一种基于DOAS双采样技术的煤层瓦斯联测系统

摘要

本发明公开了一种基于DOAS双采样技术的煤层瓦斯气体联测系统，包括：痕量瓦斯气体的双采样系统和DOAS双采样检测系统。痕量瓦斯气体的双采样系统包括连个样品气室、气泵和压力表；双采样系统对瓦斯抽放管道里的气体进行连续在线采集，采集的样品气体收集在两个样品气室中。两个样品气室是截面为椭圆形的柱体气室；压力表和气泵的使用使得双采样系统无论瓦斯抽放管道是正压还是负压都可实现对样品气体的正常采集。DOAS双采样检测系统包括光源发生器、分光器、接收器、光谱仪和CCD光电耦合器、数据采集卡和工控机。检测系统对两个样品气室中的气体利用DOAS技术进行检测分析，同时测量样品气体中的He、Ar、CH

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层瓦斯的联测系统，尤其涉及一种基于DOAS双采样技术的煤层瓦斯联测系统。 

背景技术

在煤矿井下作业，由于受地质条件、环境及有害有毒气体的影响，各种矿难事故频繁发生，对生命与财产造成了严重的破坏性。特别是瓦斯，瓦斯是贮存在煤层中的烃类气体，主要成分是甲烷CH₄，是易燃易爆的气体，对煤矿的安全生产有着重大的威胁。为了保障煤矿工作人员的生命安全，需要对煤矿瓦斯的浓度进行实时监控。 

目前，对煤矿瓦斯的测量主要是测量甲烷CH₄的涌出量作为预警瓦斯突出的指标，这样的测量误报率高。而且对瓦斯气体进行测量时，只使用一个样品气室。仅用一个样品气室，单个样品的波动对最终的测量结果影响比较大。并且，现有技术在检测时，是先采样瓦斯气体样品，再测量瓦斯含量，这样就导致了测量并不是实时性的，不能及时的反应瓦斯突出的状态。 

此外，现有技术对煤矿瓦斯是以测量甲烷CH4为主，对瓦斯气体当中的其他成分均未考虑。实际上，甲烷CH4尽管是瓦斯的主要成分，但是瓦斯还含有硫化氢H₂S、二氧化碳CO₂、氮气N和水汽，以及微量的惰性气体，如氦He和氩Ar。在煤矿的开采当中，氦He是应力强度的一种标志，氩Ar是应力释放与煤体破裂程度的标志。因此，仅仅测量瓦斯气体中的甲烷CH4，是无法反应出煤层当中应力的迁移变化的。 

因此，本领域的技术人员致力于开发一种煤矿瓦斯的监测系统，同时对瓦斯气体中的甲烷CH4、氦He和氩Ar的浓度进行实时监测，以这三个指标来实现对瓦斯突出的预警。 

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用DOAS（Differential Optical Absorption Spectroscopy差分吸收光谱）技术和双采样技术对煤层瓦斯气体进行联测的系统。 

为实现上述目的，本发明提供了一种基于DOAS双采样技术的煤层瓦斯联测系统，其特征在于，包括痕量瓦斯气体双采样系统和DOAS双采样检测系统； 

所述痕量瓦斯气体双采样系统与所述煤层中的瓦斯抽放系统相连，用于对所述煤层中的瓦斯气体进行采样，并且同时采样出两份样品气体：第一样品气体和第二样品气体； 

所述DOAS双采样检测系统用于对所述痕量瓦斯气体双采样系统中采样的所述第一样品气体和所述第二样品气体进行检测。 

进一步地，所述痕量瓦斯气体双采样系统包括第一样品气室（8）、第二样品气室（9）、压力表（6）、气泵（7）、管道（10）和若干阀门； 

所述第一样品气室（8）用于保存采样出的所述第一样品气体；所述第二样品气室（9）用于保持采样出的所述第二样品气体； 

所述管道（10）的一端与所述瓦斯抽放系统的预留接口通过所述阀门（41）连接，另一端与所述气泵（7）通过所述阀门（46）连接，所述第一样品气室（8）通过所述阀门（42）与所述管道（10）连接；所述第二样品气室（9）通过所述阀门（44）与所述管道（10）连接；所述管道（10）上安装有所述压力表（6）。 

