所有在地下礦井工作的人都應該對礦井氣體有充分​​的了解，並意識到它們可能帶來的危險。 氣體檢測儀器和系統的一般知識也是必要的。 對於那些指定使用這些儀器的人來說，詳細了解它們的局限性和它們測量的氣體是必不可少的。

即使沒有儀器，人類的感官也可能能夠檢測到與自燃相關的化學和物理現象的漸進出現。 加熱使通風空氣變暖，並使表面和整體水分被加熱驅散。 當這種空氣在通風分流處遇到較冷的空氣時，會發生冷凝，從而導致回風表面出現霧霾和出汗現象。 下一個跡像是典型的油味或汽油味，最後是煙霧，最後是可見的火焰。

一氧化碳 (CO) 是無味的，在自燃的特徵氣味出現之前，在大約 50 至 60 °C 時出現可測量的濃度。 因此，大多數火災探測系統依賴於探測礦井特定部分的一氧化碳濃度是否高於正常背景。

有時，一個人首先會在一瞬間注意到微弱的氣味，從而首先檢測到暖氣。 在檢測到可測量的一氧化碳濃度持續增加之前，可能必須對該區域進行多次徹底檢查。 因此，礦山中的所有人員都不應放鬆警惕，一旦懷疑或檢測到並報告了指示劑的存在，就應立即實施預先安排的干預過程。 幸運的是，由於自 1970 世紀 XNUMX 年代以來火災探測和監測技術取得了長足進步（例如，探測器管、袖珍型電子探測器和計算機化固定係統），不再需要僅依賴人類感官。

便攜式氣體檢測儀器

氣體檢測儀器旨在檢測和監測可能導致火災、爆炸和有毒或缺氧大氣的各種氣體類型和濃度的存在，以及提供自發性氣體爆發的早期預警燃燒。 使用它們的氣體包括 CO、二氧化碳 (CO₂), 二氧化氮 (NO₂), 硫化氫 (H₂S)和二氧化硫(SO₂). 可以使用不同類型的儀器，但在決定在特定情況下使用哪種儀器之前，必須回答以下問題：

• 為什麼需要檢測一種或多種特定氣體？
• 這些氣體的性質是什麼？
• 它們發生在什麼地方和什麼情況下？
• 哪種氣體檢測儀器或設備最適合這些情況？
• 該儀器如何工作？
• 它有什麼局限性？
• 它提供的結果應該如何解釋？

工人必須接受正確使用便攜式氣體探測器​​的培訓。 儀器必鬚根據製造商的規格進行維護。

通用檢測器套件

檢測器套件包括一個彈簧加載的活塞式或波紋管式泵和一系列可更換的玻璃指示管，其中包含特定氣體的特定化學物質。 該泵的容量為 100 cc，可以用一隻手操作。 這允許在傳遞到波紋管之前通過指示管抽取該尺寸的樣品。 刻度尺上的警告指示器對應於一般變色的最低水平，而不是顏色滲透的最深點。

該設備易於使用，不需要校準。 但是，某些預防措施是適用的：

• 指示管（應註明日期）的保質期一般為兩年。
• 如果沒有變色，指示管可以重複使用 XNUMX 次。
• 每次測定的一般準確度通常在±20%以內。
• 由於產生的高溫，氫氣管未獲准在地下使用。
• 在柴油機尾氣或餘濕中可能存在的高級碳氫化合物存在的情況下估算低水平的一氧化碳時，需要填充活性炭的“預管”。
• 廢氣在通過指示管之前應先通過冷卻裝置，以確保溫度低於 40°C。
• 由於不准確，氧氣和甲烷管未獲准在地下使用。

催化式甲烷計

催化式甲烷計用於地下礦山測量空氣中的甲烷濃度。 它有一個基於四根電阻匹配螺旋線網絡原理的傳感器，通常是催化絲，以稱為惠斯通電橋的對稱形式排列。 通常，兩個燈絲是有源的，另外兩個是無源的。 活性絲或珠通常塗有氧化鈀催化劑，以在較低溫度下引起可燃氣體的氧化。

