附录B 外文原文
The Role of Gas Monitoring in the Prevention and Treatment of Mine Fires
Darren Brady
ABSTRACT: Queenslandrsquo;s underground coal industry, as a whole, has arguably the best gas monitoring systems in the world. Each mine utilises real time, tube bundle and onsite ultra fast gas chromatograph systems. Queenslandrsquo;s mining legislation has specific requirements for mine gas monitoring but there is no requirement for all three techniques. Industry has however identified the need for all three and adopted this as a standard, resulting in over sixty thousand gas results collected each day. Automated monitoring systems are programmed to alarm for gas concentrations, gas ratios and explosibility. These alarms are then used to initiate predetermined actions to take control of the situation and prevent the compromise of safety to workers and the loss of resources. Dedicated software packages have been developed to assist in the interpretation of the large volume of results generated. The real time systems are used for real time warning, essential for incidents such as belt fires. Tube bundle systems suit long term trending used for identification of the onset of spontaneous combustion or for the determination of explosibility during the routine sealing of worked areas. Gas chromatograph analysis is used to provide a complete analysis and provides results for hydrogen and ethylene, key gases used in the assessment of spontaneous combustion. It is also crucial during significant spontaneous combustion events and coal fires to use gas chromatography to determine the explosibility status of the underground atmosphere otherwise the severity of the situation is likely to be under estimated. This paper outlines the need for all three techniques for assessing the underground status and outlines advantages and disadvantages of each.
INTRODUCTION
The underground mining industry in Queensland, Australia is internationally recognized as having the best mine gas monitoring systems. These systems are the result of nearly 20 years of ongoing development and follow recommendations from inquiries into explosions at underground coal mines in Queensland and subsequent changes to mining legislation.
Each underground coal mine in Queensland utilises real time (telemetric), tube bundle and onsite ultrafast gas chromatographs (GC) to meet their gas monitoring requirements. The industry has realised that all three techniques are necessary for effective monitoring of the minersquo;s atmosphere. Each technique has advantages and disadvantages which must be known to those using the systems and those using the results to interpret the status of the underground environment.
Monitoring on its own will never prevent a mine fire or put it out if it starts. What it does offer is a means of identifying a problem early and subsequently an opportunity to take appropriate controlling actions. The earlier a problem is identified the better the chance of successfully dealing with the problem. The best chance of getting an early warning is by continual monitoring.
The successful application of mine monitoring systems requires the setting of appropriate alarms that trigger effective remedial actions. The mine must also implement effective maintenance and calibration procedures to ensure reliable ongoing operation of the mine gas monitoring systems if they rely on them for this early warning or in fact use results to assess any control measures they might implement during an event.
MONITORING TECHNIQUES
Real Time Monitoring
Real time sensor systems (telemetric systems) are ideal for telling us what is happening now. The sensors must be located where the gas needs to be measured, and the measurement signal is sent to the surface. This means having multiple sensors underground, and that these sensors are exposed to the harsh underground environment which is not ideal for precise analytical measurements. This is not really a major problem as these systems are used to detect step changes, such as the onset of a fire, a sudden increase in a seam gas in the general body or reduction in oxygen. They offer real time warning and are the best system for identifying a sudden event such as a belt fire. The situation is reported when it happens. Generally, sensors included are methane, carbon monoxide, carbon dioxide, and oxygen.
These types of sensors employed underground tend to have limited measuring ranges: carbon monoxide is often only capable of being measured up to 50 ppm, methane to 5 % and carbon dioxide to several percent. This range is fine while no problems exist, and indeed to alert the onset of a problem. But if a fire or other major incident involving generated gases occurs, these sensors may quickly reach full scale and be unable to return a true indication of the concentrations.
Due to the environment these sensors are in and their characteristics, they are not as useful for long term trending as the other techniques. Most of these sensors require the presence of oxygen to work and are therefore unsuitable for monitoring areas of low oxygen concentration such as sealed or non ventilated goaves.
As each individual sensor needs to be calibrated regularly (at least monthly) they are not suited to being located for long term monitoring in inaccessible areas such as the goaf.
Some of these sensors also suffer from cross sensitivities, as the reactions they rely on to give a response can be common to other gases found underground, such as carbon monoxide sensors being cross sensitive to hydrogen sulphide and hydrogen.