所述压力表（6）用于测量瓦斯气体的压力，所述瓦斯气体是正压，所述阀门（46）处于关闭状态；所述瓦斯气体是负压，所述阀门（46）处于开启状态，所述气泵（7）工作，用于抽取所述瓦斯抽放系统中的瓦斯气体。 

进一步地，所述第一样品气室（8）和所述第二样品气室（9）采用截面为椭圆形的柱体气室，以方便使用瓦斯气体对样品气室进行反复的冲洗，不留死角，不残余空气来影响样品的纯度。 

进一步地，所述DOAS双采样检测系统包括：光源发生器、分光器、接收器、光谱仪和CCD光电耦合器、数据采集卡和工控机； 

所述光源发生器用于产生红外光源； 

所述分光器用于将光源分成两束； 

所述接收器用于收集经过所述第一样品气体和所述第二样品气体的光束； 

所述光谱仪用于将光束转换为光谱； 

所述CCD光电耦合器、所述数据采集卡和所述工控机用于进行光谱的采集分析。 

进一步地，所述DOAS双采样检测系统是按照以下步骤检测的： 

步骤一，所述光源发生器产生红外光源； 

步骤二，准直所述红外光源； 

步骤三，使用所述分光器，将经过准直后的所述红外光源分层两束平行光：第一光束和第二光束； 

步骤四，将所述第一光束通过所述第一样品气体，将所述第二光束通过所述第二样品气体； 

步骤五，使用所述接收器接收穿过所述第一样品气体的所述第一光束和穿过所述第二样品气体的所述第二光束； 

步骤六，将所述接收器接收到的光束导入光谱仪，并且利用所述光谱仪将接收到的光束分成光谱； 

步骤七，使用所述CCD光电耦合器、所述数据采集卡和所述工控机按照DOAS方法计算瓦斯气体中氦He、氩气Ar和甲烷CH₄的浓度。 

进一步地，所述光源发生器采用红外发光二极管。使用红外发光二极管，具有单色性好、光谱窄等优点，并且LED光源还具有功耗小，寿命长体积小，便于安装和维护，发热量低，安全性好等优点。 

进一步地，所述分光器包括分束镜和反射镜。 

进一步地，所述接收器采用中红外半导体光电二极管探测器。使用红外半导体光电二极管探测器具有宽带光谱响应，实时性好，灵敏度高等优点。 

在本发明的较佳实施方式中，联测系统包括两个部分：痕量瓦斯气体双采样系统和DOAS双采样检测系统。痕量瓦斯气体双采样系统是针对瓦斯抽放管道里的气体进行连续的在线采集，采集的样品气体收集在两个样品气室中。DOAS双采样检测系统对两个样品气室中的气体进行检测分析，同时测量样品气体中的He、Ar、CH₄的含量。 

本发明的基于DOAS双采样技术的煤层瓦斯气体的联测系统，由于其同时，本发明还具有一下优点： 

1、本发明对样品气体使用的是双采样系统，可以同时对两份样本进行采样分析。 

2、本发明的样品气室采用的是截面为椭圆形的柱体气室而不是现有技术中使用的圆柱形钢管焊接的气室，这样气室的边缘没有死角，使用样品气体对气室进行反复冲洗时，没有死角，冲洗的更快速、干净，不会因为残留其它而影响样品其它的成份。 

3、本发明的样品双采样系统中包含了压力表和气泵，无论瓦斯抽放管道里是正压还是负压都可以实现对样品气体的采集。 

4、本法主要测量的是样品气体中的He、Ar、CH₄的含量。由于He是应力强度的一种标志，而Ar是应力释放与煤体破裂程度的标志，因此可以据此建立瓦斯突出的He、Ar预警指标，再加上同时监测CH4的浓度变化，三个指标一起来实现对瓦斯突出的预警。将He、Ar、CH₄一起作为预警指标时，当发生突出前，煤体没有完全破裂，CH4的浓度很小，但是由于应力的变化，He的含量会急剧增加。当应力释放后，Ar气浓度会大大增加，代表了应力的消除。因此，单纯把瓦斯量作为预报的指标是有一定的不可靠性，瓦斯涌出量对应力的反映比He要滞后得多。 

