束管监测设计方案[1]

JSG-7型煤矿自然发火束管监测系统

设计方案

邹城市南煤科技有限公司

2011年3月

煤矿自然发火束管监测系统设计一．束管监测系统及选型参考

上世纪后期国外开始使用束管监测的方法以预报煤层自然发火。八十年代我国引进了这种方法和技术，由当时的抚顺煤研所研制了这种设备，并在兖矿的兴隆庄煤矿和南屯煤矿首先使用。

当时的束管监测系统使用的气体分析设备是由佛山分析仪器厂生产的红外线气体分析仪和磁导式氧气分析仪，分析的指标气体是一氧化碳，二氧化碳，甲烷和氧气。使用过程中发现稳定性差，特别是分析微量气体的红外线一氧化碳分析仪不但不稳定，而且受到甲烷和二氧化碳气体的影响（气体交叉干扰）使分析数据不准确。分析氧气的磁导式氧气分析仪对气体流量的稳定性要求高，而束管系统管路的长短不一样，管路的阻力不同使气体的流量不同，导致磁导式氧气分析仪分析的数据误差较大。这些原因的存在使当时的束管监测系统的使用效果不好。这种分析模式也可称为第一代束管监测系统。

后来国家专门安排资金研究束管监测系统的气体分析设备，由当时的抚顺煤研所和北京分析仪器厂共同研制，并列为国家八五科技攻关项目。研究的结果生产出了以气相色谱仪为分析设备的束管监测系统。这种分析设备可对煤层自然发火的指标气体进行全分析，包括乙烯，乙烷，乙炔和丙烷等。该装置在全国逐步推广。又有其他厂家研究了用从美国引进的SP3430气相色谱仪作为气体分析设备的束管监测系统。现在国内生产束管监测系统的十个生产厂

家中有七个是这种模式。这也可称为第二代束管监测系统。

气相色谱仪是利用某些材料对不同气体的吸附和解吸特性，即分离的原理制成的气体分析设备。配置不同原理的检测器，可分析煤矿自然发火的所有指标气体，而且分析精度高（对C2H4，C2H6，C2H2，C3H8的最小检测浓度可达到0.1ppm）。

气相色谱仪的缺点是设备操作复杂，对操作人员的素质要求高；设备准备时间长，从开机到可以工作要2小时左右；每天开机都要作标准气体的组分表以保证其分析的准确性；分析速度慢，作一个气样的全分析要9-12分钟左右；气相色谱仪工作参数（温度，气体压力，流量，色谱柱状态等）发生微小变化都使结果产生误差，需要经常进行校正；井下测点不同，气体浓度变化范围很大，高浓度的气体使色谱仪产生严重拖尾。由于普通气相色谱仪不适合在线检测，由气相色谱仪组成的束管监测系统并不是真正意义上的“监测系统”。

用气相色谱仪的氢焰检测器专门检测C2H4，C2H6，C2H2等碳氢化合物，是一种成熟的技术。如用GDX-502和PAROPAK两种柱材料充填的色谱柱有着良好的分离度和较高的柱效率及长期的稳定性。这种结构的气相色谱仪没有甲烷化炉等高温部件；不用微量（CO）和常量（CH4，CO2）分析混在一起的氢焰检测器；也没有对温度稳定性要求很高的热导池检测器，设备相当稳定可靠，气相色谱仪开机后能很快的进入工作状态，作一次校正因子可以使用较长时间，并可长期连续运行，能满足在线分析的要求。

德国进口的不分光原理的红外线分析仪可以同时分析CO,CO2,CH4和O2四种气体，红外线气体分析仪分析气体准确、快速，在通气之后，１～２分钟即可得出结果。对其分析结果我们做过试验，多次用比色管和光学检测仪结果对比，证明红外线分析仪分析数值准确无误。红外线气体分析仪操作简单，每次开机后自动通入空气校正，不需要人工干预，不需要设置，自动出结果。即使无此经验操作员经过２天培训后，可以完全掌握整套束管监测设备操作技术。红外线气体分析仪性能稳定，基本上可以做到免维护，我公司自２００５年将第一台进口红外线应用于束管监测系统至现在，红外线气体分析仪还未出现系统出现任何质量问题。

由以上两种设备结合而成的束管监测系统具有分析指标气体全，分析速度快，可长期连续运行的优点，是一种目前最完善的束管系统，也可称之为第三代束管监测系统。

束管监测系统气体分析设备性能对比

（１）气相色谱仪气体分析模式

优点：分析气体种类多，精度高，成本适中

缺点：分析速度慢(12-24分钟/样)；故障率高，不易维护；操作复杂，不易掌握，对人员素质要求很高；不适合连续运行，需要频繁变换灵敏度以改变量程，微量和常量分析不兼顾。

