瓦斯報(bào)警礦燈的基本技術(shù)及應(yīng)用情況

庾莉萍

一、什么是瓦斯報(bào)警礦燈

瓦斯爆炸是煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，不僅造成人員大量傷亡，而且還會(huì)摧毀井下生產(chǎn)和安全設(shè)施。瓦斯(甲烷CH4)報(bào)警礦燈是在礦燈上附加了瓦斯報(bào)警裝置。當(dāng)瓦斯超限時(shí),以聲、光或數(shù)字顯示形式報(bào)警,以警告使用者瓦斯超限。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、報(bào)警醒目、重量輕、使用方便等特點(diǎn)，其中主燈閃爍式瓦斯報(bào)警礦燈還具有當(dāng)瓦斯超限時(shí)強(qiáng)制工人停止作業(yè)的功能，特別適宜于井下分散作業(yè)人員攜帶使用。

瓦斯報(bào)警器的使用，將改變井下工作人員的傳統(tǒng)理念。傳統(tǒng)的瓦斯檢測(cè)是由瓦斯檢測(cè)員檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，一旦瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，便通知井下工作人員撤離。使用瓦斯報(bào)警后，一旦瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，礦燈主光源開(kāi)始閃爍，井下工作人員無(wú)法正常作業(yè)，進(jìn)而主動(dòng)撤離，實(shí)現(xiàn)了“人機(jī)閉鎖”功能。瓦斯報(bào)警器變“個(gè)體監(jiān)測(cè)”為“群測(cè)群防”，變“叫我撤退”為“我要撤退”，有助于樹(shù)立安全意識(shí)，確保人民生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全。

二、報(bào)警礦燈中監(jiān)測(cè)儀表分類

目前，報(bào)警礦燈中瓦斯檢測(cè)儀表按工作原理大致有以下幾種:

(1)光干涉原理

光干涉原理是利用甲烷與空氣對(duì)光的折射率的差異而使由于光程差所造成的干涉條紋偏移，其偏移的大小與甲烷的濃度成比例關(guān)系，從而得以用條紋的偏移量來(lái)獲知甲烷濃度大小。

(2)催化燃燒原理

可燃性氣體在有充足的氧氣的前提下，在一定溫度的催化劑表面就能產(chǎn)生無(wú)焰燃燒，其產(chǎn)生的熱量使之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而指示出來(lái)。如可燃性氣體濃度在其爆炸下限的范圍內(nèi)，則催化燃燒的熱量與可燃燒氣體的濃度呈線性關(guān)系。

(3)熱導(dǎo)原理

各種氣體都有其自身的固有熱導(dǎo)率，混合氣體的熱導(dǎo)率也隨混合的比例而相應(yīng)地改變。利用甲烷與空氣的熱導(dǎo)率的不同而用靈敏度很高、熱容量很小的熱敏元件測(cè)定溫度的變化，從而得知被測(cè)甲烷的濃度。

(4)半導(dǎo)體氣敏原理

半導(dǎo)體氣敏傳感原理，是利用半導(dǎo)體材料在其吸附氣體后，其電阻率顯著變化的特點(diǎn)，從而檢測(cè)氣體濃度。其優(yōu)點(diǎn)是在低濃度區(qū)域?qū)扇夹詺怏w具有較高的靈敏度，但對(duì)被測(cè)氣體的選擇性差。

(5)其他檢測(cè)原理

除上述4種檢測(cè)原理以外，還有紅外吸收式、超聲波頻率變化法、吸附效應(yīng)晶體管氣體傳感器、瓦斯檢定燈等。

三、報(bào)警礦燈的發(fā)展趨勢(shì)

目前報(bào)警礦燈的發(fā)展趨勢(shì)是：

1、高可靠性:為了在最大程度上減少故障率，除了電子元件必須進(jìn)行老化篩選外，必須從電路上根除易損件及一切隱患，機(jī)械結(jié)構(gòu)上采取必要的防護(hù)措施，做到堅(jiān)固耐用、免于維修。

2、強(qiáng)穩(wěn)定度:因?yàn)殡姵仉妷旱淖兓秶?，電路工作電壓和電流的穩(wěn)定度對(duì)于報(bào)警誤差就顯得至關(guān)重要。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求:穩(wěn)壓輸出的電壓變化應(yīng)不大于±3%，電流變化應(yīng)不大于±1%。必須防止誤報(bào)、漏報(bào)以及設(shè)計(jì)欠壓保護(hù)電路。

3、智能化:由于一個(gè)報(bào)警點(diǎn)需用兩種標(biāo)氣校驗(yàn)，所以報(bào)警點(diǎn)多是不方便的。比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法是利用單片機(jī)的強(qiáng)大功能對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行智能控制，通過(guò)光信號(hào)發(fā)出警示后恢復(fù)正常照明，同時(shí)維持聲信號(hào)直到瓦斯?jié)舛冉档偷絼?dòng)作值以下，并且用不同的音響對(duì)瓦斯?jié)舛燃右詤^(qū)別，以便確定報(bào)警后瓦斯?jié)舛仁欠窭^續(xù)升高。此外還可發(fā)出故障或電池欠壓警告，以便及時(shí)處理。實(shí)現(xiàn)傳感器的自校正和自調(diào)節(jié)，免于維護(hù)。