In the case of an explosion it is likely that the real time monitoring system will be rendered inoperable, requiring other techniques for the determination of the status of the underground envi
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附录A 译文
气体监测在防治矿井火灾中的作用
达伦·布雷迪
摘要：昆士兰的地下煤炭工业作为一个整体，可以说是世界上最好的天然气监测系统。每个矿井都使用实时、管束和现场超快气相色谱系统。昆士兰矿业立法对矿井气体监测作出具体要求，但对这三种技术都没有要求。然而，工业上已经确定了这三种方法的必要性，并将其作为一种标准，每天收集超过6万份气体结果。自动监测系统被设定为气体浓度、气体比率和爆炸警报。当警报拉响时会采取预先准备好的措施，以控制局势并防止威胁到工人的安全和造成资源的损失。此外还专门开发了软件包，以协助处理大量的数据结果。实时系统被用于实时报警，对于连环火灾和控制火势的蔓延是必不可少的。管束系统能在燃烧一开始就将其探测到，或者在工作区域的常规密封过程中检测其爆炸性。气相色谱分析法，是对氢气和乙烯进行完整的分析，以对自燃的可能性进行关键评估。在重要的自燃事件和火灾中，使用气相色谱法测定地下大气的爆炸性状态也是至关重要的，否则，可能会低估这种情况的严重程度。本文概述了评估地下状态的三种技术的必要性，并比较了每种技术的优缺点。
引言
澳大利亚昆士兰的地下采矿工业被国际公认为拥有最好的矿井气体监测系统。这些系统是近20年来持续发展的结果，并遵循了来自昆士兰地下煤矿爆炸调查的建议，以及之后的采矿修改法案。
昆士兰的每一个地下煤矿都利用实时（遥感勘测）、管束和现场超快气相色谱（GC）来满足其气体监测的要求。该行业已经认识到，这三种技术都是有效监测矿井气体的必要手段。每种技术都有其优点和缺点，这些优点和缺点必须通过使用系统和其分析出的能说明地下环境状况的结果才能体现。
矿井监控永远不可能避免矿井火灾，或是发生火灾时自动扑灭它。它所提供的是一种及早发现问题的方法，随后是采取适当控制措施的机会。越早发现问题，就越有可能成功而安全地解决这个问题。要想得到及时预警的最好办法，就是不断的监测。
矿井监测系统的成功应用得益于设置合理的警报，从而触发有效的施救行动。它们依赖于监测系统的早期预警，或者根据实际结果来评估在一次事件中可行的施救措施。因此，该矿井还必须执行有效的维护和校准程序，以确保矿井气体监测系统的持续运行。
监测技术
实时监测
实时传感器系统（遥感勘测系统）是告知我们当前实时状况的理想方法。传感器必须置于被测气体中，测量信号被发送到地面以供查验。这意味着在地下应有多个传感器，这些传感器暴露在恶劣的地下环境中，这对于精确的分析测量来说并不理想。但这并不是一个主要的问题，因为这些系统被用来检测环境状态的变化，比如火灾的发生，或者矿井里突然地煤气增加或者氧气减少。它们提供实时预警，是识别火灾等突发事件的最佳系统。当险情发生时，情况就会报告出来。一般来说，这些传感器包括甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器和氧气传感器。
在地下使用的这些传感器的测量范围是有限的：一氧化碳传感器通常只能测量到50ppm的气体浓度，而甲烷和二氧化碳也只能测量到百分之几的浓度。这个监测范围，能够有效地对险情做出警报，但是，如果发生火灾或者其他涉及产生气体的重大事件，这些传感器可能会迅速达到最大量程，无法反馈真实的浓度指标。
由于这些传感器所处的环境及其特点，它们长期使用的性能并不像其他技术一样优秀。这些传感器大多需要依靠氧气来工作，因此不适合监测氧气浓度低的区域，比如密封的环境或者不通风的采空区。
由于每一个传感器都需要定期校准（至少每月一次），因此它们不适合工作在长期无法进入的区域，如采空区。
其中一些传感器也可能会受到被测气体以外的其他气体影响，因为传感器对这些气体的反应都大致相同，比如一氧化碳传感器对硫化氢和氢气敏感。
在发生爆炸的情况下，实时监测系统很可能无法运行，需要其他技术来确定地下环境的状态。
昆士兰州的《煤矿安全与健康条例》(2001)第7部分概述了对矿井的要求，该系统提供了一个气体监测系统，可以在指定地点连续监测甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氧气。要求连续监测而不是频繁地监测，这是是以前就规定的。它推动了对实时系统的要求，也使得该技术成为了立法中唯一的技术。
管束
