第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

近年来，令人震惊的煤矿安全事故频频发生，我国煤矿事故的死亡人数，是世界其他主要煤矿开采国煤矿事故死亡总人数的4倍以上，百万吨死亡率是美国的100倍，印度的10倍[2]。如此严重的煤矿事故使国家和企业的经济遭受重大损失，人民身心备受伤害，也有人称中国的煤炭为“带血的乌金”！

据研究人员对我国煤矿重大瓦斯爆炸事故发生时的工作状态情况的统计分析得知，75%发生在掘进工作时；11%发生在非正规采煤工作时；8%发生在掘进巷道贯通后，采煤设备安装以及进行准备工作时；正规采煤工作时发生的概率仅为5%；还有1%发生在其它地点[8]。经统计分析得知，全国国有煤矿瓦斯爆炸事故中，发生在井下掘进工作面的有68%[9-10]。因为掘进过程中，避难、救难的条件极其有限，如果发生事故，常常救援艰难，后果极其严重[11]。

1.2 煤矿瓦斯监测技术及研究现状

矿井瓦斯检测技术的研究已经历了一个多世纪，提出的许多检测方法都通过了大量的实验验证以及工程使用，主要有安全灯法、半导体气体传感器法、热传导法、光学干涉法、催化燃烧法等[13]。以这些方法的基本原理为基础开发的各种检测设备，在不同时段、不同应用程序中扮演着各种重要的角色。

该技术所具有的的优势是在低浓度甲烷环境下，火焰生成的热量几乎全被散热性好的金属网吸收，不会导致金属网外瓦斯的燃烧或爆炸，且安全灯结构简单、稳定性好、使用寿命长，许多国家至今仍在使用。该技术的局限性是当甲烷浓度超过5%时，安全灯内可能发生爆炸导致火焰熄灭，此时使用安全灯便很危险。

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第 2 章 光声光谱气体检测系统基本理论

2.1 引言

气体检测方法中，光声光谱气体检测技术是间接吸收光谱法中极其重要的一种，其本质是气体光谱吸收理论，并利用光声效应对气体浓度进行测量。气体分子对光谱吸收的选择性决定了该方法的定量测量，且无背景的特性使其具有选择性好、灵敏度高等优点。本章详细论述了光声光谱的经典理论，并基于降低光声光谱气体测量系统检测灵敏度的考虑，详细分析了谐波检测技术。

2.2 气体光声光谱检测技术理论

因吸收光能，分子能量升高，此能量会转化为几种方式，如图 2-2 所示。图中0S 、1S 、iS 表示不同的电子能级，电子能级中又分为振动和转动能级，用iS 中的阶梯表示。常温下，分子处于基态，图 2-2 中为0S 的粗线。吸收光能后跃迁至较高的电子能态，落在某一能级上，马上以飞快的速度失去能量，到达该电子能态中的最低能级。即图中箭头 1 表示的过程，此过程约-1310 秒。这种振动和转动能量通过与其它分子碰撞的形式传导出去。之后，向其它电子能态作等能量跃迁(S 表示单重态，T表示三重态)，即箭头 2 表示的过程。同理，这种电子能态的跃迁也发生在同一电子能态内的振动、转动能量散逸，此过程约-910 秒。到达1S 的最低激发能级的分子返回基态0S 的能量释放方式有：(1) 通过发出荧光回到基态，这种跃迁遵守夫兰克——康登原理，此过程在-9610~10 秒内发生，图2-2中箭头3表示。(2) 无辐射弛豫过程，图2-2中箭头4表示。向基态0S 跃迁，转化为振动和转动能量，此过程时间约-9610~10 秒。(3) 跃迁至不同自旋的电子能态，图2-2中箭头5表示。此过程的速度与过程(1)大致相同。图中1T 为最低振动能级，到达该能级的分子通过过程(2)和发出磷光回到基态。发出磷光的过程在图2-2中用箭头6表示。发光过程约 10~1 3秒。气体分子吸收的光能通过以上各种渠道，部分的或全部的转变为热能，使自己得到加热。