4、低功耗:目前由于報(bào)警電路(主要是傳感元件)消耗電流較大，使用普通燈池容量不夠，特別是堿性電池難以選擇容量大于12Ah的，這在一定程度上影響了產(chǎn)品的使用效能。因此，選擇和使用低功耗的元件至關(guān)重要。

四、發(fā)展我國(guó)瓦斯報(bào)警礦燈的幾個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)

作為今后量大面廣又對(duì)其可靠性要求很高的瓦斯報(bào)警礦燈,在新技術(shù)層出不窮的今天,應(yīng)該按照煤礦的特殊條件注意幾個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié):

1、燈頭部分必須使用LED。由于LED安全、長(zhǎng)壽、省電的優(yōu)點(diǎn), 是礦燈今后發(fā)展的方向。隨著LED不斷地技術(shù)進(jìn)步,單位功率下照度的不斷提高,今后礦燈的電源部分將越來(lái)越小。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一般采用1W的LED,工作電流在200 mA的條件下,也可達(dá)到礦燈的標(biāo)準(zhǔn)要求。我們2006年采用了0. 7W 150 mA電流的LED,即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,預(yù)計(jì)今到明年, 0. 5 W 100 mA的LED也會(huì)滿足礦燈的需要,到時(shí)普通礦燈的電池有1. 5 A時(shí)就夠了。其次是主、副光源的結(jié)構(gòu),筆者認(rèn)為復(fù)合光源,即將兩個(gè)光源封在同一樹(shù)脂膠內(nèi)不合理，其共同損壞的可能性大,還是分開(kāi)的好。有了LED,燈頭部分可發(fā)展為本質(zhì)安全型,這是努力方向。

2、報(bào)警器部分以放在燈頭上閃光報(bào)警比較合理。報(bào)警器與燈頭組合式便于維修,電路設(shè)計(jì)宜采用單片機(jī)編入程序,以適應(yīng)MT 409新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)線性的要求。報(bào)警器的外殼宜采用半透明、高強(qiáng)度的聚碳酸脂以便用遙控器自動(dòng)調(diào)校報(bào)警點(diǎn)。

3、數(shù)字式瓦斯報(bào)警礦燈實(shí)際上是便攜瓦斯檢查儀與礦燈的組合。用上LED后,礦燈電源的減小促成了組合。按照裝備人員的不同,建議在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將報(bào)警器部分獨(dú)立,并設(shè)計(jì)獨(dú)立的電源開(kāi)關(guān)。同時(shí)還可設(shè)計(jì)帶在燈線上(波蘭式)的數(shù)字顯示報(bào)警器及裝在燈頭上的超小型數(shù)字報(bào)警器。

4、關(guān)于電源。目前我國(guó)礦燈在執(zhí)行GB 7957 -2003標(biāo)準(zhǔn)后,大部分設(shè)計(jì)采用了鋰電,經(jīng)過(guò)一年多的使用,也存在一些問(wèn)題,為此上海礦燈站重新制定了用于礦燈鋰電標(biāo)準(zhǔn)。這是發(fā)展方向,但目前還不夠成熟。其次是鎳氫,鉛酸等。筆者傾向使用鉛酸電池,其安全性、經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好一些。礦燈的特殊性、安全性應(yīng)是第一要素。隨著LED技術(shù)的發(fā)展,即使用鉛酸電池也可以。據(jù)我們了解,發(fā)達(dá)國(guó)家在礦燈上也只是走到了閥控鉛酸密封式免維護(hù)電池這一步,無(wú)論何種電池,由于其能量不大,今后都有可能發(fā)展為本質(zhì)安全型。綜上所述,使用瓦斯報(bào)警礦燈是大勢(shì)所趨,完善瓦斯報(bào)警礦燈的設(shè)計(jì)生產(chǎn),保證以高質(zhì)量的產(chǎn)品,服務(wù)于第一線。這項(xiàng)任務(wù)既光榮又沉重,它關(guān)系到國(guó)計(jì)民安,社會(huì)和諧。

五、我國(guó)瓦斯報(bào)警礦燈的使用推廣情況

我國(guó)曾在1995年頒布了MT 409標(biāo)準(zhǔn),作了統(tǒng)一規(guī)范。煤炭部撤銷后,值煤炭行業(yè)處于低谷時(shí)期,瓦斯報(bào)警礦燈的推廣被擱淺。除經(jīng)濟(jì)上的原因外,瓦斯報(bào)警礦燈的產(chǎn)品質(zhì)量及相關(guān)規(guī)定的不合理減弱了該產(chǎn)品的推廣,例如1 % CH4的報(bào)警點(diǎn)過(guò)早的問(wèn)題未解決,給正常生產(chǎn)帶來(lái)干擾,也影響了使用者對(duì)它的信任度。2002 年國(guó)家煤礦安監(jiān)局有關(guān)人員到太原考察,了解了該市堅(jiān)持使用瓦斯報(bào)警礦燈的情況后,在其調(diào)查報(bào)告中充分肯定了正確使用瓦斯報(bào)警礦燈是中小煤礦防治瓦斯事故的重要手段,應(yīng)該積極推廣。近年,國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局在網(wǎng)上公布了關(guān)于《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》的AQ標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿,其中規(guī)定井工煤礦的“采掘工、打眼工、在回風(fēng)流工作人員,宜使用瓦斯報(bào)警燈”。煤礦今后如按此要求裝備,其數(shù)量很大,約占其井下人員總數(shù)的70 %左右。這就意味著我國(guó)大規(guī)模使用瓦斯報(bào)警礦燈的局面已經(jīng)到來(lái)。

