無線激光甲烷傳感器在礦井瓦斯監(jiān)測中的應(yīng)用研究

鄭孝磊

（潞安礦業(yè)集團古城煤礦，山西 長治 046000）

甲烷是影響礦井安全、高效的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確、快速地監(jiān)測礦井甲烷，對礦井的安全具有十分重要的意義。目前，大部分礦井的工作面和硐室都采用了有線甲烷傳感器來監(jiān)控甲烷濃度。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)由甲烷傳感器、信號線、控制箱、電力等組成。但是，在實踐中，該系統(tǒng)仍有許多缺陷，如：①有線甲烷監(jiān)測器采用信號線方式進行信息交互，由感應(yīng)器將探測到的數(shù)據(jù)經(jīng)由信號線傳送到控制室，但由于礦井作業(yè)面長度大，分布區(qū)域?qū)挘斐闪搜b置布線繁瑣、長度長、勞動強度大、造價高等問題。②礦井開采作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，容易受到機械的擠壓和巖體的撞擊，使常規(guī)的傳感線路出現(xiàn)了嚴(yán)重的損壞，造成維修和維護的困難，同時也會對采煤工作面的正常甲烷監(jiān)測和監(jiān)視產(chǎn)生一定的影響。③由于煤礦井下的大型機械、電力、電纜等高階諧波的存在，導(dǎo)致了線路上的信號延遲和畸變，從而使甲烷監(jiān)測的效果出現(xiàn)偏差。為了解決這一問題，經(jīng)過研究，對N2301采面甲烷監(jiān)測系統(tǒng)進行了優(yōu)化，并在礦井內(nèi)安裝了一臺無線激光甲烷傳感器。

1 概述

潞安化工集團某礦N2301 工作面北二采區(qū)，東部無工作面、北部為采區(qū)巷道，西部為N2302 工作面，N2301 工作面沿3#煤層底板進行回采。工作面總體北高南低。工作面3號煤層整體近似為一單斜構(gòu)造，平均坡度6°,水平位置：+420m，地面標(biāo)高:+939.7～+943.5m，工作面標(biāo)高:+350～+445m。

N2301 工作面由膠帶順槽、輔助運輸順槽、高抽巷和切眼組成。膠帶順槽長1184m，輔助運輸順槽長1165m，切眼平距302m，回采平距720m。本工作面采用走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全厚全部垮落式綜合機械化采煤法。工作面采高3.5±0.1m，平均煤厚6.35m，循環(huán)進度0.8m。北二盤區(qū)3號煤層甲烷含量為10m3/t，N2301工作面煤層甲烷含量為6.2m3/t。

在N2301 膠帶順槽設(shè)置監(jiān)控分站，用于工作面各地點的各類環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)采集、甲烷電斷電控制和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳。各類傳感器與分站間通過專用線纜連接，沿就近巷道敷設(shè)，分站與采區(qū)變電所環(huán)網(wǎng)設(shè)備通過專用線纜連接，沿就近巷道敷設(shè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

共設(shè)置KGJ23甲烷傳感器6個，KGT15皮帶開停傳感器2個，KGA5型一氧化碳傳感器2個，GWP100型溫度傳感器1 個，GFY15 型風(fēng)速傳感器1 個，GCG1000 型粉塵傳感器1個，GQQ5煙霧傳感器1個，KDG-15A斷電器4個，機載甲烷傳感器1個。

工作面后溜甲烷傳感器T0安設(shè)在排尾3#架尾梁下方300mm 處，用于監(jiān)測工作面后溜及機尾老塘瓦斯?jié)舛取?/p>

工作面風(fēng)流甲烷傳感器T1 吊掛在工作面回風(fēng)側(cè)沿空留巷區(qū)域距工作面切眼10m 范圍內(nèi)，用于監(jiān)測綜采工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測，確保安設(shè)位置始終在要求范圍內(nèi)。當(dāng)連接傳感器的線纜上的兩個接線盒會接時，將會接處多余線纜回撤。

工作面回風(fēng)流甲烷傳感器T2安設(shè)在N2302輔切與N2302 膠帶順槽交叉點上風(fēng)側(cè)10～15m 處，用于監(jiān)測N2301工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛取?/p>

由于該綜采工作面回風(fēng)巷的長度大于1000m，按照規(guī)定在回風(fēng)巷的中部增設(shè)中部回風(fēng)流甲烷傳感器T4用于監(jiān)測回風(fēng)巷中部回風(fēng)流瓦斯?jié)舛龋苍O(shè)在N2301回風(fēng)順槽1#貫上風(fēng)側(cè)10～15m，隨工作面推進，該傳感器位置適時移動，始終保持在回風(fēng)巷中部。

工作面末端回風(fēng)流甲烷傳感器T5安設(shè)在N2301回風(fēng)順槽內(nèi)，距回風(fēng)聯(lián)巷上風(fēng)側(cè)10～15m 處，用于監(jiān)測工作面末端回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?。甲烷傳感器與頂板的間距不得超過300mm，距離巷道壁不得低于200mm，且安裝處不得出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。

