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1842023 年第 8 期郑 雪：煤矿硫化氢检测方法研究煤矿硫化氢检测方法研究郑 雪（山东省煤田地质局第五勘探队，山东 济南 250100）摘 要 为了准确获取煤矿井下硫化氢含量，预防其含量超标带来的侵害，基于调节光谱技术，设计一款新型硫化氢检测仪器。该仪器采用波长为 1589 nm 的分布式激光器检测出硫化氢气体，并通过信号的属性转换对煤矿硫化氢进行实时检测。结果表明，仪器测量的硫化氢气体浓度结果可靠，实时检测煤矿采集井硫化氢浓度，测量误差范围 0.10.2 mg/L，能达到煤矿井下硫化氢预防要求。关键词 硫化氢；煤矿资源；调节光谱；瞬态响应；稳定性中图分类号 TD711 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.059Research on the Detection Method of Hydrogen Sulfide in Coal MinesZheng Xue(The Fifth Exploration Team of Shandong Province Coalfield Geological Bureau,Shandong Jinan 250100)Abstract:In order to accurately obtain the content of downhole hydrogen sulfide in coal mines and prevent the harm caused by excessive content,a new type of hydrogen sulfide detection instrument is designed based on adjusting the light spectrum technology.This instrument uses a distributed laser with a wavelength of 1589 nm to detect hydrogen sulfide gas,and conducts real-time detection of coal mine hydrogen sulfide through signal attribute conversion.The results indicate that the concentration of hydrogen sulfide gas measured by the instrument is reliable,and real-time detection of hydrogen sulfide concentration in coal mine collection wells can be achieved with a measurement error range of 0.1-0.2 mg/L,which can meet the requirements for downhole hydrogen sulfide prevention in coal mines.Key words:hydrogen sulfide;coal mine resources;adjust the light spectrum;transient response;stability收稿日期 2023-01-06作者简介 郑雪（1987），女，山东曲阜人，2014 年毕业于德州学院化学专业，本科，工程师，现从事地质实验测试工作。煤矿中硫化氢是危害人体健康的毒气，为快速检测硫化氢气体，做出及时预防，许多专家学者针对此开展相关研究。曾永达等人1对硫化氢检测方法和原理进行归纳总结，对其中的物理方法以及化学方法进行分析得出最优的检测方法，并且对检测仪器发展现状进行综述。周田田2对含硫油气开采问题进行研究并在此基础上对硫化氢危害进行了更为详细的分析，并对其产生原因归纳总结，提出应急管理办法。刘美等人3基于工业生产导致的恶劣环境，通过无线传感器网络设计一款新型硫化氢检测仪，并测试该仪器的具体功能效益。本文以探究硫化氢的检测方法为目的，通过测量原理和试验系统分析对试验方法和仪器进行结果分析，并进行仪器稳定性测试，得出该方法的相对误差，研究该硫化氢检测方法的推广价值。1 煤矿概况瓮安煤矿为兼并重组保留矿井，矿井于 2020年 5 月取得贵州省国土资源厅颁发的采矿许可证，矿井生产规模为 90 万 t/a，开采方式为地下开采，矿区面积 27.508 1 km2，开采深度+1395+600 m，有效期限 2020 年 05 月2032 年 05 月。矿区范围由 30 个拐点圈定，呈不规则多边形。