鄭 雪

（山東省煤田地質(zhì)局第五勘探隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100）

煤礦中硫化氫是危害人體健康的毒氣，為快速檢測(cè)硫化氫氣體，做出及時(shí)預(yù)防，許多專家學(xué)者針對(duì)此開展相關(guān)研究。曾永達(dá)等人[1]對(duì)硫化氫檢測(cè)方法和原理進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)其中的物理方法以及化學(xué)方法進(jìn)行分析得出最優(yōu)的檢測(cè)方法，并且對(duì)檢測(cè)儀器發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。周田田[2]對(duì)含硫油氣開采問題進(jìn)行研究并在此基礎(chǔ)上對(duì)硫化氫危害進(jìn)行了更為詳細(xì)的分析，并對(duì)其產(chǎn)生原因歸納總結(jié)，提出應(yīng)急管理辦法。劉美等人[3]基于工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的惡劣環(huán)境，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一款新型硫化氫檢測(cè)儀，并測(cè)試該儀器的具體功能效益。

本文以探究硫化氫的檢測(cè)方法為目的，通過測(cè)量原理和試驗(yàn)系統(tǒng)分析對(duì)試驗(yàn)方法和儀器進(jìn)行結(jié)果分析，并進(jìn)行儀器穩(wěn)定性測(cè)試，得出該方法的相對(duì)誤差，研究該硫化氫檢測(cè)方法的推廣價(jià)值。

1 煤礦概況

甕安煤礦為兼并重組保留礦井，礦井于2020年5 月取得貴州省國土資源廳頒發(fā)的采礦許可證，礦井生產(chǎn)規(guī)模為90 萬t/a，開采方式為地下開采，礦區(qū)面積27.508 1 km2，開采深度+1395～+600 m，有效期限2020 年05 月—2032 年05 月。礦區(qū)范圍由30 個(gè)拐點(diǎn)圈定，呈不規(guī)則多邊形。

2 煤礦硫化氫危害及來源

我國是主要煤炭使用國之一，我國煤礦資源豐富，但煤炭過度開發(fā)也導(dǎo)致我國環(huán)境受到危害。硫化氫為氣態(tài)，無色且有毒，在空氣中極易與氧氣接觸產(chǎn)生火災(zāi)，其具有腐蝕性，危害系數(shù)極大。當(dāng)硫化氫濃度較低時(shí)，人體就能感受到呼吸困難；當(dāng)硫化氫濃度超過5×10-5時(shí)，就能使人體頭暈?zāi)垦?；?dāng)硫化氫濃度超過1×10-4時(shí)，可直接對(duì)人體帶來損傷并威脅生命。

硫化氫一般來自工業(yè)產(chǎn)生的廢氣之中，屬于人為因素，另一種是煤礦、石油的開采產(chǎn)生，屬于自然因素，主要源于硫化礦物水解、煤體內(nèi)部以及其他來源。

3 測(cè)量原理和試驗(yàn)系統(tǒng)分析

3.1 Beer-Lambert 定律

本文基于TDLAS 技術(shù)[4]，對(duì)發(fā)生光譜進(jìn)行技術(shù)分析，依據(jù)Beer-Lambert 定律通過對(duì)波長的調(diào)節(jié)，從而對(duì)氣體進(jìn)行定量分析。由于氣體本身組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成決定了氣體的物理特性，這導(dǎo)致特定波長能夠與其實(shí)現(xiàn)共振，從而形成波長范圍，并通過吸收光譜來判斷氣體成分。由于氣體濃度決定氣體微小粒子數(shù)量，且粒子濃度與粒子損失成正比，因此可通過吸收光強(qiáng)度衰弱情況來判斷氣體濃度的變化，其吸收光譜測(cè)量如圖1。

圖1 吸收光譜測(cè)量圖

3.2 調(diào)節(jié)光譜技術(shù)

基于Beer-Lambert 定律的驗(yàn)證，雖然其可以較為準(zhǔn)確表達(dá)氣體濃度和光的強(qiáng)度之間的關(guān)系，但當(dāng)氣體濃度低于一定值時(shí)，依然存在測(cè)量錯(cuò)誤現(xiàn)象的發(fā)生。為解決該問題，可采用波長調(diào)節(jié)光譜的技術(shù)進(jìn)行氣體檢測(cè)，其原理主要是通過激光驅(qū)動(dòng)的形式加載一條高頻率信號(hào)，該信號(hào)具有周期性，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過氣體介質(zhì)后被吸收，進(jìn)而通過放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到相關(guān)諧波信號(hào)，示意圖如圖2。