在N2301 工作面安裝階段，因采用了有線式甲烷感應(yīng)器，導(dǎo)致了瓦斯監(jiān)測靈敏度低、故障率高，大型機械設(shè)備進場時容易磕碰，后溜甲烷傳感器共發(fā)生3次故障，導(dǎo)致傳感器線纜脫落及故障報警，由于傳感器出現(xiàn)斷線，造成兩次施工中斷事故，影響作業(yè)時間為12.7h，嚴(yán)重制約著巷道安全高效施工。為此，在技術(shù)上進行了深入的技術(shù)探討，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，確定了礦井的安全監(jiān)測方案，在后溜位置安裝了一臺GJJ100W 無線激光甲烷探測器。

2 無線激光甲烷傳感器結(jié)構(gòu)

GJJ100W無線激光甲烷傳感器甲烷監(jiān)測系統(tǒng)由電源、甲烷濃度采集裝置、中央控制單元、無線通信電路等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。甲烷感應(yīng)器（探測器）主要用于采集采掘區(qū)域的甲烷濃度，并將采集到的數(shù)據(jù)實時上傳到中央處理器，由數(shù)字顯示器進行顯示，并由中央處理器將處理后的數(shù)據(jù)用電子信號進行無線傳送。該傳感器的主要功能是由4 節(jié)型號為PL4Ah 錳酸鋰鋰離子蓄電池供電，單節(jié)標(biāo)稱電壓DC 3.7V，標(biāo)稱容量：4000mAh，使用壽命長、功耗低，在電池電量不足時，可以及時將報警信號其上傳到處理器中，并提醒工作人員其進行更換。在甲烷濃度超標(biāo)的情況下，系統(tǒng)會自動報警[1]。

圖1 GJJ100W型無線激光甲烷傳感器結(jié)構(gòu)原理

圖2 GJG10J型無線激光甲烷傳感器甲烷檢測

2.1 激光甲烷傳感器

本傳感器由變送器和儀表主板兩部分組成。變送器部分主要由激光器、信號放大電路和單片機電路組成，采用激光原理實現(xiàn)甲烷氣體濃度檢測，并將濃度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳給儀表主板部分；儀表主板部分可在數(shù)碼管上顯示甲烷濃度值，檢測實時值與報警點比較實現(xiàn)聲光報警，數(shù)據(jù)通過無線方式對外數(shù)字輸出。

2.2 溫度補充

由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，激光傳感器發(fā)射的激光波長受到外界溫度的影響，因此需要對外部溫度進行調(diào)節(jié)，在激光甲烷傳感器內(nèi)部裝有半導(dǎo)體制冷器(TEC)，在外部甲烷進入激光器內(nèi)部時，按照設(shè)置的數(shù)值對其進行加熱和冷卻，從而保證激光器在設(shè)定的溫度下工作。

2.3 壓力補償

在工作環(huán)境下，激光傳感器的工作壓力在100～120kPa范圍內(nèi)，應(yīng)選用合適的壓力傳感器，由于甲烷傳感器內(nèi)部空間的限制，所以選擇具有較大檢測范圍，尺寸較小的NGP-305 型壓力傳感器。傳感器中有電阻，測量電路采用惠斯頓電橋。

2.4 無線網(wǎng)絡(luò)通信

本系統(tǒng)以BM433-3.0R網(wǎng)絡(luò)為主要通訊模組，內(nèi)置WaveMesh 通訊協(xié)定，其發(fā)射頻率達(dá)433MHz，可同時對一個主波及15個輔助波進行調(diào)制，最大傳輸距離100m（空曠無障礙）。針對2301工作面有大量的機械和電氣設(shè)備，在巷道中使用1 個主波和8 個輔助波，以避免產(chǎn)生較高的諧波干擾。經(jīng)過現(xiàn)場的實際測試，證明了利用WaveMesh 協(xié)議建立的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，沒有發(fā)生數(shù)據(jù)畸變的情況，并且使用無線數(shù)據(jù)傳輸時穩(wěn)定性好、功率低、功耗低，可以滿足礦井復(fù)雜情況下的開采要求。

3 無線激光甲烷傳感器工作原理

3.1 甲烷檢測工作原理

在礦井開采過程中，利用甲烷可以吸收周圍環(huán)境中某一特定波長的激光的特點，利用各波長的激光強度來判定工作面的甲烷濃度。為提高甲烷濃度的探測精度，采用雙波長探測方式，并對其內(nèi)部進行溫度和壓力補償，與傳統(tǒng)的紅外、催化、導(dǎo)熱等傳感器比較，無線激光傳感器不需要進行頻繁的維護，且檢測的精度相比有線載體催化式甲烷傳感器提升明顯[2]。

3.2 傳感器無線通信原理

GJJ100W 無線甲烷傳感器利用Wave Mesh 技術(shù)建立了一個用于無線數(shù)據(jù)傳送的無線傳輸體系。本研究的主要內(nèi)容包括兩個方面：發(fā)射基地臺（激光感應(yīng)臺）和一個接收機（網(wǎng)路接收機）。由激光感應(yīng)器將監(jiān)測到的甲烷密度數(shù)據(jù)經(jīng)由無線網(wǎng)路傳到網(wǎng)路接收機，經(jīng)信息處理后再傳回地面監(jiān)視裝置，在無線傳輸期間，可以根據(jù)接收端的故障狀況對并組網(wǎng)進行優(yōu)化。