2 煤矿硫化氢危害及来源我国是主要煤炭使用国之一，我国煤矿资源丰富，但煤炭过度开发也导致我国环境受到危害。硫化氢为气态，无色且有毒，在空气中极易与氧气接触产生火灾，其具有腐蚀性，危害系数极大。当硫化氢浓度较低时，人体就能感受到呼吸困难；当硫化氢浓度超过 510-5时，就能使人体头晕目眩；当硫化氢浓度超过 110-4时，可直接对人体带来损伤并威胁生命。硫化氢一般来自工业产生的废气之中，属于人1852023 年第 8 期郑 雪：煤矿硫化氢检测方法研究为因素，另一种是煤矿、石油的开采产生，属于自然因素，主要源于硫化矿物水解、煤体内部以及其他来源。3 测量原理和试验系统分析3.1 Beer-Lambert 定律本文基于 TDLAS 技术4，对发生光谱进行技术分析，依据 Beer-Lambert 定律通过对波长的调节，从而对气体进行定量分析。由于气体本身组织结构构成决定了气体的物理特性，这导致特定波长能够与其实现共振，从而形成波长范围，并通过吸收光谱来判断气体成分。由于气体浓度决定气体微小粒子数量，且粒子浓度与粒子损失成正比，因此可通过吸收光强度衰弱情况来判断气体浓度的变化，其吸收光谱测量如图 1。图 1 吸收光谱测量图3.2 调节光谱技术基于 Beer-Lambert 定律的验证，虽然其可以较为准确表达气体浓度和光的强度之间的关系，但当气体浓度低于一定值时，依然存在测量错误现象的发生。为解决该问题，可采用波长调节光谱的技术进行气体检测，其原理主要是通过激光驱动的形式加载一条高频率信号，该信号具有周期性，当信号经过气体介质后被吸收，进而通过放大器进行调节，从而得到相关谐波信号，示意图如图 2。在波长调节光谱技术中，目标信号属于被调节对象，因此低频噪声只有通过放大器，之后被过滤掉，才能提升信噪比。其他条件不变时，谐波信号随气体浓度升高而升高。当准备工作完成后，便可进行硫化氢检测过程。图 2 调节光谱技术测量图3.3 试验系统由于硫化氢气体在不同波段会有不同的吸收峰，尤其是在 1589 nm 波段时，吸收峰较强，该情况下温度为 25，压强为标准大气压，不易受到其他气体影响。试验过程如图 3，试验系统主要由激光温控和电流驱动以及激光器、探测器等仪器组成，最后将数据输入到计算机进行计算。图 3 系统过程示意图该系统流程主要以激光器为核心板块，通过控制 DFB 激光器运行过程，包括电流输出和温度，使仪器一直维持在吸收波较强的波段，并以此通过调节仪器周期性来驱动激光器工作。经过该阶段流程后，经过探测器，探测器将信号的光属性转化为电属性，通过数据采集和运算并经过 MCU 控制显示器转到计算机上。为了进一步提升仪器光的吸收概率，本文设置如图 4 所示的气室，该气室可以在数学几何理论下限制气室光程的增加程度。由图 4 可知，该仪器两边具有放射镜（凹面镜），由于其具有聚焦的功能，可以有效提升光的吸收能力，提升吸收信号能力。图 4 气室结构示意图4 结果分析4.1 标定结果和瞬态响应分析仪器测量值随谐波高度增加而增加，因此测量前需对仪器进行离线标定，其激光的透射信号表达式：()()()0ttcos tIIva=+（1）式中：I（t）为激光的透射信号；I0（t）为初始激光的透射信号；、v和 a 为透射率、扫描信号平均频率（cm-1）和调节幅度（cm-1）；为调节频率（cm-1）。结合煤矿巷道背景，其甲烷和二氧化碳含量较低，因此在实际施工中，产生的硫化氢相1862023 年第 8 期对较少，甚至可以忽略不计。因此在标定过程中，结合氮气的背景下对硫化氢进行标定。基于室内试验，利用质量混合气体仪器制出质量浓度不同的硫化氢气体进行标定，本文选用的硫化氢气体浓度分别为 0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、10 mg/L 以及 20 mg/L，具体情况如图 5（a）。标定完成后通入浓度分别为 3 mg/L、8 mg/L 以及 16 mg/L 的硫化氢气体，进行误差分析，具体情况如图 5（b）。（a）标定结果（b）相对误差分析图 5 硫化氢标定结构和误差分析由图 5（a）可知，基于试验系统检测出的硫化氢气体浓度与实际硫化氢气体浓度相差不大，属于较为稳定的直线段内，说明仪器标定准确率较高。由图 5（b）可知，当通入浓度分别为 3 mg/L、8 mg/L 以及 16 mg/L 的硫化氢气体进行相对误差分析，其中通入硫化氢气体浓度为 16 mg/L 时检测的硫化氢气体浓度结果相差最大，而通入硫化氢气体浓度为 8 mg/L 时检测的硫化氢气体浓度结果相差最小，相对误差无明显变化规律，但误差值基本维持在 2%以内。为研究仪器瞬态响应特性，基于初始试验步骤，将质量浓度分别为 3 mg/L、8 mg/L、15 mg/L 以及 20 mg/L 的硫化氢气体通入 600 s，如图 6（a）所示，010 min、1020 min、2030 min以及 3040 min 分别对应通入 3 mg/L、8 mg/L、15 mg/L 以及 20 mg/L 的硫化氢气体，其具体误差值如图 6（b）。