圖2 調(diào)節(jié)光譜技術(shù)測(cè)量圖

在波長調(diào)節(jié)光譜技術(shù)中，目標(biāo)信號(hào)屬于被調(diào)節(jié)對(duì)象，因此低頻噪聲只有通過放大器，之后被過濾掉，才能提升信噪比。其他條件不變時(shí)，諧波信號(hào)隨氣體濃度升高而升高。當(dāng)準(zhǔn)備工作完成后，便可進(jìn)行硫化氫檢測(cè)過程。

3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

由于硫化氫氣體在不同波段會(huì)有不同的吸收峰，尤其是在1589 nm 波段時(shí)，吸收峰較強(qiáng)，該情況下溫度為25 ℃，壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，不易受到其他氣體影響。試驗(yàn)過程如圖3，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由激光溫控和電流驅(qū)動(dòng)以及激光器、探測(cè)器等儀器組成，最后將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。

圖3 系統(tǒng)過程示意圖

該系統(tǒng)流程主要以激光器為核心板塊，通過控制DFB 激光器運(yùn)行過程，包括電流輸出和溫度，使儀器一直維持在吸收波較強(qiáng)的波段，并以此通過調(diào)節(jié)儀器周期性來驅(qū)動(dòng)激光器工作。經(jīng)過該階段流程后，經(jīng)過探測(cè)器，探測(cè)器將信號(hào)的光屬性轉(zhuǎn)化為電屬性，通過數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算并經(jīng)過MCU 控制顯示器轉(zhuǎn)到計(jì)算機(jī)上。為了進(jìn)一步提升儀器光的吸收概率，本文設(shè)置如圖4 所示的氣室，該氣室可以在數(shù)學(xué)幾何理論下限制氣室光程的增加程度。由圖4 可知，該儀器兩邊具有放射鏡（凹面鏡），由于其具有聚焦的功能，可以有效提升光的吸收能力，提升吸收信號(hào)能力。

圖4 氣室結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)果分析

4.1 標(biāo)定結(jié)果和瞬態(tài)響應(yīng)分析

儀器測(cè)量值隨諧波高度增加而增加，因此測(cè)量前需對(duì)儀器進(jìn)行離線標(biāo)定，其激光的透射信號(hào)表達(dá)式：

式中：I（t）為激光的透射信號(hào)；I0（t）為初始激光的透射信號(hào)；τ、v和a為透射率、掃描信號(hào)平均頻率（cm-1）和調(diào)節(jié)幅度（cm-1）；ω為調(diào)節(jié)頻率（cm-1）。結(jié)合煤礦巷道背景，其甲烷和二氧化碳含量較低，因此在實(shí)際施工中，產(chǎn)生的硫化氫相對(duì)較少，甚至可以忽略不計(jì)。因此在標(biāo)定過程中，結(jié)合氮?dú)獾谋尘跋聦?duì)硫化氫進(jìn)行標(biāo)定?；谑覂?nèi)試驗(yàn)，利用質(zhì)量混合氣體儀器制出質(zhì)量濃度不同的硫化氫氣體進(jìn)行標(biāo)定，本文選用的硫化氫氣體濃度分別為0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、10 mg/L 以及20 mg/L，具體情況如圖5（a）。標(biāo)定完成后通入濃度分別為3 mg/L、8 mg/L 以及16 mg/L 的硫化氫氣體，進(jìn)行誤差分析，具體情況如圖5（b）。

圖5 硫化氫標(biāo)定結(jié)構(gòu)和誤差分析

由圖5（a）可知，基于試驗(yàn)系統(tǒng)檢測(cè)出的硫化氫氣體濃度與實(shí)際硫化氫氣體濃度相差不大，屬于較為穩(wěn)定的直線段內(nèi)，說明儀器標(biāo)定準(zhǔn)確率較高。由圖5（b）可知，當(dāng)通入濃度分別為3 mg/L、8 mg/L 以及16 mg/L 的硫化氫氣體進(jìn)行相對(duì)誤差分析，其中通入硫化氫氣體濃度為16 mg/L 時(shí)檢測(cè)的硫化氫氣體濃度結(jié)果相差最大，而通入硫化氫氣體濃度為8 mg/L 時(shí)檢測(cè)的硫化氫氣體濃度結(jié)果相差最小，相對(duì)誤差無明顯變化規(guī)律，但誤差值基本維持在±2%以內(nèi)。為研究儀器瞬態(tài)響應(yīng)特性，基于初始試驗(yàn)步驟，將質(zhì)量濃度分別為3 mg/L、8 mg/L、15 mg/L 以及20 mg/L 的硫化氫氣體通入600 s，如圖6（a）所示，0～10 min、10～20 min、20～30 min以及30～40 min 分別對(duì)應(yīng)通入3 mg/L、8 mg/L、15 mg/L 以及20 mg/L 的硫化氫氣體，其具體誤差值如圖6（b）。

