煤礦瓦斯監(jiān)測新技術(shù)

前言

經(jīng)濟發(fā)展，社會進步，始終離不開充足的能源。煤炭雖然不是一種清潔能源，但在各種新型清潔能源尚難以充分滿足需要的今天，其在各種能源中的地位仍然是舉足輕重的。但是，煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣，重大災(zāi)害、事故時有發(fā)生，其中以瓦斯災(zāi)害最為嚴重，造成大量人身傷亡和巨大的財產(chǎn)損失，被稱為煤礦安全生產(chǎn)的“頭號殺手”，是我國礦業(yè)發(fā)展亟待解決的重大課題。國家一直把瓦斯治理作為煤礦安全生產(chǎn)的重點。煤礦生產(chǎn)管理單位對煤礦瓦斯監(jiān)測非常重視，并成為煤礦是否可以生產(chǎn)的必要條件，研究和開發(fā)新型傳感器和瓦斯監(jiān)測技術(shù)日益受到廣泛重視。2005年，為發(fā)揮國家自然科學(xué)基金的導(dǎo)向和協(xié)調(diào)作用，結(jié)合我國當(dāng)前迫切需要解決的煤炭安全生產(chǎn)中的關(guān)鍵科學(xué)問題，國家自然科學(xué)基金委員會通過學(xué)科交叉，組織了一批重點項目以推動煤礦安全生產(chǎn)的新方法、新技術(shù)研究。四年來，山西大學(xué)董川教授課題組在煤礦瓦斯傳感技術(shù)和預(yù)警信息系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)方面開展了深入和系統(tǒng)的研究并獲得了一些重要成果。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國煤礦瓦斯治理方面的綜合技術(shù)編寫了本書。本書主要介紹了煤礦瓦斯的產(chǎn)生、形成等過程和性質(zhì)，重點總結(jié)了在煤礦瓦斯監(jiān)測技術(shù)等方面的最新成果和進展，特別是編入了作者所在課題組近幾年關(guān)于瓦斯監(jiān)測方法的部分研究成果，主要介紹了煤礦瓦斯的形成、性質(zhì)及其各種監(jiān)測新技術(shù)的研發(fā)工作。其中，第1、2章由李忠平博士編寫；第3、7章由喬潔博士編寫；第4章由雙少敏教授編寫；第5章由張彥博士編寫；第6章由胡婷婷博士編寫。全書由董川教授負責(zé)統(tǒng)一編排策劃和組織指導(dǎo)。最后，還要感謝山西大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程研究中心瓦斯傳感器研究課題組全體成員多年來在瓦斯傳感器研究和應(yīng)用、超分子化合物合成和應(yīng)用等研究領(lǐng)域做出的不懈努力，感謝國家自然科學(xué)基金委員會和瓦斯重點項目群其他成員單位對編著者開展瓦斯監(jiān)測傳感技術(shù)與熱力學(xué)預(yù)警系統(tǒng)研究工作給予的大力支持和幫助。由于編者時間有限，書中疏漏之處在所難免，特別是瓦斯監(jiān)測新技術(shù)研究領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，本書只能部分重點介紹瓦斯監(jiān)測新技術(shù)原理、應(yīng)用及相關(guān)知識，敬請廣大讀者見諒。

內(nèi)容概要

瓦斯災(zāi)害被稱為煤礦安全生產(chǎn)的“頭號殺手”。各煤礦生產(chǎn)管理單位對煤礦瓦斯監(jiān)測非常重視，并成為煤礦是否可以生產(chǎn)的必要條件．研究和開發(fā)新型傳感器和瓦斯監(jiān)測技術(shù)日益受到廣泛重視。本書主要介紹了煤礦瓦斯的產(chǎn)生．形成等過程和性質(zhì)，重點總結(jié)了編著者在煤礦瓦斯傳感技術(shù)和預(yù)警信息系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)等方面取得的最新成果和進展；同時，在撰寫過程中，還參考了國內(nèi)外在這一學(xué)科領(lǐng)域取得的新成就并進行了分析，力求能夠較為全面地反映該領(lǐng)域的新進展。本書對于煤礦預(yù)防和治理瓦斯災(zāi)害具有積極和現(xiàn)實的意義。     本書可供采煤專業(yè)及煤層氣開采專業(yè)方面的生產(chǎn)單位及相關(guān)科研部門．大專院校的研究人員，師生和管理者參考。

