西铭矿微色谱气体分析监测系统应用研究

王春明

【摘 要】 传统的束管+色谱分析系统一般采用负压进气，在地面对取样点气体成分进行检测，不能对取样点气体成分和浓度进行快速、连续识别。因此，本文提出采用束管+微色谱气体分析监测系统方式，将气体分析从地面转移至井下取样点附近，并详细对微色谱气体分析监测系统结构、回采工作面束管布置以及采空区束管安装等进行阐述。现场应用结果表明，采用束管+微色谱气体分析监测系统可以较好地反映井下取样点真实气体成分，应用效果明显。

【关键词】 微色谱;煤层自燃;束管监测;气体成分

【中图分类号】 TD75+2 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）05-0016-03

煤矿井下煤炭发生自燃，会在早期氧化阶段生成CO，造成井下CO浓度升高，伴随着煤炭氧化程度加剧，C2H2、C2H4等有害气体也开始产生，浓度逐渐增加。对矿井内这些气体进行快速检测，是确保矿井生产安全的前提。现阶段井下常用束管+色谱分析系统，不能对这些有害气体成分和浓度进行快速、连续识别。

针对上述问题，西铭矿试采用微色谱气体分析监测系统，对井下气体成分进行监测，取得较好应用效果。

1工程概况

49405回采工作面设计走向长度1805m，倾向长度153m开采9号煤层，煤层厚度在2.75m，底板标高+1058m～+1147m，对应地面标高+1270m～+1475m，埋藏深度在240～380m。49405采面与8号煤层（平均煤厚2.88m）采空区间距1.3～4.8m。8、9号煤层为自燃煤层（Ⅱ类）。具体的9号煤层工业成分分析结果如表1所示。从表1可以看到，9号煤层水分较低，灰分及硫含量均中等，属于中硫分及灰分，是一种高变质烟煤，发热量较高。

2微色谱监控系统

2.1系统简述

微色谱监控系统主要设备均布置在井下，通过工业环网将监测结果传输至地面监控中心。系统构成由监测系统、采集系统等两部分组成。其中采集系统支持正压、负压两种气体传输方式。

检测分析部分主要部件安装在矿用隔爆兼本安控制箱内，控制箱布置于井下，由防爆箱与防护箱组成，上部为防爆箱，内部装有微色谱、控制板、通讯板、本安电源、载气进气电磁阀、标气进气电磁阀。下部为防护箱，内部为标气瓶、载气瓶、干燥过滤器、电磁阀组等设备。

具体微色谱气体分析系统如图1所示。

2.2系统优点

微色谱系统主体设备布置于井下，设备组成包括矿用多组份气体分析主站（KQF8-Z）1台，输气泵站（KZS-20X2）1台，矿用防爆网络控制开关（QBZ-30/1140）1台，地面化验室设置工控机1台，工作面敷设5根Φ12芯单管与输气泵站连通，输气泵站由1路Φ8×8芯束管与多组份气体分析主站连通，该系统通过工业环网与地面监控主机连通，实现远程操控功能。具体系统参数如表2所示。

本系统使用中存在以下优点：

（1）对井下监测点实时、高精度在线监测;

（2）监测数据通过工业环网传输至地面监控中心，实现无人值守;

（3）突破色谱仪下井屏障，解决了色谱仪不能实时监测取样点数据的难题，快速（2min）对气体成分进行监测;

（4）解决了以往监测系统传输线路远、耗时长、精度低，仅能负压取样等缺点;

（5）监测范围广，可以同时对八个监测点取样监测;

（6）发现井下气体异常时，可立即启动系统，对异常监测点进行抽样分析。

3应用实施情况

3.1系统布置

西铭矿于2019年7月开始安装使用微色谱气体分析监测系统，由于瓦斯质量轻，易于在回风巷上隅角位置出现集聚，因此，在回风巷内以及回风上隅角处分别布置束管采样点。回风巷内束管采样点安装在距离运输上山35m左右位置处，用采面瓦斯及采空区漏风溢出的气体成分监测，取样点悬挂煤壁之上;由于9号煤层与上覆8号煤层采空区平均距离在2.88m，且49405采面采空区及上覆8号煤层采空区内均有浮煤，容易出现自燃，因此在采空区内布置3个束管监测点，每个测点间距在50m左右，深入到采空区内部约150m，在采面采空区进风巷及回风巷内部各布置3个束管取样点。

具体安装方案如下：微色谱分析仪安装在变电所，旁边安装正压泵站、防爆开关各两台、8路分路箱1个。从8路分路箱敷设1路Φ8×8芯束管沿巷道敷设至距49405工作面轨道巷与南4轨道巷交叉口处，安装一个8路分路箱。在轨道巷风门口安装正压泵站及防爆开关各2台，从8路分路箱分出Φ8×4芯束管至49405工作面轨道巷风门口正压泵站处。从正压泵站处沿49405工作面轨道巷敷设5根Φ12单管分别至49405回风上采样点、回风上隅角、采空区1～3号测点，在测点末端安装粉尘过滤器。

从8路分路箱处敷设Φ8×4芯束管沿南4轨道巷至49405工作面运输巷交叉口，在交叉口安装正压泵站及防爆开关各2台，从8路分路箱分出Φ8×4芯束管至49405工作面运输巷正压泵站处。从正压泵站处沿49405工作面运输巷敷设3根Φ12单管分别至49405工作面采空区1号测点、采空区2号测点、采空区3号测点，如图2所示。

3.2采空区内束管取样点安装

采空区内管布置采用埋管法，埋管材质镀锌钢管（长度150m，直径26.9mm），并在镀锌钢管中穿入3根不同束管（直径为8mm）。束管负责50m、100m、150m位置气样采集。为了避免采空区内部积水对束管造成堵塞，将每個测点提升600mm，并采用束管连接，在测点头部位置使用花管并填充滤尘材料或者加滤尘器，具体如图3所示。

3.3应用效果

由于文章篇幅有限，现仅给出采面上隅角在2019.8.3～2019.8.20期间采用微色谱气体分检测结果，具体如表3所示。从表中可以看出，随着煤炭的不断开采，上隅角处CO2、CH4等气体成分含量有不断增高趋势，而O2含量则有所降低，且在8月21日检测到有CO。根据微色谱系统检测结果，矿井在增加检测频率的同时，采取采空区注氮、注浆，漏风处封堵以及采面喷洒阻燃剂等技术措施，以便确保矿井生产安全。应用效果表明采用微色谱分析系统，可以快速、精准对采面取样点气体成分分析，为矿井后续工作开展提供重要支撑。

4结论

（1）采用井下微色谱分析监测系统，避免了传统的束管取样+色谱分析系统取样距离长，测量结果慢，数据不能共享，仅能使用负压监测造成测量结果偏差大等问题;

（2）微色谱气体分析系统可以对取样点气体成分进行快速、实时、在线监测，监测范围广，可以同时对八个监测点取样监测，监测精度小于0.1ppm。

（3）微色谱气体分析系统同时可以通过四方图、爆炸三角形等功能实现对自燃火灾进行有效的监测预报，将火灾隐患消除在萌芽阶段，为煤矿的生产安全提供科学依据，具有良好应用前景。

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