家升等[71,73]開展了基于光纖氣體檢測技術(shù)的煤礦自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)研究，利用分布反饋式半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)了對CO體積分?jǐn)?shù)10-6量級的定量分析，并研發(fā)了一種基于光纖傳感技術(shù)的煤礦CH4在線檢測系統(tǒng);王偉峰等[74-75]利用TDLAS技術(shù)設(shè)計了一種煤自燃多組分指標(biāo)氣體激光光譜動態(tài)監(jiān)測裝置，可以實現(xiàn)對煤自燃過程中產(chǎn)生的CH4，CO，CO2，O2，C2H4和C2H2氣體的實時監(jiān)測。姜萌等[76]選用美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)的譜圖庫，針對TDLAS分析技術(shù)1.6 μm波段CO吸收峰被CO2，CH4，C2H2，C2H6，C2H4等烷烴氣體交疊的問題(圖16)，分析了2 330 nm波段CO和CH4吸收峰線寬、調(diào)制系數(shù)的差異(圖17)，提出一種采用二次諧波波谷寬度作為評價因子的方法，實現(xiàn)了CH4氣氛下CO痕量氣體的定量識別。

TDLAS技術(shù)具有檢測下限低、交叉干擾小、定量精度高、標(biāo)校時間長、壽命長、可實時監(jiān)測等優(yōu)點。受研發(fā)和制造成本限制，主要采用1.66 μm波長激光器檢測CH4，同時由于國內(nèi)DFB激光器的制造技術(shù)進展緩慢，在煤礦氣體監(jiān)測領(lǐng)域僅開展了探索性研發(fā)，現(xiàn)有的JSG6N型激光束管監(jiān)測系統(tǒng)[77]、KJ428礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)，初步解決了C2H4，C2H2等痕量氣體分析精度低的問題[78-79]，但交叉干擾問題依然未有效解決。

4 技術(shù)適用性

4.1 工況環(huán)境分析

煤礦井下應(yīng)用工況環(huán)境復(fù)雜，具有大氣壓力波動范圍廣、溫度及相對濕度變化范圍大、粉塵質(zhì)量濃度高、電磁干擾強的特點，見表3[80-82]。同時存在煤巖垮落、機械振動、意外沖擊等其他因素，且不同應(yīng)用地點的環(huán)境條件差異較大，對煤礦氣體檢測技術(shù)的應(yīng)用有著不同程度的影響。

4.2 交叉干擾分析

催化燃燒式氣體檢測易受硫化物影響，不適于在高硫礦井和超過4%以上瓦斯環(huán)境使用;熱導(dǎo)式氣體檢測無選擇性，不適于在4%以下低瓦斯段精準(zhǔn)測量時使用;光干涉式氣體檢測無選擇性，不適于貧氧環(huán)境使用;電化學(xué)式的強氧化性電解液不具備靶向性，氣體檢測存在著大量交叉干擾問題，表4給出了煤礦中常用的不同被測目標(biāo)氣體的交叉干擾特征。FTIR，NDIR氣體檢測受濕度的影響較大，存在烴類氣體吸收峰的交叉干擾;激光的單色特性決定了激光氣體檢測抗交叉干擾能力強，但采用近紅外段激光器檢測CO，C2H4時與CH4吸收峰有交疊現(xiàn)象。

表4 電化學(xué)原理幾種常見氣體間的交叉干擾Table 4 Electrochemical cross interference between several common coal mine gases

4.3 技術(shù)對比分析

目前采用的傳感器、色譜分析、光譜分析技術(shù)在煤礦井下實際應(yīng)用過程中均取得了一定的效果，并制定了NB/T 10162—2019《煤礦用紅外氣體分析儀通用技術(shù)條件》[83]和MT/T 757—2019《煤礦自然發(fā)火束管監(jiān)測系統(tǒng)通用技術(shù)條件》[84]，規(guī)定了煤礦井下常見災(zāi)害氣體檢測相關(guān)的測量范圍、測量誤差等技術(shù)指標(biāo)。但受限于方法本身或現(xiàn)場環(huán)境條件，存在不同程度的局限性。表5對不同氣體檢測技術(shù)從適用氣體、優(yōu)缺點、應(yīng)用領(lǐng)域、代表儀器幾方面進行了對比分析，以便根據(jù)煤礦井下不同工況條件選擇合適的氣體檢測技術(shù)。

