第6章气体检测仪器仪表及瓦斯监控系统

1、2021-8-61 第一节 矿井气体检测仪器仪表 第二节 矿井瓦斯监控系统 复习思考题 2021-8-62 一、 光学甲烷检测仪 （一） 光学甲烷检测仪的用途 光学甲烷检测仪是煤矿井下使用最普遍的便携 式仪器之一，使用光学甲烷检测仪既可以测定甲烷 （瓦斯）浓度，又可以测定二氧化碳浓度。按其测 量瓦斯浓度的范围分为0%10%（精度0.01%）和 0%100%（精度0.1%）2种。 2021-8-63 （二） 光学甲烷检测仪的构造及工作原理 1.光学甲烷检测仪的构造 光学甲烷检测仪有多种型号，我国生产的主要 有AQG型和QWJ型，其外形和内部构造基本相同。 现以AQG-1型为例说明其构造。AQG-

2、1型光学甲烷 检测仪从外形看像个矩形盒子，主要由气路、光路 和电路三大系统组成，如图6-1所示。 2021-8-64 2021-8-65 2021-8-66 （1） 气路系统。光学甲烷检测仪的气路系统 主要由吸气管4、进气管5、水分吸收管9、二氧化 碳吸收管11、吸气橡皮球10、气室（包括甲烷室和 空气室）22和盘形管30等组成。其主要部件的作用 为： 气室中的甲烷室用于存贮所采气样，空气室 则用于存贮新鲜空气。 2021-8-67 水分吸收管内装有硅胶，并与仪器的进气管 相连通，其作用是对通过吸收管的气体进行干燥， 使水蒸气不能进入甲烷室，能预防仪器故障并使测 值准确。 2021-8-68

3、盘形管（也称毛细管）一端与空气室相通， 另一端与仪器所处的环境大气相通，其作用是使测 定时空气室内气体压力与甲烷室相同（气压不同会 造成误差），同时又能防止环境中有害气体通过盘 形管进入空气室，使室内保持有新鲜空气。 2021-8-69 （2） 光路系统。光学甲烷检测仪的光路系统 如图6-2所示，主要由光源灯泡1、光栅2、聚光镜3、 平行平面镜4、折光棱镜5、反射棱镜6、物镜7、测 微玻璃8、分划板9、场镜10、目镜11和目镜保护玻 璃12组成。 2021-8-610 2021-8-611 2021-8-612 光路系统主要零件的作用为： 光源灯泡是仪器光路系统的光源，其额定电 压为1.35

4、V，具有白色反光面的灯泡效果较好。 聚光镜的作用是汇集光源发出的光，使其照 射范围变窄，亮度增强。 2021-8-613 平行平面镜是产生干涉条纹的重要部件，在 图中的a点，它通过反射和折射，将一束光线变为两 束平行光线，而在b点，它又再次通过折射和反射， 使两束平行光线转向，并使其传播空间发生重叠， 从而形成干涉条件，产生干涉条纹。 2021-8-614 折光棱镜的作用是将从空气室中射出的光线 经两次反射（每次反射折转90）使其传播方向折转 180而返回气室。 反射棱镜的作用是将光线转向90，使其投 射到物镜上。 物镜上的光屏用以改善干涉条纹的清晰度， 调节物镜前后的距离，可使干涉条纹在分划

5、板上成 像清晰。 2021-8-615 物镜和目镜等组成目镜组，该组主要起放大 作用，使分划板和干涉条纹便于观察。当分划板刻 度线和数字不清晰时，可利用目镜进行调节；干涉 条纹不清晰时，有时也可利用目镜组进行调节。 2021-8-616 （3） 电路系统。光学甲烷检测仪的电路系统 主要由干电池12（1节1号干电池）、光源灯泡16、 微读数电门7和光源电门8等组成。 2021-8-617 气路、光路和电路三大系统是光学甲烷检测仪 的主要组成部分，除此之外，光学甲烷检测仪还包 括测微组件和主调螺旋等部件。测微组件主要由测 微玻璃、微读数盘、微调螺旋、照明灯泡等组成， 其作用是为了提高读数精度。 2