5、本发明采用DOAS方法，同时对He、Ar、CH₄的含量进行测量。该方法测量速度和精确度比传统瓦斯传感器要好的多，而且可以实现实时在线连续监测。 

6、本发明同时对两个样品气室中的样品进行测量，对测量结果进行数据拟合，避免了单样本测量结果的波动，降低了误报率。 

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。 

附图说明

图1是本发明的一种基于DOAS双采样技术的煤矿瓦斯联测系统的痕量瓦斯气体双采样系统的结构示意图； 

图2本发明的一种基于DOAS双采样技术的煤矿瓦斯联测系统的DOAS双采样检测系统的检测流程图； 

图3是本发明的一种基于DOAS双采样技术的煤矿瓦斯联测系统的DOAS双采样系统的准直光源的示意图； 

图4是本发明的一种基于DOAS双采样技术的煤矿瓦斯联测系统的DOAS双采样系统的分光器的工作原理示意图； 

图5是利用DOAS方法进行气体检测的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

本发明的基于DOAS双采样技术的瓦斯气体联测系统包括痕量瓦斯气体的双采样系统和双采样的DOAS检测系统。痕量瓦斯气体的双采样系统与瓦斯抽放系统连接，用于对煤层瓦斯抽放系统的瓦斯气体样品进行采 样，并且同时采样两个样品气体，即第一样品气体和第二样品气体。如图1所示，痕量瓦斯气体的双采样系统从煤层1中的瓦斯抽放管道3中采样气体样本，其中2是封泥孔，5是瓦斯主抽放管道。痕量瓦斯气体的双采样系统包括管道10、若干阀门、压力表6、气泵7、第一样品气室8和第二样品气室9。双采样系统的管道10的一端通过连接阀门41与瓦斯抽放管道3预留的接口连接，管道10的另一端通过气泵阀46与气泵7连接。第一样品气室8的输入端通过第一样品气室进气阀门42与管道10连接，第二样品气室9的输入端通过第二样品气室进气阀门44与管道10连接；第一样品气室8的输出端与第一样品气室出气阀门43连接，第二样品气室9的输出端与第二样品气室出气阀门45连接。第一样品气室8和第二样品气室9的两端与双采样的DOAS检测系统连接。在管道10上还安装有气压表6。 

痕量瓦斯气体的双采样系统在对瓦斯抽放管道3中的瓦斯气体需要将连接阀门41打开。并且，对管道10中的瓦斯气体使用压力表6进行压力检测。当压力表6显示为正压时，打开第一样品气室进气阀门42、第一样品气室出气阀门43、第二样品气室进气阀门44和第二样品气室出气阀门45，让正压瓦斯气体反复冲洗第一样品气室8和第二样品气室9；然后先关上第一样品气室出气阀门43和第二样品气室出气阀门45，后关第一样品气室进气阀门42和第二样品气室进气阀门44，以获得瓦斯气体样品。当压力表6显示为负压时，打开气泵阀46和气泵7，将瓦斯气体从瓦斯抽放管道3的预留孔内抽出，然后打开第一样品气室进气阀门42、第一样品气室出气阀门43、第二样品气室进气阀门44和第二样品气室出气阀门45，同样对第一样品气室8和第二样品气室9反复冲洗数次，最后先关上第一样品气室出气阀门43和第二样品气室出气阀门45，后关第一样品气室进气阀门42和第二样品气室进气阀门44。 

并且，本发明为了方便瓦斯气体对第一样品气室8和第二样品气室9的反复冲洗，且不留死角，不残余空气来影响样品气体的纯度，将第一样品气室8和第二样品气室9由方形或圆柱形的气室改为截面为椭圆形的柱体气室。 

DOAS双采样检测系统用于对采集到样品气室中的瓦斯气体进行检测，主要分析瓦斯气体中氦He、氩气Ar和甲烷CH₄的浓度含量，进而进行瓦斯防突预测和煤层应力变化的预测。 

在本发明中，DOAS双采样检测系统包括：用于产生光谱吸收所需要的红外光源光源发生器；将光源分成两束的分光器；，分别收集通过两个 待检样品气体后被衰减的光束的两个接收系统；光谱仪；以及用于的CCD光电耦合器、数据采集卡禾和工控机。 