大氣中的甲烷通過燒結盤擴散或被吸氣器或內部泵吸入到達樣品室。 按下甲烷計的操作按鈕關閉電路，流過惠斯通電橋的電流氧化樣品室中催化（活性）絲上的甲烷。 該反應的熱量提高了催化絲的溫度，增加了它們的電阻並使電橋失去平衡。 流動的電流與元件的電阻成正比，因此與存在的甲烷量成正比。 這顯示在以甲烷百分比刻度的輸出指示器上。 惠斯通電橋電路中的參考元件用於補償環境條件的變化，例如環境溫度和大氣壓力。

該工具有許多重要的局限性：

• 必須同時存在甲烷和氧氣才能得到響應。 如果樣品室中的氧氣含量低於 10%，並非所有到達檢測器的甲烷都將被氧化，並且會獲得錯誤的低讀數。 因此，該儀器不應用於測量餘潮或氧氣濃度低的封閉區域的甲烷水平。 如果腔室中含有純甲烷，則根本沒有讀數。 因此，在將儀器移動到可疑的甲烷層之前必須按下操作按鈕，以便將一些含氧空氣吸入腔室。 層的存在將通過大於滿刻度的讀數來確認，隨後當氧氣被消耗時返回到刻度。
• 催化型甲烷計對甲烷以外的易燃氣體有反應，例如氫氣和一氧化碳。 因此，在火災後或爆炸氣體（餘潮）中可能會獲得模糊讀數。
• 帶有擴散頭的儀器應遠離高氣流以避免讀數錯誤。 這可以通過用手或其他物體遮擋它來實現。
• 如果燈絲在校准或使用時接觸到已知毒物的蒸汽（例如，家具拋光劑、地板拋光劑和油漆中的有機矽、液壓油中存在的磷酸酯和使用的碳氟化合物），則帶有催化燈絲的儀器可能無法對甲烷作出反應作為氣溶膠噴霧劑中的推進劑）。
• 基於惠斯通電橋原理的甲烷計可能會在不同的傾斜角度下給出錯誤的讀數。 如果在校准或使用儀器時將儀器保持在 45° 角，則此類不准確度將降至最低。
• 甲烷計在可變的環境溫度下可能會給出不准確的讀數。 通過在與地下發現的溫度條件相似的溫度條件下校準儀器，可以將這些不准確度降至最低。

電化學電池

使用電化學電池的儀器在地下礦井中用於測量氧氣和一氧化碳濃度。 有兩種類型可供選擇：僅對氧氣濃度變化作出反應的成分電池，以及對大氣中氧氣分壓變化作出反應的分壓電池，從而對每單位體積的氧分子數作出反應.

複合電池採用毛細管擴散屏障，它減緩了氧氣通過燃料電池的擴散，因此氧氣到達電極的速度完全取決於樣品中的氧氣含量。 該電池不受高度（即大氣壓力）、溫度和相對濕度變化的影響。 一氧化碳的存在₂ 然而，混合物中的氧氣會擾亂氧氣的擴散速度並導致錯誤的高讀數。 例如，存在 1% 的 CO₂ 將氧氣讀數增加 0.1%。 雖然很小，但這種增加可能仍然很重要，而且並非萬無一失。 如果要在餘潮或其他已知含有 CO 的大氣中使用該儀器，請務必了解此限制₂.

分壓電池基於與濃差電池相同的電化學原理，但沒有擴散屏障。 它只對每單位體積的氧分子數量作出反應，使其依賴於壓力。 一氧化碳₂ 濃度低於 10% 對讀數沒有短期影響，但從長遠來看，二氧化碳會破壞電解質並縮短電池壽命。

