激光甲烷傳感器在煤礦井下的應(yīng)用探索

王 堯， 張 峰

（山西晉煤集團(tuán)沁秀公司坪上煤業(yè)， 山西 沁水 048000）

1 煤層概況

山西晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司位于沁水縣端氏鎮(zhèn)曲堤村，為資源整合礦井。井田面積9.422 2 km2，批準(zhǔn)開采3號(hào)—15號(hào)煤層。井田內(nèi)3號(hào)煤層可采儲(chǔ)量為2 773.1萬t，煤層平均厚度5.30 m，采煤方法為長壁分層綜采采煤工藝，全部垮落法管理頂板，3號(hào)煤層服務(wù)年限為22年。3號(hào)煤層屬不易自燃煤層，有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，無煤塵爆炸危險(xiǎn)性，水文地質(zhì)類型為中等，無沖擊地壓危險(xiǎn)。

1.1 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)情況（試驗(yàn)前）

我礦為高瓦斯突出礦井，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采用的是重慶煤科院的KJ90NB系統(tǒng)（現(xiàn)在已經(jīng)升級(jí)為kj90x系統(tǒng)），2011年12月安裝，系統(tǒng)運(yùn)行正常。試驗(yàn)前系統(tǒng)井下在用甲烷傳感器98臺(tái)（其中，KG9001C型高低濃40臺(tái)、KG9701A型低濃度58臺(tái)），均為重慶煤科院生產(chǎn)，應(yīng)用催化燃燒原理，頻率傳輸。

1.2 激光傳感器試用背景及試用產(chǎn)品情況

根據(jù)國家安監(jiān)總廳科技〔2015〕43號(hào)文件通知：“積極在礦井推廣使用激光原理檢測傳感器”，集團(tuán)公司通風(fēng)處、研究院決定在我礦井下進(jìn)行激光甲烷傳感器的應(yīng)用試點(diǎn)運(yùn)行，為下一步集團(tuán)推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)我礦井下甲烷傳感器的使用數(shù)量實(shí)際情況，計(jì)劃試用由鄭州光力科技生產(chǎn)的激光甲烷傳感器，共101臺(tái)，其中GJG100J型45臺(tái)（高濃），GJG10J型56臺(tái)（低濃）。

1.3 鄭州光力激光甲烷傳感器情況

鄭州光力GJG100J型激光甲烷傳感器采用光譜吸收原理測量甲烷氣體濃度，測量精確，工作穩(wěn)定。傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)采用頻率信號(hào)或RS485數(shù)字信號(hào)，由于試驗(yàn)時(shí)考慮到未來升級(jí)，本次測試所選用的探頭同時(shí)具備以上兩種輸出式，試驗(yàn)時(shí)采用頻率輸出。其光學(xué)氣體測量原理及激光測量原理如圖1、圖2所示（其原理不是本文重點(diǎn)討論內(nèi)容）：

圖1 光學(xué)氣體測量原理圖

圖2 激光測量原理圖

2 激光傳感器試運(yùn)行情況

2.1 準(zhǔn)備

2016年11月—2016年12月，對(duì)激光甲烷傳感器進(jìn)行了地面試運(yùn)行，傳感器年檢、操作人員培訓(xùn)工作。

2.2 安裝實(shí)施試運(yùn)行

為保證井下監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確完整，試用第一步采用小面積兩種傳感器并列同時(shí)運(yùn)行的方式，待確定激光傳感器的穩(wěn)定性能后，再對(duì)井下所有在用甲烷傳感器進(jìn)行更換試運(yùn)行。試驗(yàn)第一步選擇總回、一翼回風(fēng)等固定地點(diǎn)傳感器進(jìn)行兩種傳感器同時(shí)運(yùn)行，每天12：00及22：00記錄下兩種傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，下頁表1為一個(gè)月的對(duì)比情況分析。

通過以下對(duì)比可以看出，激光傳感器運(yùn)行穩(wěn)定，兩者誤差不大。2017年3月共計(jì)完成對(duì)井下69臺(tái)激光甲烷傳感器的安裝。

表1 激光傳感器與黑白催化元件傳感器試驗(yàn)數(shù)值統(tǒng)計(jì)

2.3 運(yùn)行情況

2.3.1 運(yùn)行時(shí)間

2017年3月至2017年底，進(jìn)行了為期半年的激光甲烷傳感器試運(yùn)行階段，試運(yùn)行期間保持設(shè)備臺(tái)數(shù)運(yùn)行在60臺(tái)以上。

2.3.2 調(diào)校維護(hù)

為最大程度試驗(yàn)出激光甲烷傳感器的穩(wěn)定性，對(duì)井下運(yùn)行的激光甲烷傳感器每15天進(jìn)行一次標(biāo)氣（2.0%CH4）對(duì)比測試。

2.3.3 運(yùn)行情況

對(duì)井下運(yùn)行的激光甲烷傳感器，每15天使用標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行一次對(duì)比測試，誤差均在±0.10%（真值的±5%）以內(nèi)，其中90%的傳感器測量誤差在±0.006%（真值的±3%）以內(nèi)。