書籍目錄

第1章　緒論 　1.1　瓦斯氣體簡介 　1.2　礦井瓦斯氣體的產(chǎn)生過程 　1.2.1　礦井瓦斯的生成 　1.2.2　礦井瓦斯的性質(zhì) 　1.2.3　礦井瓦斯的存在狀態(tài) 　1.2.4　礦井瓦斯的爆炸 　1.3　瓦斯氣體的物理性質(zhì) 　1.3.1　甲烷的分子結(jié)構(gòu) 　1.3.2　甲烷的一般性質(zhì) 　1.3.3　甲烷運輸注意事項 　1.4　瓦斯氣體的化學(xué)性質(zhì) 　1.4.1　甲烷的穩(wěn)定性 　1.4.2　甲烷的取代反應(yīng) 　1.4.3　甲烷的氧化反應(yīng) 　1.4.4　甲烷的裂解 　1.5　礦井瓦斯氣體的利用現(xiàn)狀 　1.5.1　國外礦井瓦斯利用狀況 　1.5.2　國內(nèi)礦井瓦斯利用現(xiàn)狀 　1.5.3　礦井瓦斯開發(fā)存在的問題 　參考文獻第2章　瓦斯傳感器的發(fā)展 　2.1　載體催化元件的檢測機理和發(fā)展現(xiàn)狀 　2.1.1　載體催化元件的檢測機理 　2.1.2　載體催化元件的發(fā)展現(xiàn)狀 　2.1.3　載體催化元件的缺陷 　2.2　氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的檢測機理和發(fā)展現(xiàn)狀 　2.2.1　氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的檢測機理 　2.2.2　氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 　2.3　紅外光譜法檢測瓦斯傳感器 　2.3.1　紅外瓦斯傳感器的原理 　2.3.2　紅外瓦斯傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀 　2.4　光干涉型瓦斯傳感器 　2.4.1　光干涉型瓦斯傳感器的原理 　2.4.2　光干涉型瓦斯傳感器的特點 　2.5　吸收型光纖瓦斯傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 　2.5.1　光纖瓦斯傳感器概念 　2.5.2　光纖瓦斯傳感器分類 　2.5.3　光纖瓦斯傳感器的應(yīng)用 　2.6　模式濾光光纖瓦斯傳感器 　2.6.1　模式濾光光纖瓦斯傳感器的原理 　2.6.2　模式濾光光纖瓦斯傳感器的研制 　2.7　電化學(xué)瓦斯傳感器 　2.7.1　直接電化學(xué)瓦斯傳感器 　2.7.2　間接電化學(xué)瓦斯傳感器 　2.8　其他瓦斯傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 　2.8.1　納米氣敏瓦斯傳感器 　2.8.2　納米修飾電極瓦斯傳感器 　參考文獻 第3章　電化學(xué)檢測瓦斯新技術(shù) 第4章　模式濾光瓦斯傳感器 第5章　微生物瓦斯傳感器的研究 第6章　瓦斯爆炸的化學(xué)熱力學(xué)預(yù)警研究第7章　穴番類化合物與甲烷的相互作用研究

章節(jié)摘錄

插圖：經(jīng)過改進，目前載體催化元件的功耗已經(jīng)由1.0W降到了0.2W，同時穩(wěn)定性和壽命等主要技術(shù)指標(biāo)也得到了較大改善。由于催化劑長期使用容易劣化和中毒，使器件性能下降或失效，元件的電信號隨可燃性氣體的濃度改變的變化量比較小，需要設(shè)置放大線路，從而增加了它的成本。2.2氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的檢測機理和發(fā)展現(xiàn)狀2.2.1氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的檢測機理氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器是以金屬氧化物半導(dǎo)體晶體材料作為氣體敏感材料，晶體的表面缺陷和體缺陷是產(chǎn)生氣敏性能的主要原因。由于氧化物半導(dǎo)體材料本身有較大的禁帶寬度，純凈無缺陷的氧化物半導(dǎo)體材料在常溫下都是絕緣體。在一般情況下，人們通過控制材料的燒結(jié)氣氛與摻雜工藝，在材料內(nèi)部產(chǎn)生點缺陷（包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子等），從而在禁帶中形成靠近導(dǎo)帶的施主能級或靠近價帶的受主能級，改變電學(xué)性質(zhì)。當(dāng)氣體在半導(dǎo)體材料顆粒表面吸附時，產(chǎn)生的電子遷移會改變材料載流子濃度大小和表面勢壘高低，從而改變半導(dǎo)體元件的電導(dǎo)率，依據(jù)材料的電阻值隨環(huán)境氣體的種類和濃度的變化而發(fā)生變化的原理來獲得氣氛狀況。氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感技術(shù)是半導(dǎo)體物理學(xué)、材料表面界面、化學(xué)催化、材料缺陷理論、電子學(xué)交叉融合的產(chǎn)物。工作原理涉及表面界面、氣體吸附、催化、缺陷理論等方面。對金屬氧化物氣敏材料的敏感機理還沒有一個統(tǒng)一的理論模型，經(jīng)過長期的基礎(chǔ)研究，歸納為三種理論模型，從不同的角度來解釋不同類型的半導(dǎo)體氣敏元件工作原理。三個敏感機理模型如下。（1）表面空間電荷層模型由于半導(dǎo)體金屬氧化物材料表面結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和晶格缺陷，在吸附不同氣體后，將形成不同形式的表面能級。這些表面能級與金屬氧化物本體能帶之間有電子的接受關(guān)系，因而形成表面空間電荷層。由于吸收不同種類氣體后空間電荷層的變化，從而引起氣敏材料的電阻值變化。（2）接觸晶粒界面勢壘模型氣敏材料是半導(dǎo)體晶粒的結(jié)合體。根據(jù)多晶半導(dǎo)體的能帶模型，在晶粒接觸界面存在勢壘，當(dāng)晶粒接觸界面存在氧化性氣體時，勢壘增大，當(dāng)吸附還原性氣體時，勢壘變低，勢壘高度變化可以認為是材料電阻值變化的機理。（3）吸收效應(yīng)模型（能級生成模型）對于半導(dǎo)體晶粒燒結(jié)體，晶粒中部為導(dǎo)電電子均勻分布區(qū)，表面為電子耗盡層（空間電荷層）。由于晶粒間頸部電子密度很小，所以其電阻率要比晶粒內(nèi)部大得多。當(dāng)接觸氣體時，晶粒內(nèi)部電阻基本不變，晶粒頸部和表面電阻率受空間電荷層變化的影響，因此，半導(dǎo)體氣敏元件的電阻值將隨接觸氣體而變化。

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《煤礦瓦斯監(jiān)測新技術(shù)》是由化學(xué)工業(yè)出版社出版的。

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