紫金矿业集团股份有限公司
摘要：地下矿山采掘作业中，使用炸药进行爆破，在通风条件不良、通风时间不够情况下，人体吸进一定量的有毒有害气体后，会引起不适甚至死亡的问题。本文开发设计了一套矿山井下有毒有害气体远程监测与分析系统，该系统采用了先进的气体监测仪表对爆破后产生的CO、CO2、O2、N2、NO等5种气体浓度进行监测，实现了实时监测、实时报警记录、数据记录和数据导出等功能。该系统能够满足矿山企业的工作需求。
关键词：有毒有害气体；监测系统；CO
1矿井空气中常见的有毒有害气体
1.1一氧化碳（CO）
CO是无色、无味、无嗅的气体，标准状况下的密度为1.25kg/m3，能够均匀地散布于空气中，不用特殊仪器不易觉察。一氧化碳微溶于水，爆炸界限为13%～75%。CO极毒，在空气中含有0.4%时，很短时间内人就会死亡。
1.2氮氧化物（NOx）
NOx主要来源于矿井炸药爆破和柴油机工作时的废气。NOx中的NO极不稳定，与空气中得氧结合生成NO2。NO2是一种红褐色、有强烈窒息性的气体。NO2易溶于水，而生成腐蚀性很强的硝酸。所以高浓度的NO2遇人体粘液膜，如眼、鼻、喉等会引起强烈刺激，导致头晕、头痛、恶心等症状，对人体危害最大的是破坏肺部组织，引起肺水肿。
1.3二氧化硫（SO2）
SO2是一种无色、有强烈硫磺味的气体，易溶于水，分子量为64，标准状况下的密度为2.86kg/m3，是空气密度的2.2倍。当空气中SO2浓度为0.0005%时，嗅觉器官就能闻到硫磺味。它对眼和呼吸器官有强烈的刺激作用。在高浓度下能引起激烈的咳嗽，使喉咙和支气管发炎、反射性支气管狭窄，严重的时候会造成肺水肿、肺心病。
1.4硫化氢（H2S）
H2S是一种无色、有臭鸡蛋味的气体，分子量34，标准状况下的密度1.52kg/m3。H2S易溶于水，有燃烧爆炸性，爆炸浓度下限是6%。H2能使血液中毒，刺激眼、鼻、喉和呼吸道的粘膜。H2S浓度达0.01%时就能嗅到并使人流鼻涕。吸入高浓度时，引起头痛、头晕、步行紊乱、呼吸障碍，严重时引起意识不清、痉挛、呼吸麻痹而造成死亡。
2有毒有害气体远程监测系统的设计
2.1系统硬件设计
2.1.1系统硬件保护箱设计
通过在矿山井下现场试验，确认保护箱在爆破时对气体监测设备的防护作用。经过多次试验确认，在有防护箱的保护下且以箱子最小面积的侧面板朝向爆破点时，设备在爆破后才可正常稳定的工作。
2.1.2气体监测仪设计
气体监测仪的设计采用了先进的进口电化学传感器，应用控制电位电解法原理，过程主要为被测气体透过薄膜到达工作电极，发生氧化还原反应，传感器将有微小电流输出，电流信号与有毒有害气体浓度成正比关系。电流信号经采样处理转变为电压信号，电压信号再经过放大后进行电压电流转换，并把有毒有害气体检测范围内的含量转换成4～20mA标准信号输出。
2.2系统软件设计
2.2.1系统软件架构设计
在矿山井下有毒有害气体远程监测与分析系统的软件设计中，遵循实用性、安全性、可靠性和易使用性等原则，基于VisualStudio2010软件平台以及SQLServer数据库进行设计研发，采用C/S架构体系，将整个软件系统分为两层，分别为用户表示层和数据库层。
2.2.2系统软件功能设计
矿山井下有毒有害气体远程监测与分析系统软件采用模块化设计，主要包括操作设置模块、设备状态图示模块、设备管理模块、实时数据模块、实时报警记录模块和实时曲线模块。
2.3试验分析
2.3.1不同通风条件下允许作业人员进入的最低时限的研究
