光学束管隧道气体监测系统

陈荣鹏 樊静 王超

摘  要：钻爆法开采隧道时，会产生大量的有毒气体[1]，传统的检测方法精度不高，施工中通常选择过度通风，带来了巨大的能源消耗。本系统在现有束管系统上进行改进，将系统进行整合，采用气相色谱检测单元结合智能算法，解决了现有传感器交叉干扰严重的问题，提高检测精度，形成风机的闭环控制系统，实现隧道通风的精确控制。

关键词：隧道施工;束管检测;光学分析

中图分类号：TD752.2       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）35-0045-02

Abstract： When drilling and blasting method mining tunnel， it will produce a lot of toxic gas. The accuracy of traditional detection method is not high， and excessive ventilation is usually chosen in construction， which brings huge energy consumption. The system is improved on the existing beam tube system， the system is integrated， and the gas chromatography detection unit combined with intelligent algorithm is adopted to solve the serious problem of cross interference of existing sensors and improve the detection accuracy. The closed-loop control system of fan is formed to realize the accurate control of tunnel ventilation.

Keywords： tunnel construction; beam tube detection; optical analysis

1 概述

束管检测系统是一种有效的环境参数检测技术，普遍应用在煤矿等工业场景中，该系统能利用色谱分析技术对周围环境的气体成分及浓度进行分析，实现对气体环境的连续监测，并对其浓度的变化进行预测。而在隧道施工通风过程中，隧道内的环境参数的检测是一个非常重要的环节，隧道内的气体环境需要精确监测，以防止隧道开采过程中产生的大量有毒有害气体对工作人员的人身安全造成危害。隧道开采时，需要通过风机进行换气，由于气体检测不准确，对风机控制精度不够，每日电费花销很大，容易造成资源浪费。传统的气体传感器只能检测单点，而且在实际使用过程中，普遍存在检测精度不高，很难依靠监测数据形成风机的闭环控制系统，因此行业急需一种精确有效的新型检测设备。

2 发展现状

就国内外行情，不论是国內还是国外，引进一套设备造价不菲，而且维护费用高，由于单点检测，数据不够准确，耗电量大，使用费用高。束管监测技术一般应用在隧道施工，煤矿气体检测等。束管检测技术发展到现在一共经历了四代。

第四代束管检测系统把抽气系统与气体分析系统全部布置在现场，使得束管的维修工作大大降低，并提高了分析实时性及精确性。同时，第四代束管在实时性有较大突破，但是目前市面现有监测系统无论从系统搭配、监测方式方法以及成本方面仍存在问题。主要表现在：系统维护复杂、气体监测方法不可靠、系统成本高等。色谱仪应用到隧道施工现场操作复杂，长期运行维护工作量大。另外红外气体传感器气体交叉干扰严重，应用效果不理想;电化学传感器易受到水汽等气体的交叉干扰等问题。目前该类束管系统尚未得到良好的推广。

目前国内外第四代束管监测技术不够成熟，依然存在检测精度不够，束管铺设过长的问题。束管现场数据采集是目前国内外发展的趋势，具有精度高，实时性强的特点，对隧道内的环境参数的检测有重要作用。

3 工作流程

该系统主要由监测节点及计算机控制终端组成[2]，其工作流程图如图1所示。在隧道施工现场，按照固定距离安装监测节点，对危险区域的气体环境进行分析，实时监测爆破现场的气体成分及浓度。系统工作时，监测节点将气体的光谱数据通过以太网传送给隧道外的计算机终端，计算机终端通过算法分析气体光谱数据，得出气体的成分及各自的浓度，当隧道内的气体环境符合安全标准时，再安排人员进入现场施工。

4 系统结构

系统的布置方式如图2所示。系统主体为各监测节点，各监测节点在隧道内按需分布安装，每个节点负责实时监测所属区域的气体环境质量。每个节点各自独立运行，由隧道外的计算机终端控制。

监测节点内部结构如图3所示。检测节点主要由气相色谱仪，光源，抽气泵，滤网，供电模块组成。监测节点工作时，通过抽气泵将气体吸入通风管道[3]，光源照射经滤网过滤的气体，再通过气相色谱仪获得气体的光谱数据，并通过以太网实时回传至计算机终端，再通过算法对光谱数据进行分析，得到气体成分及浓度。

5 系统功能及优点

（1）实时监测抗干扰能力强，精确度大大提高。通过现场布置多点采集，通过以太网传输通道实时监测空气环境指数。监测节点能实现自动抽样检测，自动控制，数据处理及输出，数据实时回传至计算机终端。

（2）成本降低，造价便宜。监测节点能根据隧道长短按需安装，配置灵活方便，节点分布简单，易于查找故障点节省人力，降低系统造价和维护成本;分析仪器通过一台光谱分析仪，终端运用智能算法分析检测，减少之前多种空气传感器的使用，束管道路大大缩短，成本降低。

（3）操作简单，易于调控。本系统依托以太网传输，终端分析，通过软件对数据进行储存和处理组织，拥有监测数据共享平台，用户能通过计算机终端在上位机软件上监测实时数据，可更加全面分析隧道内气体环境质量。

6 结论

解决目前第四代束管监测系统中存在的诸多问题，提高整个监测系统的可用性和准确性，为隧道施工现场的环境参数监测和通风工作的高效运转提供技术支撑，从而降低通风成本，缩短通风时间;同时本项目还可以应用于煤矿气体检测，预防井下自燃，瓦斯爆炸等灾害。

参考文献：

[1]贺明新.矿井应急救援现场气体数据采集分析技术[J].煤矿安全，2011，42（09）：27-29.

[2]李建军，李荣升.基于电子信息技术在束管监测监控系统中的优化设计[J].山东煤炭科技，2019（03）：199-201.

[3]白光星，聂百胜，尹京梅，等.矿用束管正压与负压输气研究[J].煤矿安全，2016，47（08）：61-64.