管束系统利用真空泵从地下指定的取样地点抽取气体样本，并利用红外和顺磁技术进行顺序分析。被测气体是一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氧气。
因为分析器在地面上，管子可以像以前一样定位在采空区，没有要求进入最终取样点（尽管在需要维修的时候，样品过滤器和水阱会需要维修）。
管束系统适合长期使用（只要系统适当维护）。优秀的分析设备是必须的。并且，在分析之前，设备应安置在专用的空调房中；样品应先干燥并且经过微粒过滤器过滤。
一般来说，系统是用来测量氧气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的。考虑到它们测量一氧化碳的能力达到1ppm，以及这些分析设备的长期稳定性和频繁使用性，这项技术对一氧化碳长期监测来说是很有优势的，能很好地用来探测自燃事件。在测量范围方面，通常只有一氧化碳才会出现问题，大多数系统只能测量到1000ppm。因为甲烷和氧气的浓度可以通过所有预期的浓度范围来测量，所以这种技术是相当出色的，只要火灾或高温不存在，就能自动监测一个区域的可爆炸性。该技术在封闭环境下以及任何自燃事件刚发生时，最适合监测爆炸性。
为了得到这种更好的稳定性和分析能力，其结果的实时性就牺牲了一些。在进行分析之前，样品需要被绘制到地面，这意味着所生成的数据可能来自于一个多小时之前采集的样品。只有一组分析器，所以每次只分析一个样本。根据系统中管道的数量和程序的采样序列，每个点只能在每30到60分钟取样一次。将此添加到从地下抽取样品的时间，可能长达一个小时，很明显，这种技术不适合瞬间检测火灾等事件。
为了尽量减少样品分析的延迟时间，即使没有对取样地点进行分析，也会通过清洗泵把取样的气体排放到大气中，从而飘散到地面。通过这些吹扫泵抽出多个点，重要的是平衡每个管道的流量，以确保每个管道都被净化，而不仅仅是阻力最小的管道。
由于这些系统中的分析器依赖于红外吸收和顺磁引力，所以对于气体环境不重要，这使得该技术适合于分析采空区等氧气耗尽区域的气体。但必须记住的是，使用顺磁分析器测量氧气的是流量，每个管道的流量必须保持平衡，包括使用的任何校准气体。否则它可能实际上两个位置可以有相同的氧浓度，却因为一个管道存在更大的阻力，流经分析器的是流量较低的管道。这会导致不精确的结果。
在澳大利亚的“AS2290.3电气设备用于煤矿的维修和检修”标准中，对管道的维护常常被忽略，甚至忽略了每月的泄漏检测。以及未按该标准规定执行，或者干脆不执行。如果遵循该标准中讲述的方法进行维护，不仅可以确认有没有泄漏，而且还可以确定样品到达地表的大致时间。每一管的绘制时间对于充分评估当前的状态，以及紧急情况实际发生的时间是至关重要的。
在发生矿井爆炸的情况下，管束监测系统也许仍然具有功能，但由于管道受损，管道取样的位置可能不相同。一个好的管束系统将包括对每个管道的真空压力的监测。因此，在爆炸之后，这些数据可以用来确定一个管道是否被破坏了。在常规操作过程中，它也可以用于识别管道中额外的阻塞或突然的泄漏，这两种情况都可能危及系统的运行。
如果管道被损坏而没有提供任何有价值的信息，则可以利用钻孔并将新管道连接到需要的位置，因为地表设备仍然是可操作的（在取样管的两端安装了阻火器）。
管束系统的另一个主要优点是，它可将样品绘制到地面任何需要进一步分析的场所，如GC，不需要任何额外的地下装备来收集样品。这在紧急情况下尤其有利，因为人员可能已从矿上撤出，并禁止重新进入。
气相色谱法
气相色谱法，涉及到气体分析和所有样品成分的分离，其次是对相对非特异性的检测器进行测量。特异性是通过分离过程而非检测得到的。
GC的使用扩展了分析能力，包括对自燃事件的解释，特别是乙烯和氢气。GC提供了对地下气体的完整分析，是三种测量氢气、氮气、乙烯和乙烷的技术中唯一的一种。氮的测定对于确定某些自燃燃烧反应比的氧气缺少量尤为重要。
与管束相似，将样本带到GC中存在问题。时间延误在获得结果上的重要性取决于所使用的结果。由于样品采集与分析之间的时间延迟，GC不适合检测火灾，但是延迟可以确认其他结果或揭示自燃的趋势。
GC并不是低浓度一氧化碳的最佳分析技术，因此这项技术并不是测定一氧化碳的首选方法，也不是测定一般人体所能承受的较低的浓度。然而，在重大的自燃事件、火灾或爆炸之后，它是唯一能让我们准确地确定地下环境情况的技术。
与管束系统一样，样品的气体种类不影响GC分析。只要有适当的校准气体，这项技术就能测量任何浓度超过其检测极限的气体。这解决了其他技术未能解决的问题，特别是一氧化碳浓度超过1000ppm的情况。
昆士兰煤矿使用的超快气相色谱法，可以在大约2分钟内对地下的大部分成分进行分析。由于它们的引进，分析的常规样本的数量显著增加，使得矿井能够对地下特定区域的环境构成全面的背景体系。这种大规模的抽样和分析机制也增加了识别和偏离正常情况的几率，并允许早期干预处理任何已确定的问题。
