激光甲烷傳感器在礦用防爆機(jī)車上的應(yīng)用

李 明

（山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048006）

引言

甲烷傳感器是煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中井下在線監(jiān)測瓦斯數(shù)據(jù)的重要儀器。目前，井下防爆型機(jī)車（機(jī)組）使用的傳感器均為催化型甲烷傳感器。由于機(jī)車工況條件下震動較大且作業(yè)環(huán)境惡劣，再加上催化型傳感探頭本身易燃、易中毒、維護(hù)困難，導(dǎo)致催化性車載甲烷傳感器的故障率一直居高不下[1]。激光甲烷傳感器的發(fā)光源為激光器，能夠準(zhǔn)確測量全濃度范圍的甲烷氣體，抗干擾能力強(qiáng)，檢測精度高，非常適合在礦用防爆機(jī)車上推廣使用，提升傳感器可靠性。

1 現(xiàn)場概況

岳城煤礦為山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)沁秀公司下屬主力礦井，目前井下所有膠輪車、綜掘機(jī)、采煤機(jī)和千米鉆機(jī)上均配備礦用車載式甲烷斷電儀。但受工況條件和作業(yè)環(huán)境限制，斷電儀故障率連續(xù)三年在42%左右，對生產(chǎn)銜接造成很大影響，且定檢維護(hù)操作繁瑣，浪費(fèi)了很大的人力物力。因此非常有必要在原有斷電儀裝置的基礎(chǔ)上配備激光甲烷傳感器，提升設(shè)備可靠率。

2 研究內(nèi)容

通過對岳城煤礦井下所有的膠輪車、綜掘機(jī)、采煤機(jī)和千米鉆機(jī)上安裝激光甲烷傳感器（配套車載斷電儀），利用激光技術(shù)監(jiān)測機(jī)車（機(jī)組）所在位置的瓦斯?jié)舛?，?dāng)濃度超過預(yù)設(shè)的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，儀器能發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)濃度超過預(yù)設(shè)的斷電點(diǎn)時(shí)，儀器能自動切斷電源，以確保安全生產(chǎn)；當(dāng)濃度回落到報(bào)警點(diǎn)或復(fù)電點(diǎn)以下時(shí)，儀器能解除報(bào)警或自動解鎖，恢復(fù)機(jī)車（機(jī)組）供電，將其作為井下監(jiān)測瓦斯?jié)舛鹊牧硪恢匾夹g(shù)手段。

3 傳感器設(shè)計(jì)

3.1 硬件主機(jī)設(shè)計(jì)

斷電儀主機(jī)的硬件電路包括底板、充電板、顯示板、電池等元器件。其中底板主要用于電源轉(zhuǎn)換、電源供應(yīng)、電路保護(hù)等；顯示板為斷電儀的核心板，主要用于接收傳感器信號、處理信號、繼電器動作等，實(shí)現(xiàn)斷電儀的主要功能[2]；充電板和電池用于斷電儀自身的充放電控制，其內(nèi)部邏輯如圖1 所示。

圖1 斷電儀主機(jī)內(nèi)部邏輯圖

車載式甲烷斷電儀主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)斷電儀的甲烷濃度達(dá)到預(yù)置的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，報(bào)警器和甲烷傳感器應(yīng)同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號。當(dāng)甲烷濃度恢復(fù)到預(yù)置報(bào)警點(diǎn)以下時(shí)，應(yīng)能解除自動報(bào)警。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

斷電儀的軟件流程如下頁圖2 所示。

該斷電儀不但能實(shí)現(xiàn)不同濃度甲烷氣體的分類測量，當(dāng)電路故障時(shí)還能夠自動斷電，起到保護(hù)電路的作用，確保了長時(shí)間使用的安全性。

3.3 抗震設(shè)計(jì)

尤為重要的是斷電儀主機(jī)外殼設(shè)計(jì)加入抗震設(shè)計(jì)-增加三重保護(hù)進(jìn)行抗震、減震，可以在井下的震動環(huán)境中有效減少故障率，提高設(shè)備的使用率。如下頁圖3 所示。

如圖，其中加固螺栓進(jìn)行加固時(shí)采用橡膠管件，不是采用金屬彈墊，斷電儀內(nèi)部的電源部分和主要元器件均采用集成模塊，制作焊接完畢后進(jìn)行膠封，有效地防止震動時(shí)元器件焊腳發(fā)生故障，提高抗震能力。