（２）红外线和气相色谱仪结合分析模式

优点：分析气体种类多；精度高，速度快(3分钟/样)；免维护，易操作，设备自动校正，不需人工干预。结合红外快速分析和色谱仪微量精确特点，真正意义上的在线束管监测系统。

缺点：成本略高。

二．JSG-7束管监测系统的特点

本系统结合了色谱监测的高灵敏度，红外线监测的快速连续两种监测手段的特点。

1. 运行稳定，可靠性强, 系统的设备，配件均选用经过考察的进口或国内优质产品。

（1）德国西门子原装进口红外线气体分析仪

（2）美国嘉仕达进口无油真空抽气泵站.我公司长期采用进口无油真空泵组合泵站，产品均已通过ISO14001 、CE、及RoHS认证，客户反应效果良好。兖矿集团兴隆庄煤矿束管监测系统由SG-2003改造为我公司生产的JSG-7型后，在每天２４小时连续运行的情况下，抽气泵站（４台抽气泵，２台备用）在１年之内，无一台发生故障，现在已经连续使用３年，仅有一台因漏气返厂维修。

（3）美国MAC二位三通电磁阀组

（4）美国嘉仕达真空抽气膜片泵

2. 操作简便。整个系统在微机控制下运行，显示器和控制柜均能动态的反映出当前束管检测的工作状态，操作人员可以方便的设置各种参数来满足不同的监测需要。

3. 自动化程度高。操作人员设置好参数，启动束管检测后，系统进入自动状态，连续不断地进行采样、分析、输出结果，直到完成设定的次数或人工干预为止。对于人工采样，设有专门的进样口，方便采样方式的变化。

三．JSG-7束管监测系统的功能

1. 工业计算机自动控制，24 小时在线检测，实现无人值守；

2. 自动设置参数，每次进入系统均按上一次修改的最新参数设置；

3. 可建立气样数据库，通过系统自动求出或输入的组份表，可按用户要求形成文件，组份名称可输入汉字；

4. 自动输出每路束管气体的分析结果。在微机控制下，每一路数据分析完成后，可根据要求自动将结果输出到打印机；

5. 独特的数据库分析功能。在束管检测下，系统自动将分析数据存入数据库，并可用数据库分析某一采样点的气体含量在一段时间内的变化趋势，可用图形方式表现，非常直观；

6. 具有气体含量超限自动报警功能；

7. 系统具有联网功能，可以接入工业网，便于领导和调度人员对井下气体的变化情况进行直接监测。

四．JSG-7束管监测系统的参数

1. 控制束管检测路数

8路至 32路(可扩充)

2. 运行时间

24小时连续循环检测或人工设定。

3. 每路气样的分析时间＜3分钟（或＜7分钟，随配置而定）。

4. 分析气体成份

C0、C02、CH4、O2、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8、O2、N2.

5. 分析精度

C2H4、C2H6、C2H2.最小检知浓度：0.1×10-6（0.1 ppm）

CO最小检知浓度：1×10-6（1 ppm）

五．JSG-7束管监测系统的运行环境

控制系统安装在地面气体分析室,气体分析室应符合以下要求:

(1)电源220V±5％，单相50HZ交流电

(2)总功率≤5Kw

(3)接地线接地电阻≤3Ω

(4)温度：10－35℃

(5)相对湿度：≤85％

六．JSG-7束管监测系统的组成

JSG-7型煤矿自然发火束管监测系统由红外线气体分析仪，气相色谱仪，采样控制柜，抽气泵和管路等设备材料组成。

七．地面设备的安装和井下束管的敷设

（一）、地面机房平面布置

1、地面监测室约20平方米,条件允许的话，可以再设值班室一间。

2、地面设备安装布置见以下平面图。

3、室内设备安装、摆放的质量要求如下∶

1)配备空调,无煤尘, 干净整洁;

2)摆放仪器的桌面要平整,无震动;

3)电源不要同大功率的电器设备同接,无干扰;

4)仪器要按所要求的位置摆放, 摆放要整齐,连接线要整齐规范;

5) 检测完后仪器要用防尘罩盖住,要保持仪器整洁无灰尘。

4、电源配置∶

需设单相电为主系统供电220∨。总功率不小于5KVA。接地线单独接地,接地电阻≤3Ω。

(二)、井下管路部分安装

1、束管的敷设∶

(1)、主管路规格尺寸16芯米(根据煤矿实际情况而定)。

(2)、主管路从监控室开始铺设，沿主斜井向井下，一直铺设到主斜井底，从井下大巷一直到第一节点处，放置一个16路分线箱，内置滤水器。

(3)、从16路分线箱分出单管分别向各个工作面，采空区铺设，在距离管路末端0.5M处安装滤尘器。

(4)、井筒束管安装的质量标准，严格把好质量关达到如下的要求∶

①安装要牢固可靠无损伤;②无严重挤压;③无划伤;④无堵塞;⑤无折弯。

2、分路箱的安装∶

分路箱的安装要选择在顶板好、安全、不影响通行的位置，用膨胀螺丝将其固定在平整的井壁上。分路箱内单管分别接上滤水器，要注意滤水器所指箭头的方向。

3、滤尘器的安装∶

（1）滤尘器应悬挂安装在采煤面回风上隅角、采空区等处.