以下條件會影響分壓電池產生的氧氣讀數的可靠性：

• 海拔高度和氣壓： 從地表到豎井底部的行程每移動 0.1 米，氧氣讀數就會增加 40%。 這也適用於地下工作中遇到的傾角。 此外，大氣壓力每天 5 毫巴的正常變化可能會使氧氣讀數改變多達 0.1%。 雷暴活動可能伴隨著 30 毫巴的壓力下降，這將導致氧氣讀數下降 0.4%。
• 通風： 風扇的最大通風變化為 6-8 英寸水柱或 10 毫巴。 這將導致從進氣口到風扇返回的氧氣讀數下降 0.4%，並且從距坑底最遠的面移動時下降 0.2%。
• 溫度： 大多數檢測器都有一個電子電路，可以感應電池溫度併校正溫度對傳感器輸出的影響。
• 相對濕度： 在 20 °C 時，相對濕度從乾燥增加到飽和會導致氧氣讀數下降約 0.3%。

其他電化學電池

已經開發出能夠測量從 1 ppm 到上限 4,000 ppm 的 CO 濃度的電化學電池。 它們通過測量浸入酸性電解質中的電極之間的電流來工作。 CO在陽極氧化生成CO₂ 並且反應釋放與CO濃度成正比的電子。

氫氣、硫化氫、一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫的電化學電池也可用，但存在交叉敏感性。

沒有市售的 CO 電化學電池₂. 隨著包含對濃度高達 5% 的二氧化碳敏感的微型紅外電池的便攜式儀器的開發，這一缺陷已被克服。

非色散紅外探測器

非色散紅外探測器 (NDIR) 可以測量所有含有 -CO、-CO 等化學基團的氣體₂ 和-CH₃, 吸收特定於其分子結構的紅外頻率。 這些傳感器價格昂貴，但它們可以為一氧化碳、一氧化碳等氣體提供準確的讀數₂ 和甲烷在其他氣體和低氧水平的變化背景中，因此非常適合監測密封件後面的氣體。 歐₂，N₂ 和H.₂ 不吸收紅外輻射，不能用這種方法檢測。

其他帶有基於熱傳導和折射率檢測器的便攜式系統在採煤業中的使用有限。

便攜式氣體檢測儀器的局限性

便攜式氣體檢測儀器的有效性受到許多因素的限制：

• 需要校準。 這通常包括每天對零位和電壓進行檢查、每週一次量程檢查以及每 6 個月由授權的外部機構進行一次校準測試。
• 傳感器的使用壽命有限。 如果製造商沒有註明日期，則應註明採購日期。
• 傳感器可能會中毒。
• 傳感器可能會受到交叉敏感性的影響。
• 過度曝光可能會使傳感器飽和，導致其恢復緩慢。
• 傾斜可能會影響讀數。
• 電池需要充電和定期放電。

集中監控系統

使用手持式儀器進行的檢查、通風和調查通常可以在氣體被通風系統驅散或濃度超過法定限值之前成功檢測和定位含有有限 CO 的小型供暖設備。 但是，如果已知存在重大燃燒風險、回流中的甲烷含量超過 1% 或懷疑存在潛在危險，這些還不夠。 在這種情況下，需要在戰略位置進行持續監控。 許多不同類型的中央連續監測系統正在使用中。

管束系統

管束系統於 1960 年代在德國開發，用於檢測和監控自燃的進展。 它涉及多達 20 根直徑為 1/4 或 3/8 英寸的尼龍或聚乙烯塑料管，從地面上的一組分析儀延伸到地下的選定位置。 這些管子配有過濾器、排水管和火焰收集器； 分析儀通常是紅外線的 CO, CO₂ 甲烷和順磁性氧氣。 清道夫泵同時通過每個管抽取樣品，順序計時器將樣品從每個管中依次引導通過分析儀。 數據記錄器記錄每個位置的每種氣體的濃度，並在超過預定水平時自動觸發警報。

這個系統有很多優點：

• 不需要防爆儀器。
• 維護相對容易。
• 不需要地下電源。
• 它涵蓋了廣泛的氣體。
• 紅外分析儀通常非常穩定可靠； 它們在不斷變化的火災氣體背景和低氧大氣中保持其特異性（高濃度甲烷和/或二氧化碳可能與低 ppm 範圍內的一氧化碳讀數交叉敏感）。
• 儀器可以在地面上進行校準，但氣體的校準樣本應該通過管道發送，以測試收集系統的完整性和用於識別特定樣本來源位置的系統。