井下工作條件復(fù)雜，坑道多，障礙物多，轉(zhuǎn)彎多，為改善無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性，井下一站的無線傳輸距離設(shè)定在50～100m，且傳感器在井下以樹形拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)進行布置。與有線傳輸相比，Wave Mesh協(xié)議的無線傳輸系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢，如傳輸速度快、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。

4 實際應(yīng)用效果分析

4.1 現(xiàn)場試驗測試效果

為檢驗該系統(tǒng)在實際的工作環(huán)境中應(yīng)用的有效性，從甲烷濃度檢測的精度和對環(huán)境的影響兩方面進行了分析。

（1）準(zhǔn)確度檢測。選擇了6個相同型號的KGJ23型有線甲烷傳感器和GJJ100W 型的無線激光傳感器（分別標(biāo)記為1#，2#，...，6#），將兩種類型的甲烷傳感器分別置于甲烷濃度為2%、8.5%、20%、44.2%的工況下，表1、表2為各傳感器實際檢測值。

表1 KGJ23型有線甲烷傳感器在不同濃度甲烷環(huán)境下實測結(jié)果（單位：%）

表2 GJJ100W型無線激光傳感器在不同濃度甲烷環(huán)境下實測結(jié)果（單位：%）

從表1 可以看出，在4 種不同甲烷濃度下，KGJ23型有線甲烷傳感器的測量甲烷濃度與周圍甲烷濃度之間的偏差約為0.3%，而井下甲烷傳感器的報警率為0.8%，因此，在煤層0.5%的甲烷濃度下，極易發(fā)生超限誤報警。從表2可以看出，GJJ100W無線激光測井儀測量的甲烷濃度和周圍甲烷濃度的偏差小于0.15%，具有較高的準(zhǔn)確度，極大地減少了煤層的超限誤報警，滿足了礦井的監(jiān)測要求。

（2）環(huán)境影響測試：①溫度影響測試:將兩套相同的激光式無線傳感器和兩套有線式甲烷傳感器置于40℃高溫箱和0℃低溫箱中進行2h甲烷密度檢測，使得兩個溫度箱的甲烷濃度控制在3%。試驗結(jié)果表明：采用電纜式甲烷傳感器對兩個溫度容器內(nèi)的甲烷和甲烷的濃度進行了測量，其測量結(jié)果與實測值相差0.7%；利用該方法對兩個溫度盒內(nèi)的甲烷密度進行測量，結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有良好的對環(huán)境溫度的適應(yīng)性。試驗結(jié)果表明：采用電纜式甲烷傳感器對兩個溫度容器內(nèi)的甲烷的濃度進行了測量，其測量結(jié)果與實測值相差0.7%，而在兩個溫度容器內(nèi)，采用無線激光傳感器對甲烷濃度的測量誤差只有0.08%，表明無線激光感應(yīng)器對外界的溫度有較強的適應(yīng)性。

②壓力影響測試:在3 個相同甲烷濃度（3%）的密閉空間中，分別加注40kPa、80kPa、120kPa的壓力，并在三種不同的壓力下，利用有線和無線激光傳感器對甲烷濃度進行測量。試驗結(jié)果表明：當(dāng)氣壓增大時，有線傳感器測得甲烷濃度的測量值會發(fā)生較大的變化，而無線激光傳感器的測量結(jié)果則沒有明顯的改變。

4.2 井下現(xiàn)場應(yīng)用效果

在2301 工作面安裝期間，對原線路甲烷傳感器進行了優(yōu)化，并在后溜加裝了一套無線激光甲烷監(jiān)測系統(tǒng)。其中，無線激光甲烷傳感器1臺，網(wǎng)絡(luò)分站1臺，工業(yè)環(huán)網(wǎng)基站1 臺。截至2022 年8 月15 日，2301 已全部安裝完畢，對3個月的實際使用，由于無線激光甲烷傳感器在巷道中的應(yīng)用，有效地解決了由于切眼內(nèi)的機械設(shè)備而造成的電纜斷裂、監(jiān)控失效等問題，在后期的掘進過程中，未發(fā)現(xiàn)由于傳感器精度問題造成的報警，利用無線激光甲烷傳感器對煤層瓦斯進行監(jiān)測，將其測量精度控制在0.1%以內(nèi)，真實有效地監(jiān)測了煤層瓦斯?jié)舛取?/p>

5 結(jié)語

經(jīng)試驗比較和分析，結(jié)果表明：GJJ100W無線激光甲烷傳感器在礦井下的應(yīng)用，不但保證了檢測精度和數(shù)據(jù)傳輸速度，而且對周圍環(huán)境的影響較小，適用于各種復(fù)雜情況下的工作面和硐室甲烷氣體的檢測，確保了礦井開采施工安全，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)礦井的安全、高效的開采要求，并取得了良好的效果。