激光甲烷傳感器在煤礦井下的應用探索

王 堯， 張 峰

（山西晉煤集團沁秀公司坪上煤業(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，批準開采3號—15號煤層。井田內3號煤層可采儲量為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號煤層服務年限為22年。3號煤層屬不易自燃煤層，有煤與瓦斯突出危險，無煤塵爆炸危險性，水文地質類型為中等，無沖擊地壓危險。

1.1 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)情況（試驗前）

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)在已經升級為kj90x系統(tǒng)），2011年12月安裝，系統(tǒng)運行正常。試驗前系統(tǒng)井下在用甲烷傳感器98臺（其中，KG9001C型高低濃40臺、KG9701A型低濃度58臺），均為重慶煤科院生產，應用催化燃燒原理，頻率傳輸。

1.2 激光傳感器試用背景及試用產品情況

根據國家安監(jiān)總廳科技〔2015〕43號文件通知：“積極在礦井推廣使用激光原理檢測傳感器”，集團公司通風處、研究院決定在我礦井下進行激光甲烷傳感器的應用試點運行，為下一步集團推廣使用積累經驗。

根據我礦井下甲烷傳感器的使用數量實際情況，計劃試用由鄭州光力科技生產的激光甲烷傳感器，共101臺，其中GJG100J型45臺（高濃），GJG10J型56臺（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。傳感器輸出標準采用頻率信號或RS485數字信號，由于試驗時考慮到未來升級，本次測試所選用的探頭同時具備以上兩種輸出式，試驗時采用頻率輸出。其光學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討論內容）：

圖1 光學氣體測量原理圖

圖2 激光測量原理圖

2 激光傳感器試運行情況

2.1 準備

2016年11月—2016年12月，對激光甲烷傳感器進行了地面試運行，傳感器年檢、操作人員培訓工作。

2.2 安裝實施試運行

為保證井下監(jiān)測數據準確完整，試用第一步采用小面積兩種傳感器并列同時運行的方式，待確定激光傳感器的穩(wěn)定性能后，再對井下所有在用甲烷傳感器進行更換試運行。試驗第一步選擇總回、一翼回風等固定地點傳感器進行兩種傳感器同時運行，每天12：00及22：00記錄下兩種傳感器的實時數據，對兩種數據進行統(tǒng)計分析，下頁表1為一個月的對比情況分析。

通過以下對比可以看出，激光傳感器運行穩(wěn)定，兩者誤差不大。2017年3月共計完成對井下69臺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數值統(tǒng)計

2.3 運行情況

2.3.1 運行時間

2017年3月至2017年底，進行了為期半年的激光甲烷傳感器試運行階段，試運行期間保持設備臺數運行在60臺以上。

2.3.2 調校維護

為最大程度試驗出激光甲烷傳感器的穩(wěn)定性，對井下運行的激光甲烷傳感器每15天進行一次標氣（2.0%CH4）對比測試。

2.3.3 運行情況

對井下運行的激光甲烷傳感器，每15天使用標準氣樣進行一次對比測試，誤差均在±0.10%（真值的±5%）以內，其中90%的傳感器測量誤差在±0.006%（真值的±3%）以內。

3 期間存在的問題及解決方法

3.1 測量值偏小

試運行期間，兩臺激光甲烷傳感器出現(xiàn)測量值偏小的問題，編號分別為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，其顯示值比比光學瓦斯檢測儀測量值低0.1%左右。經過排查原因為傳感器濾網積塵嚴重，濾網被堵，現(xiàn)場氣體不能被有效準備檢測到，致使監(jiān)測數據偏小，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%的標準氣樣進行調試對比，數據正常（見表2）。為杜絕類似問題再次出現(xiàn)，廠家對對濾網進行了更換（見圖3）。

3.2 測量值偏高

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

原因分析與排除：對傳感器上井進行標氣測試，分別使用 φ（CH4）=0.50%和 φ（CH4）=2.0%進行標氣，誤差較小，隨后進行返廠，最終確認原因為傳感器出廠時，二次標定參數錯誤。

表2 清除濾網后故障傳感器標校值

圖3 更換前后濾網

4 試運行總結

4.1 激光甲烷傳感器優(yōu)勢

通過為期半年的井下實際運用測試，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，可有效減少調校維護工作量。根據六個月的井下測試統(tǒng)計，激光甲烷傳感器至少在3個月內可以免標校，儀器精度仍保持在標稱指標之內。

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，元件仍然運行穩(wěn)定，無需更換。

3）故障率低。通過為期6個月，對總計101臺傳感器進行的現(xiàn)場安裝使用，運行期內僅有一臺傳感器經確認出現(xiàn)數據不準確的故障，其余傳感器均未超出儀器標稱誤差范圍，故障率約為1%。

4）傳輸穩(wěn)定無誤報現(xiàn)象。截止目前，部分激光甲烷傳感器在我礦運行已近三年時間，未出現(xiàn)一次誤報現(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，但同時也存在一定不足之處，需要普及運用還存在一定困難，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

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

2）相關檢測鑒定單位較少。市場上缺乏相關檢測鑒定單位，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 試驗研究的意義

國家煤礦安全監(jiān)察局在煤安監(jiān)函〔2016〕5號文——《國家煤礦安監(jiān)局關于印發(fā)＜煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案＞的通知》中，明確指出“推廣使用架構簡單系統(tǒng)以及激光、紅外等低功耗傳感器、自診斷型傳感器，鼓勵使用多參數傳感器。”同時，在即將于2020年2月1日實行的《AQ1029—2019》中，也為激光甲烷傳感器的調校周期進行了明確規(guī)定。此次坪上煤業(yè)的激光甲烷傳感器在井下的試運行，就像一次“破冰”，為集團公司乃至全省新型傳感器的推廣使用邁出了堅實的一步，相信在不久的將來，隨著產品價格的趨向合理，隨著國家更多政策的支持，隨著相關第三方機構的不斷增多完善，激光甲烷傳感器的應用將迎來曙光。