（a）瞬态响应结果（b）相对误差示意图图 6 瞬态响应结果和误差分析由图 6（b）可知，瞬态响应特性所示误差示意图，其误差范围维持在 2%以内，表明硫化氢检测仪器的瞬态响应误差值较小，且误差范围较为稳定，短时间内可维持在稳定的波动范围。4.2 稳定性测试仪器的标定结果和瞬态响应确定较为稳定后，仪器的整体稳定性也是检测硫化氢准确率的重中之重。本文基于实际工况对瓮安煤矿监测采集井上隅角和采空区气体浓度进行检测，设置气室基本条件，该气室的密闭性良好，其温度维持在 25，并在气室设置一个标准大气压，之后利用流量平台分别将上隅角和采空区的硫化氢气体通入气室，并对该仪器进行 3 d 的测试。在此期间，关闭气室阀门，观测仪器测量数据变化情况和程度。试验变化结果如图 7。图 7 硫化氢稳定性结果分析由图 7 可知，上隅角和采空区的硫化氢在 3 d1872023 年第 8 期郑 雪：煤矿硫化氢检测方法研究的时间变化中，仪器的测量结果波动总体较小，且基本维持在稳定区间。其中上隅角和采空区的硫化氢的测量值分别为 2.2 mg/L 和 5.7 mg/L，其测量值上下波动较小，且误差范围在 0.10.2 mg/L，基本处于稳定区间。基于仪器稳定性测试不难发现，该仪器的测量结果较为稳定。在氮气单独背景下，测量结果误差范围维持在2%以内；基于实际工况，面对复杂的气体环境，其测量稳定性依然较强，在长时间的测量情况下，误差范围在 0.10.2 mg/L，说明该硫化氢检测方法值得推广。5 结论本文主要研究硫化氢的检测情况，并以硫化氢本身的危害为研究背景，通过测量原理和试验系统分析对硫化氢测量方法和仪器进行标定结果和瞬态响应分析以及仪器稳定性测试，得出该仪器方法的相对误差，得出以下结论：1）基于仪器测量的硫化氢气体浓度与实际硫化氢气体浓度相差不大，并且其相对误差值最小，无明显变化规律，但误差值基本维持在2%以内。2）硫化氢检测仪器的瞬态响应误差值较小，且误差范围较为稳定，短时间内可维持在稳定的波动范围，相对误差范围维持在 2%以内。3）基于瓮安煤矿监测采集井，3 d 仪器测量结果波动总体较小，且基本维持在稳定区间，上隅角和采空区的硫化氢的测量值分别为 2.2 mg/L 和 5.7 mg/L，误差范围在 0.10.2 mg/L。硫化氢检测方法不受外部环境变化而影响其检测准确率。【参考文献】1 曾永达，黄国家，李悦.硫化氢气体检测方法及其传感器研究发展现状 J.理化检测，2019，55（07）：827-832.2 周田田.含硫油气井中的硫化氢气体检测和防护应急程序 J.中国石油和化工标准与质量，2021，14（02）：39-43.3 刘美，方湃盛，冼永文.基于 WSN 的便携式硫化氢检测仪设计J.自动化仪表，2013，34（06）：89-94.4 梁庆华.矿井瞬变电磁法在煤矿中的探测方法及异常特征分析 J.矿业安全与环保，2015，42（02）：72-75.（上接第 180 页）【参考文献】1 蔡美峰，李春雷，谢谟文，等.北洺河铁矿开采沉陷预计及地表变形监测与分析 J.北京科技大学学报，2008（02）：109-114.2 廖宝泉，柯愈贤，方立发，等.膏体充填开采覆岩移动变形规律研究 J.有色金属科学与工程，2022，13（03）：99-105.3 张元.晋平煤业条带充填开采方案比选分析 J.山东煤炭科技，2022，40（03）：170-172.4 钟凯，雷薪雍，宋英明.建筑物下煤矸石充填开采技术及实践 J.能源与环保，2022，44（03）：270-275+281.5 杨岗，杭远，张进川，等.膏体充填开采覆岩破坏数值模拟研究 J.中国煤炭地质，2021，33（S1）：56-60.6 李海龙.厚煤层边角煤膏体条带充填开采技术工艺研究 J.山东煤炭科技，2021，39（06）：39-41.（上接第 183 页）2）该次瞬变电磁物探解译摒弃通常采用的二维平面解译法，采用更高精度的三维立体解译方式，将立体解译图采取切片的方式更直观地呈现出来，清晰明确、简单易懂。【参考文献】1 史雅欣.工作面全方位瞬变电磁探测水害技术应用 J.能源与环保，2020，42（11）：21-24.2 王丛山，张旭，杜习成.矿用本安型瞬变电磁仪在矿井超前探的应用 J.山东煤炭科技，2017（02）：152-154.3 张旭，王丛山，杜习成.星村煤矿瞬变电磁物探解译实例剖析 J.科技资讯，2017，15（25）：80-81.4 王宇，闫圆圆，孙文斌.基于 ParaView 的矿井瞬变电磁超前探测三维可视化研究 J.甘肃科技，2022，38（02）：70-72.5 孙琦峥.超前瞬变电磁探测技术研究及工程实践J.山东煤炭科技，2022，40（02）：165-167.