圖2 斷電儀的軟件流程圖

圖3 斷電儀內(nèi)部圖

3.4 配套設(shè)計(jì)

斷電儀控制流程如圖4。

圖4 斷電儀控制流程

斷電儀的工作流程為： 電源是AC127V/AC36V/DC24V, 通過電源模塊轉(zhuǎn)化成DC24V，然后通過限壓、整流等措施，提供一路DC18V。這路DC18V 給傳感器供電，并給傳感器的電池充電，傳感器反過來又控制斷電儀的繼電器。當(dāng)傳感器正常工作，測值在超限報(bào)警值下時(shí)，斷電儀保持通的狀態(tài)；當(dāng)傳感器超限報(bào)警并發(fā)出斷電命令時(shí)，斷電儀動作，保持?jǐn)嚯姷臓顟B(tài)； 在斷電儀有交流供電的情況下，它一直給傳感器和傳感器的電池充電；當(dāng)交流失電的情況下，傳感器通過自身的電池，控制斷電儀的繼電器，使斷電儀保持動作或不動作[3]。

4 現(xiàn)場實(shí)施

4.1 儀器安裝

2018 年9 月，200 套斷電儀主機(jī)和激光傳感器到礦（10 套備品備件）并完成安裝，安裝地點(diǎn)分別為掘進(jìn)機(jī)50 套、采煤機(jī)6 套、千米鉆機(jī)6 套、膠輪車128 套，完成項(xiàng)目實(shí)施規(guī)模。

1）膠輪車由車載電池提供DC24V 電源，照明和發(fā)動機(jī)動力分別由不同的線路進(jìn)行供電；機(jī)械結(jié)構(gòu)比較統(tǒng)一，由駕駛室和載運(yùn)部分構(gòu)成。根據(jù)煤礦安全規(guī)程，斷電儀設(shè)備在進(jìn)行斷電操作時(shí)只需斷開機(jī)車動力電源即可。

2）掘進(jìn)機(jī)和采煤機(jī)電氣原理和機(jī)械機(jī)構(gòu)都不相同，但斷電儀的控制比較一致，根據(jù)煤礦安全規(guī)定，掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)在進(jìn)行斷電操作時(shí)需切斷整車電源，意味著斷電儀主機(jī)需控制機(jī)組上級電源-真空磁力起動器。

3）千米鉆機(jī)工作時(shí)保持位置固定的特點(diǎn)，斷電儀一般采用壁掛的方式進(jìn)行安裝，機(jī)械安裝并無難點(diǎn)，將斷電儀主機(jī)和甲烷傳感器懸掛固定在機(jī)組附近的煤壁即可。

4.2 實(shí)施效果

2018 年5 月，岳城煤礦對所安裝的斷電儀設(shè)備進(jìn)行跟蹤檢驗(yàn)，檢查并記錄設(shè)備的運(yùn)行情況。正常工作狀態(tài)下，未出現(xiàn)誤斷、錯(cuò)斷或不動作等故障，工業(yè)性試驗(yàn)期間安全可靠，測量誤差為0.5，標(biāo)氣測量誤差波動范圍為0.01～0.04，2.0 標(biāo)氣測量誤差波動范圍為1%～4%，響應(yīng)時(shí)間誤差波動范圍為13～18 s。截至2019 年3 月，220 套設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，正常工作狀態(tài)下，未出現(xiàn)誤斷、錯(cuò)斷或不動作等故障，工業(yè)性試驗(yàn)期間安全可靠。

5 效益分析

目前井下使用的催化式甲烷傳感器售價(jià)按平均每臺0.4 萬元計(jì)算，激光甲烷傳感器售價(jià)成本在1.15 萬元左右；220 臺每年共需調(diào)校5 500 次共計(jì)27.5 萬元，激光甲烷傳感器無此項(xiàng)費(fèi)用；每臺傳感器每15 d 調(diào)校一次，總計(jì)人工費(fèi)用34 萬元，共計(jì)每年節(jié)約61.5 萬元；此外，催化式甲烷傳感頭售價(jià)260元，平均每年的維護(hù)費(fèi)用為400 元左右，每年更換費(fèi)用合計(jì)11 萬元，共計(jì)72.5 萬元。由此可知，在長期使用的情況下，激光甲烷傳感器綜合成本低于催化式甲烷傳感器。