（1）通过试验数据显示，在混合式通风模式下，采用1.6m炮孔深度进行爆破，理论上爆破后2时32分后，允许作业人进入现场工作认为是安全生产行为；采用2.0m炮孔深度进行爆破，理论上爆破后5时32分后，允许作业人员进入现场工作认为是安全生产行为；采用2.4m炮孔深度进行爆破，爆破后9h后，空气环境中还残留较大量的CO气体，因此作业人员进入前应携带便携式气体检测仪，检测安全后方可进入，同时需做好防护措施。
（2）通过试验数据显示，在抽出式通风模式下，采用1.6m炮孔深度进行爆破，理论上爆破后6时6分后，允许作业人员进入现场工作认为是安全生产行为；采用2.0m和2.4m炮孔深度进行爆破，爆破后9h后，空气环境中还残留较大量的CO气体，因此后2种方式下作业人员进入前应携带便携式气体检测仪，检测安全后方可进入，同时需做好防护措施。
（3）通过试验数据显示，在压入式通风模式下，采用1.6m炮孔深度进行爆破，理论上爆破后4时22分后，允许矿工进入现场工作认为是安全生产行为；采用2.0m和2.4m炮孔深度进行爆破，爆破后9h后，空气环境中还残留较大量的CO气体，因此后2种方式下作业人员进入前应携带便携式气体检测仪，检测安全后方可进入，同时需做好防护措施。
2.3.2不同通风条件下有毒有害气体浓度梯度变化规律
（1）在3种通风模式下爆破后，CO、CO2、N2、NO等4种气体的浓度值均快速上升；当气体浓度到达最高值后，开始随时间的推移而缓慢变低直至恢复到安全浓度，气体浓度变化曲线为非线性曲线。（2）3种模式下CO、CO2、N2、NO等4种气体从最高值恢复至安全浓度值的速度快慢顺序为：混合式通风模式＞抽出式通风模式＞压入式通风模式。（3）在3种通风模式下爆破后，O2气体的浓度值均快速下降。当O2气体浓度到达最低值后，开始随时间的推移而缓慢升高直至恢复到安全浓度，浓度变化曲线为非线性曲线。（4）3种模式下O2气体浓度从最低值恢复至安全浓度值的速度快慢顺序为：混合式通风模式＞抽出式通风模式＞压入式通风模式。
2.4影响有毒有害气体成分浓度变化的因素
2.4.1炮孔深度
采用3种炮孔深度各气体所达到的最高浓度值（或最低浓度值）大小顺序为：2.4m炮孔深度＞2.0m炮孔深度＞1.6m炮孔深度；5种气体浓度从最高值（或最低值）恢复至安全浓度值的速度快慢顺序为：1.6m炮孔深度＞2.0m炮孔深度＞2.4m炮孔深度。
2.4.2通风方式
在3种通风模式下，爆破产生的CO、CO2、N2、NO、O2等5种气体浓度从最高值（或最低值）恢复至安全浓度值的速度快慢顺序为：混合式通风模式＞抽出式通风模式＞压入式通风模式。
2.4.3位置
在矿山井下爆破试验中，气体监测仪设备安装位置以爆破点为起点，共包括8组设备。第一组设备距爆破点5m，第二组和第三组距离爆破点15m，第四组和第五组设备距离爆破点25m，第六组和第七组设备距离爆破点35m，第八组设备距离爆破点45m。测试点的位置不同，CO、CO2、N2、NO、O2等5种气体的浓度值均不相同。距离爆破点越近，爆破后的气体浓度值越大；其中距离爆破点最近的5m位置，爆破后的气体浓度值最大；距离爆破点最远的45m位置，爆破后产生的气体浓度值最小。
3结语
本系统在矿山井下成功试验应用，其应用使地下矿山作业人员可以掌握炮烟成分及浓度变化规律，使井下作业人员的安全得到了有效地保障，同时在一定程度上也提高了矿山企业的生产效率。
参考文献：
[1]井下爆破作业后有毒有害气体的运移规律及防治措施[J].胡洋，康怀宇，朱建芳，陈绍杰.煤矿安全.2016（04）
[2]有毒气体监测分析方法的应用与研究[J].吴枰.环境与发展.2015（04）