3 期間存在的問題及解決方法

3.1 測量值偏小

試運(yùn)行期間，兩臺(tái)激光甲烷傳感器出現(xiàn)測量值偏小的問題，編號(hào)分別為160037（下稱傳感器A）和160043（下稱傳感器B）。在使用期間發(fā)現(xiàn)其顯示值偏小，其顯示值比比光學(xué)瓦斯檢測儀測量值低0.1%左右。經(jīng)過排查原因?yàn)閭鞲衅鳛V網(wǎng)積塵嚴(yán)重，濾網(wǎng)被堵，現(xiàn)場氣體不能被有效準(zhǔn)備檢測到，致使監(jiān)測數(shù)據(jù)偏小，更換上井清除積塵后，分別用φ（CH4）=0.10%、φ（CH4）=0.20% 、φ（CH4）=0.30% 、φ（CH4）=0.40% 、φ（CH4）=0.50%、φ（CH4）=0.60%的標(biāo)準(zhǔn)氣樣進(jìn)行調(diào)試對(duì)比，數(shù)據(jù)正常（見表2）。為杜絕類似問題再次出現(xiàn)，廠家對(duì)對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行了更換（見圖3）。

3.2 測量值偏高

2017年5月13日，發(fā)現(xiàn)一臺(tái)傳感器顯示值偏高，顯示值為0.45%，隨即下井更換一臺(tái)，更換后顯示為0.3%。

原因分析與排除：對(duì)傳感器上井進(jìn)行標(biāo)氣測試，分別使用 φ（CH4）=0.50%和 φ（CH4）=2.0%進(jìn)行標(biāo)氣，誤差較小，隨后進(jìn)行返廠，最終確認(rèn)原因?yàn)閭鞲衅鞒鰪S時(shí)，二次標(biāo)定參數(shù)錯(cuò)誤。

表2 清除濾網(wǎng)后故障傳感器標(biāo)校值

圖3 更換前后濾網(wǎng)

4 試運(yùn)行總結(jié)

4.1 激光甲烷傳感器優(yōu)勢

通過為期半年的井下實(shí)際運(yùn)用測試，激光甲烷傳感器與傳統(tǒng)催化式甲烷傳感器相比具有明顯的優(yōu)勢：

1）穩(wěn)定周期長，可有效減少調(diào)校維護(hù)工作量。根據(jù)六個(gè)月的井下測試統(tǒng)計(jì)，激光甲烷傳感器至少在3個(gè)月內(nèi)可以免標(biāo)校，儀器精度仍保持在標(biāo)稱指標(biāo)之內(nèi)。

2）元件使用周期長。傳統(tǒng)的催化式甲烷傳感器正常工作一年就需更換黑白元件，截止目前我礦在用激光甲烷傳感器已使用近三年，元件仍然運(yùn)行穩(wěn)定，無需更換。

3）故障率低。通過為期6個(gè)月，對(duì)總計(jì)101臺(tái)傳感器進(jìn)行的現(xiàn)場安裝使用，運(yùn)行期內(nèi)僅有一臺(tái)傳感器經(jīng)確認(rèn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的故障，其余傳感器均未超出儀器標(biāo)稱誤差范圍，故障率約為1%。

4）傳輸穩(wěn)定無誤報(bào)現(xiàn)象。截止目前，部分激光甲烷傳感器在我礦運(yùn)行已近三年時(shí)間，未出現(xiàn)一次誤報(bào)現(xiàn)象。

4.2 激光甲烷傳感器不足

激光甲烷傳感器具有上述優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一定不足之處，需要普及運(yùn)用還存在一定困難，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）價(jià)格高。目前，雖然我國許多廠家生產(chǎn)激光甲烷傳感器，但動(dòng)輒上萬元一臺(tái)的價(jià)格還是讓不少企業(yè)“望而卻步”。

2）相關(guān)檢測鑒定單位較少。市場上缺乏相關(guān)檢測鑒定單位，在一定程度上推高了企業(yè)使用激光甲烷傳感器的成本。

5 試驗(yàn)研究的意義

國家煤礦安全監(jiān)察局在煤安監(jiān)函〔2016〕5號(hào)文——《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)＜煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案＞的通知》中，明確指出“推廣使用架構(gòu)簡單系統(tǒng)以及激光、紅外等低功耗傳感器、自診斷型傳感器，鼓勵(lì)使用多參數(shù)傳感器?！蓖瑫r(shí)，在即將于2020年2月1日實(shí)行的《AQ1029—2019》中，也為激光甲烷傳感器的調(diào)校周期進(jìn)行了明確規(guī)定。此次坪上煤業(yè)的激光甲烷傳感器在井下的試運(yùn)行，就像一次“破冰”，為集團(tuán)公司乃至全省新型傳感器的推廣使用邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，相信在不久的將來，隨著產(chǎn)品價(jià)格的趨向合理，隨著國家更多政策的支持，隨著相關(guān)第三方機(jī)構(gòu)的不斷增多完善，激光甲烷傳感器的應(yīng)用將迎來曙光。