還有一些缺點：

• 結果不是實時的。
• 洩漏不會立即顯現出來。
• 冷凝水可能會聚集在管子中。
• 系統中的缺陷並不總是立即顯現出來並且可能難以識別。
• 爆破、火災或爆炸可能會損壞管子。

遙測（電子）系統

遙測自動氣體監測系統在地面上有一個控制模塊，在戰略位置位於地下的本質安全傳感器頭通過電話線或光纖電纜連接。 傳感器可用於甲烷、CO 和空氣速度。 CO 傳感器類似於便攜式儀器中使用的電化學傳感器，並受到相同的限制。 甲烷傳感器通過甲烷催化燃燒惠斯登電橋電路的活性元件來工作，這些元件可能會被硫化合物、磷酸酯或矽化合物中毒，並且在氧氣濃度低時不工作。

該系統的獨特優勢包括：

• 結果是實時可用的（即，有火災或甲烷積聚的快速指示）。
• 在不影響系統的情況下，傳感器頭和控制單元之間的長距離是可能的。
• 立即識別傳感器故障。

還有一些缺點：

• 需要高水平的維護。
• CO 的傳感器範圍有限 (0.4%)。
• 傳感器的種類有限； 沒有CO₂ 或氫氣。
• 甲烷傳感器容易中毒。
• 原位 需要校準。
• 交叉敏感性可能是一個問題。
• 可能會出現功率損失（例如，對於甲烷，>1.25%）。
• 傳感器壽命限制為 1 至 2 年。
• 該系統不適用於低氧環境（例如，密封後）。

氣相色譜儀

氣相色譜儀是一種精密的設備，可以高精度地分析樣品，直到最近，它只能由化學家或經過專門培訓的合格人員充分使用。

來自管束式系統的氣體樣品自動注入氣相色譜儀，也可以從礦井帶出的袋樣中手動引入。 特殊填充的色譜柱用於分離不同的氣體，合適的檢測器（通常是熱導或火焰電離）用於測量從色譜柱中流出的每種氣體。 分離過程提供了高度的特異性。

氣相色譜儀具有以下特殊優勢：

• 不會發生其他氣體的交叉敏感性。
• 它能夠測量氫。
• 它能夠測量乙烯和高級碳氫化合物。
• 它可以準確地測量從非常低到非常高濃度的大多數氣體，這些氣體是在地下通過加熱或火災產生或產生的。
• 眾所周知，在對煤礦戰略位置的氣體分析進行解釋的基礎上，可以最有效地實施現代滅火和取暖方法。 準確、可靠和完整的結果需要氣相色譜儀和由合格、經驗豐富和經過全面培訓的人員進行解釋。

它的缺點包括：

• 分析速度相對較慢。
• 需要高水平的維護。
• 硬件和控制很複雜。
• 需要專家的定期關注。
• 必須經常安排校準。
• 高甲烷濃度會干擾低濃度 CO 測量。