在紧急情况下，这种加快了的分析速度是非常宝贵的，特别是在评估重新进入的地下气体的安全，或在矿井营救队进入的过程中。在这些情况下，这种评估更有效的是：GC是可现场操作得，可以由我们的人员进行操作。在等待外部供应商到达或将样品从现场运送到实验室进行分析时，能没有延迟地确定地下环境地状态。
技术的比较
使用不同技术在相同的监测位置得到的结果比较如图1-7所示。在图1中可以看到，在1天内收集的氧气的测量结果显示：使用管束的测量值比实时传感器的变化要小得多，而实时传感器在测量之间的变化幅度要大于0.3%。这些变化得出了用于指示或评估自燃的氧气缺失比率，不可靠。
图2中，所收集的甲烷结果在甲烷的多少和两种技术的趋势之间有很好的相关性。虽然在图3中测量的绝对一氧化碳浓度不同，但这两种技术在24小时内的趋势是相同的。这种差异可能是由于两种技术的校准不同，或者是传感器漂移的结果（很可能是实时的）。
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图1 实时vs管束氧气测量 |
图2 实时vs管束甲烷测量 |
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图3 实时vs管束一氧化碳测量 |
图4 管束与GC二氧化碳测量 |
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图5 管束vs GC氧气测量 |
图6 管束vs GC甲烷测量 |
绝对浓度的细微差别是显而易见的，技术收集的数据量的差异是显著的，但是管束数据和GC数据（图4-7）在一个月的时间内显示出非常好的一致性，反映了不断增加和减少的趋势。图7中所示的绝对浓度的差异可能是由于设置仪器响应的校准气体的差异而产生的结果。
图7 管束对GC一氧化碳的测量。
当使用不同技术测量浓度时，会使预置触发阈值的应用复杂化。它还意味着表现趋势的数据只能由一种技术产生，而不是结果的积累。从不同技术的趋势来看，它们应该表明相同的模式。这些测量的差异通常与技术本身有关，但如果在使用每一种技术的校准气体被用于设置仪器响应之前，那就可以将一些问题移开。
实时传感器和管束监测的另一个优点是监测点位于固定位置，从而产生一致的自动采样/测量。当样品被收集到地下进行后续的GC分析时，结果和趋势的变化往往是由于没有从完全相同的地点收集样品，或取样技术差。
气相色谱法是唯一一种测量氮的技术。如前所述，氮被包含在一些用于指示自燃的比率中。这些比率仍然是由其他技术的测量值计算出来的，但是当需要氮值时，假设氮浓度是剩余的，并由计算出的分量和从100减去。这对计算的可靠性和关键的情况来说都有明显的问题，应该用GC结果来计算这些比率。
通常的做法是用其他技术之一来确认任何异常结果，因此在需要对该煤矿自己的单独系统进行比较之前，有必要进行这样的比较。
可燃性评估
在煤火或高温的情况下，气相色谱分析不仅是关键，而且是获得对地下环境可燃性状况的准确评估的唯一选择。
如果不这样做，就会导致错误地评估大气为惰性气体，而实际上它可能是爆炸性的或易燃的，这取决于在矿井火灾中产生的一氧化碳和氢气的百分比含量。这些气体的百分比含量不仅增加了可燃气体的浓度百分比，而且对氧鼻点的降低也有很大的影响（发生爆炸的最低氧浓度）。
图8 - 13是由GC分析和管束分析产生的爆炸性图的例子，这些图是来自加热和矿井火灾的相同气体混合物。这些样品的组成如表1所示。由于管束分析不包括氢，且只包括高达1000ppm的一氧化碳，所以可燃气体的百分比被低估，而可燃(爆炸)区的计算是不正确的。在火灾或高温的情况下，如果没有GC分析，对地下大气的可燃性的评估很可能是不可靠的，并且可能表明大气是惰性的，而实际上它是爆炸性的。
图8和图10表示了在最进的自燃事件中使用管束分析结果产生的爆炸性图。如果将管束的结果单独使用，而不考虑氢气或浓度大于1000ppm的一氧化碳，那么大气就会被评估为惰性，消防救援队就不会进入矿井处理情况。对同一样品的GC分析表明，大气是爆炸性的(图9和图11)，考虑到自燃的强度，可能会出现火源。
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图8 用管束测量的样本1。 |
图9 由GC测量的 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[468153]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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