6、021-8-618 2.光学甲烷检测仪的工作原理 光学甲烷检测仪的工作原理为：从光源1发出的 白光，经光栅2和聚光镜3变成一束细而亮的光束后 投射到平行平面镜4上。在平行平面镜的a点，光束 受平行平面镜作用分成两束（实线和虚线各表示一 束），实线表示的那一束光线经空气室、折光棱镜5 （其作用是使光线转向180）再次经过空气室后投 射到平行平面镜上； 2021-8-619 虚线表示的那一束光线经过甲烷室、折光棱镜5 再次经过甲烷室后也投射到平行平面镜上。这两束 光线经平行平面镜作用在b点汇合成“一束”光线， 实际上是这两束光线传播的路径发生了重叠而已。 这两束光线已成为相干光源，会形成干涉现象。

7、 2021-8-620 当这两束光线经折射棱镜6（作用是将光线转向 90）投射到物镜7上时，通过目镜11和物镜7等组 成的望远镜系统就可看到在物镜7的焦平面上产生的 干涉条纹，（白色光特有的干涉条纹，又称光谱）。 2021-8-621 干涉条纹由红、绿、黄、黑4种条纹组成，成一 定规律分布，其中有两条黑纹比较清楚，左边那一 条常被用作黑基准线。如果在仪器的空气室和甲烷 室里都充入同样密度的新鲜空气，并利用分划板和 所选的基准线记下这时的干涉条纹的位置， 2021-8-622 当甲烷室中充入含有甲烷的气体时，干涉条纹 就会发生位移（因为甲烷相对于空气来说是光密介 质，折射率大，会使通过甲烷室那束

8、光线的光程增 大），其位移量与甲烷室的甲烷浓度成正比，利用 特制的分划板就可以将干涉条纹的位移量换算成甲 烷室的甲烷浓度。 2021-8-623 二、 便携式甲烷检测仪 便携式甲烷自动检测报警仪是一种携带式可连 续自动测定环境中甲烷浓度的全电子仪器，具有操 作方便、读数直观、工作可靠、体积小、重量轻、 维修方便等特点。 2021-8-624 1.热催化式（热效式）甲烷自动检测报警仪 热催化式（热效式）甲烷自动检测报警仪主要 由传感器、电源、放大电路、报警电路、显示电路 等部分构成。其中，黑元件是传感器，白元件是补 偿元件，是仪器的主要部分；黑、白两个元件分别 接在一个电桥的两个相邻桥臂上，而电

9、桥的另外两 个桥臂被分别接入适当电阻，共同组成测量电桥。 2021-8-625 当一定的工作电流通过检测元件（黑元件）时， 其表面即被加热到一定的温度，而这时当含有甲烷 的空气接触到检测元件表面时，便被催化燃烧，放 出的热量会使检测元件的温度升高，电阻值增加。 电桥就失去平衡，输出一定的电压。 2021-8-626 实验证明，在甲烷浓度低于4%的情况下，电桥 输出的电压与甲烷浓度基本上成直线关系，因此可 以通过测量电桥输出电压的大小测算出甲烷浓度的 数值；当甲烷浓度超过4%时，输出电压就不再与甲 烷浓度成正比关系，所以按这种原理制造的甲烷自 动检测报警仪只能测低浓度甲烷。 2021-8-627

10、 2.热导式甲烷自动检测报警仪 热导式甲烷自动检测报警仪与热催化式甲烷自 动检测报警仪的构造基本相同，也是由传感器、电 源、放大电路、显示及报警电路组成，区别在于两 种仪器的传感器工作原理不同。 2021-8-628 热导式传感器是根据矿井空气的导热系数随空 气中甲烷含量不同成一定规律变化这一性质测量甲 烷浓度的。这种甲烷自动检测报警仪可以检定高浓 度甲烷。 2021-8-629 3.红外线气体检测仪 红外线气体检测仪是一种可以灵活配置的单种 气体或多种气体检测仪，它可以配备氧气传感器、 可燃气传感器和任选2种有毒气体传感器或任选4种 有毒气体传感器或任选单种气体传感器。 2021-8-630