本发明的DOAS双采样检测系统是按照图2所示进行检测的： 

步骤一，光源发生器产生光谱吸收所需要的红外光源。在本实施例中，光源发生器采用红外发光二极管。采用红外发光二极管，具有单色性好、光谱窄等优点。并且,LED光源还具有功耗小，寿命长等优点。LED光源体积小，便于安装和维护，并且光源属于冷光源，发热量低，安全性好。 

步骤二，准直红外光源：在本实施例中，选用2个球面凸透镜：第一凸透镜A和第二凸透镜B，将第一凸透镜A和第二凸透镜B平行放置，并且第一凸透镜A的焦点和第二凸透镜B的焦点重合。如图4所示，红外光源21经过第一凸透镜A折射，大部分光线聚集到第一凸透镜A的焦点，光线通过焦点继续传输，通过第二凸透镜B的出射光22就是平行射出的。 

步骤三，使用分光器将准直之后的红外光源分成两束平行光：第一光束和第二光束。在本实施例中，分光器采用一个分束镜和一个反射镜，如图5所示，分束镜51和反射镜52均与水平成45度角放置，分束镜51放置于反射镜52的上方，准直后的红外光源22通过分束镜51分成两束：一束为第一光束23，一束则经过反射镜52反射后成为第二光束24。 

步骤四，将第一光束23通过第一样品气室的气体，即第一样品气体；将第二光束24通过第二样品气室的气体，即第二样品气体。 

步骤五，接收器接收穿过第一样品气体的第一光束和穿过第二样品气体的第二光束。在本实施例中，接收器采用中红外半导体光电二极管探测器，中红外半导体光电二极管探测器具有宽带光谱响应，实时性好，灵敏度高等优点。 

步骤六，将接收器接收到的红外光通过光纤导入光谱仪，并且光谱仪利用光栅将接收到的光束分成光谱。 

步骤七，使用所述CCD光电耦合器、所述数据采集卡和所述工控机按照DOAS方法计算瓦斯气体中氦He、氩气Ar和甲烷CH₄的浓度。首先对光谱进行摄谱，并将其转换成电信号，经过模数转换送入计算机进行处理，得到相应波段的光谱图，并根据光谱图中包含的被监测光程中污染气体的吸收特性，即DOAS方法求解瓦斯气体中氦He、氩Ar和甲烷CH₄的浓度。 

DOAS方法是基于Lambert-Beer定律的光谱监测技术。Lambert-Beer定律为 

I(λ)＝I₀(λ)F(λ)exp(-LCσ(λ))。 

其中，I₀(λ)为光源发出的光强度,I(λ)为经过光程L的透过强度,C表示吸收成分的浓度,σ(λ)是相应的吸收截面,F(λ)代表了由于大气分子散射,光学系统透过率等引起的强度下降,是没有特征的宽带结构,λ表示波长。 

DOAS方法具体如图5所示，光源经过第一样品气室的气体浓度为C_A，光源经过第二样品气室的气体浓度为C_B，I₀(λ)和F(λ)是已知的，引入差分吸收密度D(λ)： 

D_A(λ)＝ln[I₀(λ)/I_A(λ)]＝L_AC_Aσ_A(λ)； 

D_B(λ)＝ln[I₀(λ)/I_B(λ)]＝L_BC_Bσ_B(λ)。 

因此,吸收分子的浓度C_A和C_B为： 

C_A＝D_A(λ)/[L_Aσ_A(λ)]； 

C_B＝D_B(λ)/[L_Bσ_B(λ)]。 

由于对第一样品气室和第二样品气室采用的是相同的光程和吸收界面，将第一样品气室和第二样品气室中分别测得的浓度进行数据拟合，得到最终的氦He、氩Ar和甲烷CH₄的浓度为： 

C_He＝(D_AHe(λ)+D_BHe(λ))/[2*L*σ(λ)]； 

C_Ar＝(D_AAr(λ)+D_BAr(λ))/[2*L*σ(λ)]； 

$C_{{\mathrm{CH}}_4}=(D_{{\mathrm{ACH}}_4}\left(\lambda \right)+D_{{\mathrm{BCH}}_4}\left(\lambda \right))/[2*L*\sigma \left(\lambda \right)].$

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。