我國(guó)煤礦傷亡事故70 %以上來(lái)自瓦斯。近年在清理關(guān)閉管理混亂的小煤窯之后,我國(guó)逐漸步入理性和科學(xué)的治理瓦斯軌道,瓦斯報(bào)警礦燈作為煤礦防治瓦斯的重要補(bǔ)充手段得到肯定。但到目前為止,我國(guó)使用瓦斯報(bào)警礦燈的數(shù)量很少,絕大部分未能正常使用,未能發(fā)揮監(jiān)測(cè)報(bào)警作用。按我國(guó)500萬(wàn)煤礦井下工計(jì), 2006年我國(guó)瓦斯報(bào)警礦燈的銷量約10萬(wàn)盞,僅占職工總數(shù)的2 %。由于地方政策的要求,一些地方煤礦必須購(gòu)買瓦斯報(bào)警礦燈,但絕大多數(shù)煤礦不購(gòu)置檢測(cè)儀器和標(biāo)準(zhǔn)氣樣。因此,多數(shù)報(bào)警礦燈自購(gòu)置就未調(diào)校過(guò),有些煤礦工人在出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)后用泥巴或膠布將傳感器進(jìn)氣孔堵死,使其停止報(bào)警,只做一般礦燈使用。還有一點(diǎn)值得注意的是，我國(guó)煤礦工人中大部分并非傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)業(yè)工人,而是農(nóng)民輪換工,自我保護(hù)意識(shí)相對(duì)淡薄。在發(fā)達(dá)國(guó)家,礦燈房里就有標(biāo)準(zhǔn)氣樣(工會(huì)要求設(shè)置) ,拿到礦燈的工人自己會(huì)主動(dòng)檢測(cè)報(bào)警燈的工作狀態(tài)是否正常,如不正常立即要求調(diào)換。在我國(guó),礦主不買標(biāo)準(zhǔn)氣樣,無(wú)人問(wèn)津更無(wú)人制約,實(shí)際上不少礦主不希望報(bào)警燈處在正常狀態(tài),因?yàn)閳?bào)警器的報(bào)警點(diǎn)是1 % CH4,而下偏差0. 9 % CH4報(bào)警點(diǎn)也合格,但瓦斯爆炸的界限是5 % CH4以上,所以當(dāng)1 % CH4停工時(shí),對(duì)生產(chǎn)影響太大。國(guó)家治理瓦斯的12字方針是“先抽后采,以風(fēng)定產(chǎn),監(jiān)測(cè)監(jiān)控。”但這些煤礦違反“以風(fēng)定產(chǎn)”原則,設(shè)計(jì)10萬(wàn)t的礦井,他必須要出100萬(wàn)t煤,“以風(fēng)定產(chǎn)”無(wú)法掙錢。因此,中小煤礦的高沼礦井,一開(kāi)工就要高產(chǎn),瓦斯超限是經(jīng)常的。在實(shí)際中，即使5 %CH4以上的瓦斯?jié)舛?在無(wú)火源的條件下,也可能不會(huì)炸,因此很多煤礦存在僥幸心理。煤礦層層承包,出煤更是硬指標(biāo),那些出事的煤礦連監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器設(shè)置也敢上調(diào)到不報(bào)警,瓦斯報(bào)警礦燈就更談不上示警作用了。因此,加強(qiáng)對(duì)瓦斯報(bào)警礦燈的用后監(jiān)管,加強(qiáng)對(duì)工人安全的防范意識(shí)的教育,才能使瓦斯報(bào)警礦燈的作用走上正路。國(guó)外在這方面的使用經(jīng)驗(yàn)很多,例如法國(guó)的“歐德曼”公司生產(chǎn)了用于在礦燈房巡回檢測(cè)瓦斯報(bào)警礦燈的小車,每次發(fā)燈之前都要測(cè)一測(cè)該燈是否正常。在國(guó)內(nèi)也有一些成熟經(jīng)驗(yàn),一些小型煤礦的燈房?jī)?nèi)也設(shè)置了檢測(cè)用的標(biāo)準(zhǔn)氣,對(duì)百盞以下的礦燈,一條3m長(zhǎng)的氣管即可將一個(gè)充電架上(102盞)的礦燈檢測(cè)完畢,連車也不用。筆者希望瓦斯報(bào)警礦燈問(wèn)題得到有關(guān)部門重視，也希望廣大礦工能夠提高安全意識(shí)，好好保護(hù)自己。