11、 它具有非常清晰的大液晶显示屏以及声光报警 提示，保证在非常不利的工作环境下也可以检测危 险气体并及时提示操作人员预防。开机或需要时可 对显示、电池、传感器、声光报警功能自检。其技 术参数如表6-1所示。 2021-8-631 2021-8-632 三、 一氧化碳检测仪 准确地测定一氧化碳浓度，是保证员工生命安 全和防止自然发火事故发生的有效手段。 （一） 一氧化碳检测仪的种类及结构 检测一氧化碳浓度的仪器种类很多，不同的分 类方法可以分成不同的种类。 2021-8-633 例如，按工作原理可分为化学原理、定电位化 学原理、红外线吸收原理、催化燃烧原理、气敏半 导体原理、气相色谱原理等；按安装

12、使用方式不同 可分为便携式和固定式2种。 2021-8-634 1.一氧化碳检定管的结构 该仪器用检定管检测井下空气的成分。它由检 定管和吸气装置2部分组成。 （1） 检定管的结构。检定管结构如图6-3所示。 2021-8-635 图6-3 检定管的结构 1外壳；2堵塞物；3保护胶；4隔离层； 5指示胶；6指示被测气体含量的刻度 2021-8-636 检定管由外壳、堵塞物、保护胶、隔离层及指 示胶等组成。其中外壳是用中性玻璃管加工而成。 堵塞物用的是玻璃丝布、防声棉或耐酸涤纶，它对 管内物质起固定作用。 2021-8-637 保护胶是用硅胶作载体吸附试剂制成，其用途 是除去对指示胶变色有干扰的

13、气体。隔离层一般用 的是有色玻璃粉或其他惰性有色颗粒物质，它对指 示胶起界限作用。指示胶是以活性硅胶为载体吸附 化学试剂经加工处理而成。 2021-8-638 （2） 吸气装置的结构。吸气装置又称采样器， 实质上是一个取样唧筒，其结构如图6-4所示。 2021-8-639 它是由铝合金管及气密性良好的活塞所组成。 抽取一次气样为50 mL，在活塞杆上有10等分刻度， 并标有吸入试样的毫升数。采样器的前端有个三通 阀，当三通阀把3平放时，是吸取气样位置，如果取 样地点采样器不便进入时，可在气样入孔1处接胶管 来取气； 2021-8-640 三通阀把3处于垂直位置时，可将吸入气筒的气 样通过检定管

14、插孔2压入检定管；而三通阀把3处于 45位置时，三通阀为关闭状态。 2021-8-641 2.一氧化碳测量仪的结构 一氧化碳测量仪外形呈扁长方体，外壳采用高 强度工程塑料制成。测量仪壳体与后盖之间通过4个 专用沉头螺钉连接成一体。其结构如图6-5所示，气 路的连接如图6-6所示。 2021-8-642 图6-5 一氧化碳 测量仪的结构 （a） 一氧化碳 测量仪的外部结构； （b） 一氧化碳测量 仪的内部结构； （c） 一氧化碳 测量仪电路板组结构 2021-8-643 图6-6 一氧化碳测量仪的气路连接 2021-8-644 3.便携式一氧化碳测量报警仪的结构 便携式一氧化碳测量报警仪的结构如

15、图6-7所示。 其外形为长方形，左上部为报警指示灯，右上部为 传感器。正面板左上方为蜂鸣器；中部为三位码显 示窗，仪器的右侧中部设有电源开关，下部有一 “关合”板，打开它可见调零和调整报警点电位器。 仪器的中下部设有调精度电压器，而在下方则设有 一节6F22型叠层方型电池。 2021-8-645 图6-7 便携式一氧化碳测量报警仪的结构 2021-8-646 （二） 一氧化碳检测仪的工作原理 1.一氧化碳检定管的工作原理 一氧化碳检定管是以活性硅胶为载体，吸附化 学试剂碘酸钾和发烟硫酸作为指示胶，当含有一氧 化碳的空气通过检定管时，与指示胶反应，有碘生 成，沿玻璃管壁形成一个棕色环， 2021