系統選擇

管束系統更適用於監測預計氣體濃度不會快速變化的位置，或者像密封區域一樣可能具有低氧環境。

遙測系統是首選位置，例如環路或在氣體濃度快速變化可能具有重要意義的工作面上。

氣相色譜法不會取代現有的監測系統，但它可以提高分析的範圍、準確性和可靠性。 當涉及確定爆炸風險或當加熱達到高級階段時，這一點尤為重要。

抽樣注意事項

• 將採樣點選址在戰略位置非常重要。 來自距源一定距離的單個採樣點的信息僅是提示性的； 如果沒有其他地方的確認，它可能會導致高估或低估情況的嚴重性。 因此，檢測自燃爆發的採樣點必須位於最有可能發生加熱的地方。 加熱和檢測器之間的流量必須很少稀釋。 必須考慮甲烷和熱燃燒氣體分層的可能性，它們可能會在密封區域的傾角上升。 理想情況下，採樣點應位於面板回程中、停止和密封件後面以及通風迴路的主流中。 以下注意事項適用：
• 採樣點應設置在距離海豹至少 5 m（即朝向海豹的臉）的位置，因為當大氣壓升高時海豹會“吸氣”。
• 只有當它們呼出並且可以確保鑽孔無洩漏時，才應從鑽孔中採集樣品。
• 樣品應在距離火場順風 50 米以上的地方採集，以確保混合（Mitchell 和 Burns 1979）。
• 由於熱氣體上升，樣品應從屋頂附近的火災中提取。
• 取樣應在通風門處進行，以免洩漏。
• 所有採樣點應清楚地顯示在礦井通風系統示意圖上。 從地下或地表鑽孔中採集氣體樣本以在另一個位置進行分析是困難且容易出錯的。 袋子或容器中的樣品必須真實代表採樣點的大氣。

塑料袋現在在行業中被廣泛用於取樣。 塑料可最大限度地減少洩漏，並可將樣品保存 5 天。 氫氣，如果存在於袋子中，會降解，每天損失其原始濃度的約 1.5%。 足球膀胱中的樣本會在半小時內改變濃度。 袋子很容易裝滿，樣品可以擠入分析儀器或用泵抽出。

通過泵在壓力下填充的金屬管可以長時間儲存樣品，但樣品的體積有限，洩漏很常見。 玻璃對氣體呈惰性，但玻璃容器易碎，不稀釋就很難取出樣品。

採集樣品時，容器應至少預沖洗XNUMX次，確保前一次樣品完全沖洗乾淨。 每個容器都應該有一個標籤，上面載有採樣日期和時間、確切位置、採樣人員姓名和其他有用信息。

採樣數據的解釋

氣體採樣和分析結果的解釋是一門要求很高的科學，只能由受過專門訓練和有經驗的人員嘗試。 這些數據在許多緊急情況下都至關重要，因為它們提供了計劃和實施糾正和預防措施所需的地下情況信息。 在地下加熱、火災或爆炸發生期間或之後，應實時監測所有可能的環境參數，使負責人員能夠準確判斷情況的狀態並衡量其進展，以便他們及時啟動任何需要的救援活動。

氣體分析結果必須符合以下標準：

• 準確性。 儀器必須正確校準。
• 可靠性. 必須知道交叉敏感性
• 完整性。 應測量所有氣體，包括氫氣和氮氣。
• 及時性. 如果實時不可能，則應進行趨勢分析。
• 合法性. 採樣點必須位於事故現場及其周圍。

解釋氣體分析結果應遵循以下規則：

• 應仔細選擇幾個採樣點，並在平面圖上標出。 這比從許多點取樣更適合趨勢分析。
• 如果結果偏離趨勢，則應通過重新取樣確認或在採取措施前檢查儀器的校準。 外部影響的變化，例如通風、氣壓和溫度或在該區域運行的柴油發動機，通常是導致結果發生變化的原因。
• 非採礦條件下的氣體成分或混合物應該是已知的，並在計算中考慮在內。
• 不得輕信任何分析結果； 結果必須有效且可驗證。
• 應該記住，孤立的數字並不代表進展——趨勢給出了更準確的畫面。

計算無空氣結果

通過計算樣品中的大氣空氣獲得無空氣結果（Mackenzie-Wood 和 Strang 1990）。 這允許在消除空氣洩漏的稀釋效應後，對來自相似區域的樣品進行適當比較。

公式為：

無空氣結果 = 分析結果 / (100 - 4.776 歐₂)

推導如下：

大氣 = O₂ + N.₂ = ○₂ + 79.1歐₂ / 20.9 = 4.776 歐₂

當需要對結果進行趨勢分析並且採樣點和源之間存在空氣稀釋風險、採樣管線中發生漏氣或袋樣品和密封件可能吸入空氣時，無空氣結果非常有用。例如，如果加熱產生的一氧化碳濃度呈趨勢變化，那麼通風量增加導致的空氣稀釋可能會被誤解為源頭一氧化碳的減少。 無空氣濃度的趨勢將給出正確的結果。