（2）安装高度、位置由各煤矿根据实际情况自定。

（3）滤尘器应定期清理内部的灰尘，以防堵塞。

八．客户服务

（一）质量保证

1. 系统有煤安标志证和产品检验合格证.

2. 系统质量保证期为1年(从系统调试移交使用开始算起).

3. 质量保证期内,系统由于质量原因不能运行,厂家应在接到通知后,视距离远近(省内24小时内到达),在最短时间内派人到现场免费解决.

4. 厂家负责对系统提供终身技术服务和系统软件的免费升级。

5. 厂家负责系统的安装及调试工作，煤矿给予厂家积极配合。

6. 井筒内的管路由煤矿负责安装，井下管路厂家配合安装。

(二)技术培训

根据用户要求,厂家负责对用户操作人员在现场或厂家进行技术培训.培训主要内容:

1. 系统组成，结构特征及工作原理。

2. 主要设备结构特征及性能。

3. 系统操作与维护方法。

4. 常见故障分析与处理方法。

5. 系统软件原理及使用方法。

(三)系统应带的配件

1. JSG-7煤矿自然发火束管监测系统合格证使用说明书.

2. 红外线气体分析仪使用说明书.

3. 气相色谱仪随机配件及使用说明书.

4. 工控机、打印机及板卡的驱动程序.

附录： JSG-7型束管监测系统的创新

JSG-7煤矿自然发火束管监测系统是把红外线气体分析仪和气相

色谱仪两种分析设备的优点结合起来同步运行的新型设备，它首创了：

1.红外线气体分析仪和气相色谱仪在束管监测系统中同步运行

的模式。

1)红外线气体分析仪的现状

红外线气体分析仪是依据红外吸收的原理，尽管使用的是同一种原理，但分析仪器的质量有很大差别。质量好坏的主要差别是抗交叉干扰能力和稳定性。这方面国产仪器和进口仪器有一定差距。目前德国在红外线气体分析仪生产领域占有优势。

2）西门子红外线气体分析仪选型依据。

U23红外线气体分析仪可以同时分析4个组分的气体,准确度高,重复性好,稳定性,可靠性指标好并节省空间。

3）U23的原理。

ⅰ分光红外线气体分析仪原理（见下图）

红外线气体分析仪，是利用红外线进行气体分析。它基于待分析组分的浓度不同，吸收的辐射能不同．剩下的辐射能使得检测器里的

温度升高不同，动片薄膜两边所受的压力不同，从而产生一个电容检测器的电信号。这样，就可间接测量出待分析组分的浓度。

ⅱ比尔定律

红外线气体分析仪是根据比尔定律制成的。假定被测气体为一个无限薄的面．强度为k的红外线垂直穿透它，则能量衰减的量为：dI= 一Ⅱ·k 一kd，积分得： I=k 一kd (比尔定律)

式中：I一被介质吸收的辐射强度；

1o一红外线通过介质前的辐射强度；

k一待分析组分对辐射波段的吸收系数；

c 一待分析组分的气体浓度；

1一气室长度(赦测气体层的厚度)

对于一台制造好了的红外线气体分析仪，其测量组分已定，即待分析组分对辐射波段的吸收系数k一定；红外光源已定，即红外线通过介质前的辐射强度ID一定；气室长度l一定。从比尔定律可以看出：通过测量辐射能量的衰减I，就可确定待分析组分的浓度C了。

ⅲ分析检测原理

红外线气体分析仪由两个独立的光源分别产生两束红外线该射线束分别经过调制器，成为5Hz的射线。根据实际需要，射线可通过一滤光镜减少背景气体中其它吸收红外线的气体组分的干扰。红外线通过两个气室，一个是充以不断流过的被测气体的测量室，另一个是充以无吸收性质的背景气体的参比室。工作时，当测量室内被测气体浓度变化时，吸收的红外线光量发生相应的变化，而基准光束(参比