16、-8-647 随着气流通过，棕色环向前移动，其移动的距 离与被测空气中的一氧化碳含量成正比关系，因此 当检定管中通过定量空气后，根据色环移动的距离 便可测得所测空气中的一氧化碳含量。 2021-8-648 2.一氧化碳测量仪的工作原理 一氧化碳测量仪采用控制电位电解法实现了对 空气中的一氧化碳浓度的测定。 3.便携式一氧化碳测量报警仪的工作原理 便携式一氧化碳测量报警仪是应用电化学原理 实现大气中一氧化碳气体含量测量和超限自动报警 的携带式仪器。 2021-8-649 四、 便携式氧气检测仪 1.便携式氧气检测仪的种类 在矿井环境中对氧气含量进行检测具有重要的 意义。可以用来检测氧气含量的方法

17、很多，常用的 仪器有数字式氧气浓度计，瓦斯、氧气检测仪等。 2.便携式氧气检测仪的工作原理 2021-8-650 （1） 数字式氧气浓度计的工作原理。数字式 氧气浓度计的外部结构和工作原理如图6-8、图6-9 所示。通过氧气传感元件，将空气中氧气浓度的变 化转换成电信号的变化，经输入调节回路、A/D转 换器到显示单元显示氧气浓度。 2021-8-651 图6-8 数字式氧气浓度 计的外部结构 1氧气传感器；2电 缆线架；3延长电缆；4校 准旋钮；5液晶显示器；6 电源按钮 2021-8-652 图6-8 数字式氧气浓度计的外部结构 2021-8-653 由于透过薄膜的氧气量与氧分压有关，故大气

18、 压力对输出电流的大小有影响，当使用地点与校准 地点大气压力有较大差异时，特别是在开采深度较 大的矿井中测定时，应对其值进行修正。另外，温 度对仪器的指示也有一定影响，需用热敏电阻或其 他方法进行补偿。所以，仪器的使用环境温度范围 为040 。 2021-8-654 （2） 瓦斯、氧气检测仪的工作原理。瓦斯、 氧气检测仪的工作原理如图6-10所示。通过瓦斯和 氧气传感元件，将空气中瓦斯和氧气浓度的变化转 换成电信号的变化，此信号经信号调整电路和模拟 开关切换电路，送至数字显示电路（包括A/D转换 器、LED数字显示器）进行显示，经解码电路、控 制报警电路实现超限报警。 2021-8-655 矿

19、井气体检测仪器仪表 图6-10 瓦斯、氧气检测仪的工作原理 2021-8-656 3） 氧气检测仪的工作原理。氧气检测仪采用 隔膜伽伐尼电池原理，简称隔膜原电池原理。这里 的隔膜原电池便是测氧气的传感元件，由金作阴极、 铅作阳极、碱性电解液及特制透氧气的聚四氟乙烯 薄膜组成。它与空气中的氧气接触后，产生去极化 电流，该电流正比于氧分压。氧气检测仪的工作原 理如图6-11所示。 2021-8-657 图6-11 氧气检测仪的工作原理 2021-8-658 由隔膜原电池N与温度补偿热敏电阻Rt构成的 氧传感元件为GYR-25型氧气传感元件。测量时，氧 气传感元件两端的电压发生变化并通过电表G显示

20、出来，从而达到测量环境空气中氧气浓度的目的。 2021-8-659 矿井瓦斯监控系统是煤炭企业高产、高效、安 全生产的重要保证，是煤矿安全管理的重要组成部 分。 2021-8-660 一、 矿井瓦斯监控系统的组成与功能 1.矿井瓦斯监控系统的组成 矿井瓦斯监控系统一般是由传感器、执行机构、 分站、电源箱（或电控箱）、主站（或传输接口）、 主机（含显示器）、打印机、电视墙（或投影仪、 模拟盘、多屏幕、大屏幕）、管理工作站、服务器、 路由器、UPS电源、光纤和接线盒等组成，如图6- 12所示。 2021-8-661 图6-12 矿井瓦斯监控系统的组成 2021-8-662 矿井瓦斯监控系统目前分为