圖6 瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果和誤差分析

由圖6（b）可知，瞬態(tài)響應(yīng)特性所示誤差示意圖，其誤差范圍維持在±2%以內(nèi)，表明硫化氫檢測(cè)儀器的瞬態(tài)響應(yīng)誤差值較小，且誤差范圍較為穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)可維持在穩(wěn)定的波動(dòng)范圍。

4.2 穩(wěn)定性測(cè)試

儀器的標(biāo)定結(jié)果和瞬態(tài)響應(yīng)確定較為穩(wěn)定后，儀器的整體穩(wěn)定性也是檢測(cè)硫化氫準(zhǔn)確率的重中之重。本文基于實(shí)際工況對(duì)甕安煤礦監(jiān)測(cè)采集井上隅角和采空區(qū)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置氣室基本條件，該氣室的密閉性良好，其溫度維持在25 ℃，并在氣室設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，之后利用流量平臺(tái)分別將上隅角和采空區(qū)的硫化氫氣體通入氣室，并對(duì)該儀器進(jìn)行3 d 的測(cè)試。在此期間，關(guān)閉氣室閥門，觀測(cè)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)變化情況和程度。試驗(yàn)變化結(jié)果如圖7。

圖7 硫化氫穩(wěn)定性結(jié)果分析

由圖7 可知，上隅角和采空區(qū)的硫化氫在3 d的時(shí)間變化中，儀器的測(cè)量結(jié)果波動(dòng)總體較小，且基本維持在穩(wěn)定區(qū)間。其中上隅角和采空區(qū)的硫化氫的測(cè)量值分別為2.2 mg/L 和5.7 mg/L，其測(cè)量值上下波動(dòng)較小，且誤差范圍在0.1～0.2 mg/L，基本處于穩(wěn)定區(qū)間?；趦x器穩(wěn)定性測(cè)試不難發(fā)現(xiàn)，該儀器的測(cè)量結(jié)果較為穩(wěn)定。在氮?dú)鈫为?dú)背景下，測(cè)量結(jié)果誤差范圍維持在±2%以內(nèi)；基于實(shí)際工況，面對(duì)復(fù)雜的氣體環(huán)境，其測(cè)量穩(wěn)定性依然較強(qiáng)，在長時(shí)間的測(cè)量情況下，誤差范圍在0.1～0.2 mg/L，說明該硫化氫檢測(cè)方法值得推廣。

5 結(jié)論

本文主要研究硫化氫的檢測(cè)情況，并以硫化氫本身的危害為研究背景，通過測(cè)量原理和試驗(yàn)系統(tǒng)分析對(duì)硫化氫測(cè)量方法和儀器進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果和瞬態(tài)響應(yīng)分析以及儀器穩(wěn)定性測(cè)試，得出該儀器方法的相對(duì)誤差，得出以下結(jié)論：

1）基于儀器測(cè)量的硫化氫氣體濃度與實(shí)際硫化氫氣體濃度相差不大，并且其相對(duì)誤差值最小，無明顯變化規(guī)律，但誤差值基本維持在±2%以內(nèi)。

2）硫化氫檢測(cè)儀器的瞬態(tài)響應(yīng)誤差值較小，且誤差范圍較為穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)可維持在穩(wěn)定的波動(dòng)范圍，相對(duì)誤差范圍維持在±2%以內(nèi)。

3）基于甕安煤礦監(jiān)測(cè)采集井，3 d 儀器測(cè)量結(jié)果波動(dòng)總體較小，且基本維持在穩(wěn)定區(qū)間，上隅角和采空區(qū)的硫化氫的測(cè)量值分別為2.2 mg/L 和5.7 mg/L，誤差范圍在0.1～0.2 mg/L。硫化氫檢測(cè)方法不受外部環(huán)境變化而影響其檢測(cè)準(zhǔn)確率。