室光束)的光量不发生变化。从二室出来的光量差通过检测器，使检测器产生压力差，并变成电容检测器的电信号。此信号经信号调节电路放大处理后，送往显示器以及总控的CRT显示。该输出信号的大小与被渊组分浓度成比例。我们所用的检测器是薄膜微音器，原理结构图如图Ⅲ所示。接收室内充以样气中的待渊组分，两个接收室中间用一个薄的金属膜隔开，在两测压力不同时膜片可以变形产生位移，膜片的一侧放一个固定的圆盘型电极。可动膜片与固定电极构成了一个电容变进器的两极。整个结构保持严格的密封，两接收气室内的气体为动片薄膜隔开，但在结构上安置一个大小为百分之几毫米的小孔，以使两边的气体静态平衡。辐射光束通过参比室、测量室后，进入检测器的接收室。被接收室里的气体吸收，气体温度升高，气体分子的热运动加强，产生的热膨胀形成的压力增大。当测量室内通入零点气(N2)时，来自两气室的光能平衡，两边的压力相等，动片薄膜维持在平衡位置，检测器输出为零。当测量室内通入样气时，测量边进入接收室的光能低于参比边的，使测量边的压力减小，于是薄膜发生位移，故改变了两极板问的距离，也改变了电容量C。于是输出一个与待测组分浓度成比例的电信号。

U23红外线气体分析仪的气室带有3层检测器，每一层检测器都被设计成可分析特定气体的长度，所以可分析3种气体。结构紧凑，技术含量高，很适合煤矿多种组分气体的分析。

4) U23红外线气体分析仪的主要指标:

红外线气体分析仪量程:

CO：（ 0-100-1000）×10-6;

C02：（0-5-25 ）%;

CH4：（0-5-25）%；

O2：（0-5-25） %.

误差:≤1.5%FS

重复性:1%FS

零点漂移:1.5%FS/6M

量程漂移:1.5%FS/6M

响应时间:T90=60S 信号输出:4-20Ma RS232/485。

2.气相色谱仪气路反吹系统

气相色谱仪要在2-3分钟时间内完成乙烯，乙烷和乙炔的分析，以使其和红外线气体分析仪同步，就要设计反吹气路，把在较长时间才能出峰的丙烷反吹出去。

反吹气路的原理和工作过程如下图.

反吹过程:正常时双六通阀在(1态)位置.氢气载气分2路.1路经稳压阀P1到六通阀F1的(1-2)脚到吸收柱到六通阀F2的(5-6)脚经稳流阀P3放空.另一路氢载气经稳压阀P2到六通阀F2的(1-2-4-3)脚经分析柱到氢焰检测器.此时样品气通过采样泵经F1的(5-6-定量管-3-4)放空.此状态为取样过程.

进样时,双六通阀动作成(2态).载气把定量管中的样品气先后带到吸收柱和分析柱到氢焰检测器. 吸收柱的材料把样品气中的C2H4，C2H6，C2H2和C3H8吸附,并分时将他们解吸.待C3H8还没从吸收柱流出时,使双六通阀复位(回到1态),而后从吸收柱流出的C3H8经P3放空.由于C3H8未到分析柱和氢焰检测器,使分析时间缩短.这样可在3分钟内完成对C2H4，C2H6，C2H2的分析.

3.自动巡回检测控制电路的研制.

满足红外线气体分析仪与气相色谱仪同步运行的控制电路包括以下几个部分:

1)设备分析数据的采集,需要进行数据采集卡的设计和制作.

2)自动巡回检测控制电路的设计和制作.

3)电磁阀驱动电路的设计和制作.

4.控制电磁阀组串接连接。

束管监测系统,是在地面用真空泵把井下气体抽上来送到分析仪去分析.管路中的气体在负压状态.如果管路系统或控制气体流向的电磁阀密封不好,哪怕有一点漏气,环境的气体将进入管路,气体分析的数据将不准确.所以对系统的密封性要求很严格.

传统的束管监测系统中的二位三通电磁阀，是单体直动式靠阀芯密封，容易漏气而且体积大，噪音大，连接接点多，是束管监测系统气路控制部分的薄弱环节。如下图:

经过市场调研和反复实验，引进了由进口二位三通组成的串接连接的电磁阀组。

串接电磁阀组，公共气路部分在阀体内部连接再一起，减少大部分接点，密封可靠性大大提高。进口电磁阀有效通径大，动作可靠，无漏气，可长期通电不发热。

串接电磁阀组在束管监测系统气路控制部分的首次使用，有效的提高了系统的可靠性。是束管监测系统的一项重要创新。

5.无油无水模式的抽气泵

传统的束管监测系统抽气泵都选用旋片式真空泵.这种泵要靠密封油形成真空,工作时密封油要被抽出的气体带出来,即费油又污染环境. 旋片式真空泵要用循环水冷却,设备复杂,噪音高,维修量大.尤其是不适合长期连续运行.为克服以上缺点,考虑选用无油真空泵.结果选择和不断完善,安装成功了安装在控制柜中有移动功能的抽气泵站.它完全克服了传统抽气泵的不足.