21、3类，即：KJ、TF、 A-1系列，其结构基本相同，都是由传感器及执行 装置、传输（通信）系统、数据处理系统3部分构成。 2021-8-663 2.矿井瓦斯监控系统的功能 （1） 传感器及执行装置。传感器负责采集各 种环境参数并把它输送给传输系统。由于它直接关 系到系统监控内容和数量及系统的准确度，因此， 必须选择可靠、稳定、准确的传感器。执行装置的 功能是接收来自传输系统的信息，并根据它执行开、 停、断电等指令，从而完成各种控制功能。 2021-8-664 （2） 信息传输系统。该系统主要由传输接口、 分站、中心站柜、电缆等组成。其功能是接收传感 器传来的各种信息，并把它转换成数字信号或频率

22、 信号，再通过发送、接收装置及电缆和各种接口传 送到地面中心站的计算机进行处理。同时接收计算 机发来各种指令，并通过上述设备传递给执行装置。 2021-8-665 （3） 数据处理系统。该系统由计算机（包括 前置机）、模拟盘及各种外部设备等硬件和各种应 用程序、操作系统等软件组成。其功能是接收来自 传输系统的信息，并对其进行综合分析判断，同时 通过屏幕、模拟盘、绘图仪对各监测参数或状态进 行显示。 2021-8-666 当某些环境参数超过预定值时，能自动报警， 并可向井下发出控制信号，切断影响区域电源，防 止事故发生。对一些重要监测参数可存储规定时间 内的数据，并可随时用屏幕显示、打印、绘图等

23、方 式再现所需资料。对生产监控部分的设备运行状态、 运行时间、煤位情况等内容也可即时显示出来。有 些系统还具有火灾预测预报等功能。 2021-8-667 二、 甲烷传感器的设置 由于甲烷的密度小于空气，因此，一般情况下， 巷道上方的甲烷浓度大于下方。因此，甲烷传感器 应布置在巷道的上方，并应不影响行人和行车，安 装维护方便。甲烷传感器应垂直悬挂，距顶板（顶 梁）不得大于300 mm，距巷道侧壁不得小于200 mm。甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓 度和断电范围必须符合表6-2的规定。 2021-8-668 2 2021-8-669 2021-8-670 3 2021-8-671 2021

24、-8-672 2021-8-673 1.采煤工作面甲烷传感器的设置 （1） 采煤工作面甲烷传感器的设置。为及时 监测采煤工作面的瓦斯变化情况，采煤工作面传感 器应尽量靠近工作面设置，如图6-13所示。 2021-8-674 图6-13 采煤工作面甲烷传感器的设置 T采煤工作面甲烷传感器 2021-8-675 （2） 采煤工作面回风巷甲烷传感器的设置。 为保证采煤工作面回风巷中的甲烷传感器能正确反 映采煤工作面回风巷内的瓦斯含量，回风巷甲烷传 感器应设置在瓦斯等有害气体与新鲜空气混合均匀 且风流稳定的位置，如图6-14所示。 2021-8-676 第二节 矿井瓦斯监控系统 图6-14 采煤工作面

25、回风巷甲烷传感器的设置 T采煤工作面回风巷甲烷传感器 2021-8-677 （3） 采煤工作面进风巷甲烷传感器的设置。 用于监测有煤与瓦斯突出矿井的采煤工作面的进风 巷甲烷传感器，应尽量靠近工作面设置，如图6-15 所示，以便及时监测采煤工作面的瓦斯变化情况。 2021-8-678 图6-15 采煤工作面进风巷甲烷传感器的设置 T有煤与瓦斯突出矿井的采煤工作面进风巷甲烷传感器 2021-8-679 采煤工作面采用串联通风时，进入被串工作面 的风流中必须布置进风巷甲烷传感器。为保证进风 巷甲烷传感器能正确反映所监测区域的瓦斯含量， 进风巷甲烷传感器应设置在瓦斯等有害气体与新鲜 空气混合均匀且风流