5 氣體檢測技術(shù)展望

5.1 單一氣體檢測

對于CH4，建議采用光干涉法、NDIR法、TDLAS法;對于O2，建議采用電化學(xué)法;對于CO，目前煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中以電化學(xué)法為主、TDLAS法為輔，使用電化學(xué)法在對敏感元件選型時，應(yīng)避免烯烴類氣體的干擾;對于C2H4，建議采用電化學(xué)法和TDLAS法，使用電化學(xué)法需考慮CO，C2H2等背景氣的影響，選用近紅外波段激光器時需考慮交叉干擾現(xiàn)象，同時可參考色譜分析結(jié)果;對于C2H2，建議采用TDLAS法，選擇吸收峰1 590.2 nm，避開其他烴類氣體的交叉干擾;對于H2，建議采用電化學(xué)法，需考慮CO，C2H4，C2H2等背景氣的影響，但應(yīng)考慮零點漂移現(xiàn)象;對于CO2，色譜法、光譜分析法均可采用。

表5 不同氣體檢測技術(shù)對比分析Table 5 Contrastive analysis of different gas detection technologies

5.2 多組分氣體監(jiān)測

井上實驗室建議采用傳統(tǒng)色譜分析法，色譜分析法精度高，可實現(xiàn)對CH4，CO，CO2，O2，N2，C2H4，C2H2等煤礦氣體的定量分析，但不能做到實時監(jiān)測，且操作相對復(fù)雜。此外隨著FTIR分析技術(shù)的發(fā)展，有望在煤礦實驗室多組分氣體定量分析領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。

(1)對于煤礦井下氣體的原位日常監(jiān)測，建議采用集成TDLAS、NDIR、電化學(xué)等多種檢測技術(shù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，置于井下近工作面端，實現(xiàn)對CH4，CO，CO2，O2，C2H4，C2H2等煤礦氣體的在線定量分析。此外，隨著本質(zhì)安全型氣相色譜儀的技術(shù)突破，為色譜束管監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(2)對于礦山應(yīng)急救援期間的有毒有害氣體原位監(jiān)測，建議根據(jù)應(yīng)急救災(zāi)實戰(zhàn)方案，選用基于不同檢測技術(shù)研發(fā)的本安型便攜類多參數(shù)氣體分析儀、可移動式智能監(jiān)測系統(tǒng)等，可監(jiān)測氣體種類應(yīng)涵蓋《煤礦安全規(guī)程》第135條要求檢測的有毒有害氣體范圍，并與不同應(yīng)用場景救災(zāi)通訊及調(diào)度系統(tǒng)兼容，實現(xiàn)礦井爆炸環(huán)境氣體的原位分析、爆炸危險性智能識別及報警等，為礦山災(zāi)害救援決策提供科學(xué)依據(jù)。

5.3 展 望

我國煤礦氣體檢測在傳感器技術(shù)、色譜分析技術(shù)、光譜分析技術(shù)等方面取得了長足進步，基本滿足了井下氣體的日常檢測需求，但煤礦自燃火災(zāi)、瓦斯爆炸等復(fù)合災(zāi)害耦合演變過程復(fù)雜，仍缺乏復(fù)合災(zāi)害災(zāi)變感知與動態(tài)預(yù)警的有效技術(shù)手段，亟需在滿足高精度、寬量程條件下，集成TDLAS、時間分辨光譜和離子遷移譜等技術(shù)，重點解決痕量氣體的低檢出限、多組分混合氣體交叉干擾、特定波長激光器及高性能檢測器成本昂貴等“卡脖子”難題，實現(xiàn)煤礦氣體的原位定量分析和動態(tài)監(jiān)測;同時圍繞礦山應(yīng)急救援期間對爆炸環(huán)境信息原位分析的實戰(zhàn)需求，研發(fā)智能化便攜式爆炸環(huán)境有毒有害氣體分析技術(shù)。建立基于多元異構(gòu)信息融合的災(zāi)害預(yù)警模型與判識指標(biāo)，為準(zhǔn)確識別煤礦災(zāi)害事故的發(fā)生發(fā)展?fàn)顟B(tài)、指導(dǎo)應(yīng)急救援工作提供基礎(chǔ)支撐。