如果採樣區域正在產生甲烷，則需要進行類似的計算：甲烷濃度的增加會稀釋存在的其他氣體的濃度。 因此，增加的二氧化碳水平實際上可能表現為減少。

無甲烷結果計算如下：

無甲烷結果 = 分析結果 /（100 - CH4％)

自燃

自燃是一種物質可以由於內部熱量而點燃的過程，這種內部熱量是由於反應釋放熱量的速度快於它向環境中散失的速度而自發產生的。 煤的自發加熱通常很慢，直到溫度達到約 70 °C，稱為“交​​叉”溫度。 高於此溫度，反應通常會加速。 在超過 300 °C 時，會釋放出揮發物，也稱為“煤氣”或“裂解氣”。 這些氣體（氫氣、甲烷和一氧化碳）會在大約 650 °C 的溫度下自燃（據報導，自由基的存在會導致煤在大約 400 °C 時出現火焰）。 表 1 列出了典型的自燃案例中涉及的過程（不同的煤會產生不同的圖片）。

表 1. 煤的加熱 - 溫度等級

資料來源：張伯倫等。 1970.

一氧化碳

在註意到典型的燃燒氣味之前，CO 實際上在大約 50 °C 時被釋放。 大多數設計用於檢測自燃發生的系統都是基於檢測礦井特定區域中濃度高於正常背景的一氧化碳。

一旦檢測到加熱，就必須對其進行監控以確定加熱狀態（即其溫度和程度）、加速度、有毒物質排放和大氣的爆炸性。

監控加熱

有許多指標和參數可用於幫助規劃人員確定加熱的範圍、溫度和進展速度。 這些通常基於通過可疑區域的空氣成分的變化。 多年來，文獻中描述了許多指標，但大多數指標的使用範圍非常有限，而且價值很小。 所有這些都是特定於地點的，並且因不同的煤和條件而異。 一些比較流行的包括：一氧化碳趨勢； 一氧化碳製造（Funkemeyer 和 Kock 1989）； 格雷厄姆比率 (Graham 1921) 示踪氣體 (Chamberlain 1970)； 莫里斯比率 (Morris 1988)； 和一氧化碳/二氧化碳比率。 密封後，由於沒有規定的氣流，指示器可能難以使用。

沒有任何一種指示器能夠提供一種精確可靠的方法來測量加熱的進度。 決策必須基於收集、製表、比較和分析所有信息，並根據培訓和經驗進行解釋。

爆炸

爆炸是煤礦開採中最大的單一危險。 它有可能殺死整個地下工作人員，摧毀所有設備和服務，並阻止礦井的任何進一步工作。 而且，這一切都可以在 2 到 3 秒內發生。

必須始終監控礦井中大氣的易爆性。 當工人​​在瓦斯礦井中進行救援作業時，這一點尤為緊迫。

與評估加熱的指標一樣，有多種技術可用於計算地下礦井中大氣的爆炸性。 它們包括： Coward 三角 (Greuer 1974)； Hughes 和 Raybold 的三角形（Hughes 和 Raybold 1960）； Elicott 的圖表（Elicott 1981）； 和 Trickett 比率（Jones 和 Trickett 1955）。 由於條件和環境的複雜性和多變性，沒有單一的公式可以作為保證在特定礦山的特定時間不會發生爆炸的保證。 人們必須依靠高度和不懈的警惕性、高度的懷疑指數和在可能即將發生爆炸的最輕微跡象時毫不猶豫地採取適當的行動。 為確保不會發生爆炸，暫時停產是一筆相對較小的溢價。

結論

本文總結了地下礦井可能涉及火災和爆炸的氣體檢測。 礦井氣體環境的其他健康和安全影響（例如粉塵病、窒息、毒性作用等）在本章的其他文章和本章的其他地方進行了討論 百科全書.

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