26、稳定的位置，如图6-16所示。 2021-8-680 图6-16 串联通风采煤工作面进风巷甲烷传感器的设置 T串联通风采煤工作面进风巷甲烷传感器 2021-8-681 2.掘进工作面甲烷传感器的设置 为及时监测掘进工作面的甲烷浓度的变化情况， 瓦斯、高瓦斯和煤（岩）与瓦斯突出矿井都必须设 置工作面甲烷传感器。高瓦斯和煤（岩）与瓦斯突 出矿井的掘进工作面还必须在回风流中设置甲烷传 感器。掘进工作面甲烷传感器和回风流甲烷传感器 断电范围为掘进巷道内全部非本质安全型电气设备。 2021-8-682 （1） 掘进工作面甲烷传感器的设置。为及时 监测掘进工作面的瓦斯变化情况，掘进工作面甲烷 传感器应尽量

27、靠近工作面设置，如图6-17所示。 2021-8-683 图6-17 掘进工作面甲烷传感器的设置 T 掘进工作面甲烷传感器；F局部通风机 2021-8-684 （2） 掘进工作面回风流甲烷传感器的设置。 为保证掘进工作面的回风流甲烷传感器能正确反映 掘进工作面回风流中的瓦斯含量，回风流甲烷传感 器应设置在瓦斯等有害气体与新鲜空气混合均匀且 风流稳定的位置，如图6-18所示。 2021-8-685 图6-18 掘进工作面回风流甲烷传感器的设置 T掘进工作面回风流甲烷传感器；F 局部通风机 2021-8-686 （3） 掘进工作面进风流甲烷传感器的设置。 采用串联通风的掘进工作面，必须在被串工作面

28、局 部通风机前设置掘进工作面进风流甲烷传感器；对 有煤与瓦斯突出矿井的掘进工作面，应在工作面局 部通风机前设置掘进工作面进风流甲烷传感器，如 图6-19所示。 2021-8-687 图6-19掘进工作面进风流甲烷传感器的设置 T掘进工作面进风流甲烷传感器；F局部通风机 2021-8-688 （4） 掘进机甲烷传感器的设置。掘进机必须 设置机载式甲烷断电仪或便携式甲烷报警仪。 2021-8-689 3.机电硐室甲烷传感器的设置 在回风流中的机电设备硐室的瓦斯浓度可能会 较高，因此，在回风流中的机电硐室的进风侧，必 须设置甲烷传感器，如图6-20所示。 2021-8-690 图6-20机电硐室甲烷

29、传感器的设置 T机电硐室进风流甲烷传感器 2021-8-691 4.装煤点和运输巷道甲烷传感器的设置 （1） 装煤点甲烷传感器的设置。高瓦斯矿井 的主要运输巷道内使用架线电机车时，装煤点处必 须设置甲烷传感器，如图6-21所示。 2021-8-692 图6-21 装煤点甲烷传感器的设置 T高瓦斯矿井的主要进风运输巷道内使用架线电机车时， 装煤点处甲烷传感器 2021-8-693 （2） 运输巷道甲烷传感器的设置。高瓦斯矿 井进风的主要运输巷道使用架线电机车时，在瓦斯 涌出巷道的下风流中必须设置甲烷传感器，如图6- 22所示。 2021-8-694 图6-22 运输巷道甲烷传感器的设置 T高瓦斯

30、矿井进风的主要运输巷道使用架线电机车时，在 瓦斯涌出巷道的甲烷传感器 2021-8-695 5.机车内甲烷传感器的设置 在煤（岩）与瓦斯突出矿井和瓦斯喷出区域中， 进风的主要运输巷道和回风巷内使用矿用防爆特殊 型蓄电池电机车或矿用防爆型柴油机车时，蓄电池 电机车必须设置车载式甲烷断电仪或便携式甲烷检 测报警仪，柴油机车内必须设置便携式甲烷检测报 警仪。当瓦斯浓度超过0.5%时，必须停止机车运行。 2021-8-696 6.瓦斯抽采泵站甲烷传感器的设置 瓦斯抽放泵站应在室内设置甲烷传感器，其报 警浓度为0.5%CH4。在抽采泵输入管路中应设置甲 烷传感器。利用瓦斯时，在输出管路中应设置甲烷 传感器。 井下临时抽采泵站下风测栅栏外应设置甲烷传 感器。 2021-8-697 7.其他地点传感器的设置 （1） 装备矿井安全监控系统的矿井，每一个 采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站应设置风速 传感器。风速传感器应设置在巷道前10 m内无分支