第 3 章 新型光声腔设计...............................33

3.1 引言 ..............................33

3.2 非谐振式光声腔 ..................................................33

3.3 谐振式光声腔 ......................................34

第 4 章 光声光谱甲烷检测系统建立及实验分析..................................55

4.1 引言 ......................................55

4.2 甲烷分子吸收谱线分析 ...................................55

第 5 章 煤矿瓦斯爆炸预报警中的应用研究..........................................86

5.1 引言 ............................................86

5.2 瓦斯爆炸条件及其影响因素分析 ...........................................86

第 5 章 煤矿瓦斯爆炸预报警中的应用研究

5.1 引言

煤矿瓦斯爆炸预报警是瓦斯监测的重要目的之一。由于地质环境、开采条件等因素的影响，使煤矿瓦斯运动呈现出复杂的非线性动力学特征，因而，在对瓦斯浓度预测的过程中，使用传统的预测方法很难建立精确有效的数学模型。寻找合适的信号处理方法，在确保瓦斯爆炸正确报警的同时又具有极低的误报警率，是煤矿瓦斯爆炸预报警系统的首要任务[122]。

5.2 瓦斯爆炸条件及其影响因素分析

瓦斯空气混合气体中，氧气的含量大于12%时瓦斯才能爆炸。瓦斯爆炸界限随混合气体中氧气浓度的降低而缩小，当混合气体中氧气浓度小于12%时，瓦斯空气混合气体失去爆炸性。事实上，除了矿井下的盲巷、旧区以及被封闭的火区，绝大部分地区的氧气浓度都在12%以上，且《煤矿安全规程》规定，采掘工作面进风流中的氧气浓度不得低于20%，因此，井下环境都满足瓦斯爆炸对氧气的要求。

一定温度下，火源的表面积越大，存在的时间越长，越容易引爆瓦斯；反之，即使火源的温度很高，但存在时间很短，也不能导致瓦斯爆炸，需要的延迟时间很短而已。这种延迟爆炸的现象被称为引火延迟现象，引火延迟的时间称为瓦斯爆炸的感应期[129]。感应期的长短取决于混合气体的压力、瓦斯浓度和引火温度等因素。瓦斯爆炸的感应期数据如表5-4所示，容易看出，感应期随着引火温度的升高和瓦斯浓度的降低逐渐缩短。若压力增大或混入某些气体，瓦斯爆炸感应期会缩短或消失。爆破冲击压缩作用也可以使瓦斯爆炸的感应期缩短。瓦斯爆炸感应期虽然短暂，但对指导煤矿安全生产却有着十分重要的意义。

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结 论

煤矿瓦斯事故是煤矿安全生产过程中的重大隐患之一，煤矿瓦斯监测系统是防治煤矿瓦斯事故的重要措施，光声光谱检测技术是煤矿瓦斯监测领域的重要技术手段。针对我国现有的煤矿瓦斯监测系统中存在的检测技术及设备分辨率低、稳定性差，以及只能对当前的测量数据进行判断，无法实现事故预报警等方面的缺陷，对基于光声光谱的煤矿瓦斯监测系统进行了深入研究，完成的主要工作如下：(1) 对比研究了当前煤矿瓦斯浓度检测的主要方法及其特性，通过对光声光谱气体检测原理的深入研究，对光声光谱检测煤矿瓦斯浓度的可行性进行了分析。(2) 以气体光声效应及声学理论为依据，深入研究了光声腔内的声场分布，论证了光声腔的结构、工作模式与光声信号幅值的内在联系，进一步研究了一阶纵向圆柱形谐振式光声腔工作时腔内的声场分布及其特性参数，即谐振频率、腔常数和品质因数与光声腔结构尺寸间的关系，为新型光声腔的设计奠定了理论基础。对光声腔实际工作过程中存在的内部损耗、光声腔设计原则等情况逐一进行分析，为新型光声腔的设计提供了理论依据。(3) 结合激光器、微音器、光声腔等设备建立了光声光谱气体检测系统，并设计实现了能配制多种混合气体的计算机配气设备。通过对多种缓冲气体和待测气体的大量实验，对光声腔及系统性能进行了测量，同时分析讨论了缓冲气体种类、测量温度、激光器输出功率等因素对光声腔性能参数和光声信号的影响。

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参考文献（略）