煤礦開采中光纖瓦斯氣體傳感器的應用研究

李 懸

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

瓦斯氣體是開展煤礦開采工程中最常見的一種有害氣體，在煤礦施工項目當中，施工人員的安全以及施工質量的嚴格要求，使得瓦斯氣體濃度監測的重要性逐漸提高。在實際煤礦開采過程中，若沒有合理的監測手段，則當瓦斯氣體出現嚴重超標而未被檢出時，則會造成爆炸事故的發生，更會引起嚴重的煤礦開采事故，對施工人員的人身安全造成巨大威脅[1]。在煤礦安全生產規定當中，明確指出瓦斯氣體的濃度不得超過1.45%，否則視為煤礦開采事故，須追究事故發生的具體原因。基于此，相關領域的研究人員針對瓦斯氣體的測量開展了大量研究，并逐漸研制出了基于多種不同類型監測裝置的煤礦開采方法。但由于當前這些開采方法在實際應用中無法保證更加精確的氣體監測精度，因此仍然會出現由于監測精度低，沒有及時發現瓦斯氣體涌出量增大而導致的保障事故發生[2]。近幾年來，隨著光導纖維技術的產生和廣泛應用，一種全新的光纖瓦斯氣體傳感器被研發。為促進這一類型傳感器在煤礦開采當中的廣泛應用，本文開展基于光纖瓦斯氣體傳感器的煤礦開采方法設計研究。

1 基于光纖瓦斯氣體傳感器的煤礦開采方法

1.1 光纖瓦斯氣體傳感器選型及安裝結構設計

為進一步探究光纖瓦斯氣體傳感器在煤礦開采當中的應用，本文以某煤礦開采區域為例，將其作為依托，開展基于光纖瓦斯氣體傳感器的煤礦開采方法設計。該煤礦開采區域中，礦井內瓦斯氣體的等級包括高瓦斯氣體和低瓦斯氣體2種[3]。通過對該礦井近幾年的開采記錄調查得出，該礦井瓦斯氣體涌出量通常在8.26～11.26 m3/t范圍以內，而礦井中二氧化碳的涌出量通常在1.26～3.26 m3/t范圍以內。針對這一礦井的實際情況，引入SIF516-SHF656型號光纖瓦斯氣體傳感器。該型號光纖瓦斯氣體傳感器為華礦企業生產的煤礦開采專用傳感器，在運行過程中的電源電壓為24 V，工作狀態下溫度變化在25～30 ℃范圍內，電源電流為22 mA。同時，SIF516-SHF656型號光纖瓦斯氣體傳感器能夠在相對濕度為98%rh(+25 ℃時)、大氣壓力在75～105 kPa范圍內使用。該型號傳感器制作材料優良，因此能夠在含有危害氣體以及爆炸性氣體的環境當中完成復雜的運行操作，并且數據的采集精度不會受到周圍惡劣條件的影響。因此，將該型號傳感器應用到本文煤礦開采方法當中，能夠充分滿足設計要求[46]。本文選擇在該礦井當中采用多個傳感器相互連接的方式完成對其連接結構設計，在礦井當中按照不同區域，分別安裝光纖瓦斯氣體傳感器，與各個設備的連接方式如圖1所示。

圖1 光纖瓦斯氣體傳感器連接方式示意Fig.1 Schematic diagram of the connection method of the fiber optic methane gas sensor

由于該礦井當中有高瓦斯區域，因此該區域內瓦斯氣體的涌出量相對較大，針對這一區域內可能存在的事故問題，在其容易出現瓦斯氣體突出位置上安裝文中選用的SIF516-SHF656型號光纖瓦斯氣體傳感器，并將其與各個支線電纜連接[79]。為盡可能減小在傳感器監測過程中可能出現的誤差，在光纖瓦斯氣體傳感器的接口位置上增加抗干擾模塊，以此通過光纖瓦斯氣體傳感器獲取到更加準確的監測數據。

1.2 監測數據處理

利用上述SIF516-SHF656型號光纖瓦斯氣體傳感器，對其在擊倒的數據進行光譜吸收檢測濃度計算。當傳感器發出一道強度一定的平行光時，將光照射到甲烷與空氣的混合氣體當中，即煤礦開采項目中的礦井空氣，若該光源光譜所覆蓋區域呈現出一條或多條吸收線，則光線通過氣體時，則會出現明顯的衰減現象[1011]。因此，進一步根據比爾朗博定理，對煤礦開采礦井中的瓦斯氣體濃度進行計算，其計算公式為

(1)

式中，C為煤礦開采礦井中的瓦斯氣體濃度，%；φm為瓦斯氣體的摩爾分子吸收系數；L為光與瓦斯氣體的總作用長度，m；I為由SIF516SHF656型號光纖瓦斯氣體傳感器輸出的光照強度,lx；I0為由IF516SHF656型號光纖瓦斯氣體傳感器輸入的光照強度,lx。根據式(1)，當光纖瓦斯氣體傳感器獲取到總作用長度和瓦斯氣體的摩爾分子吸收系數后，即可通過計算，得出礦井當中實際瓦斯氣體的濃度。文中選用的光纖瓦斯氣體傳感器，可以利用復數折射率的方式對瓦斯氣體的吸收進行描述。利用如下公式，對通過傳感器發射光束的出射平面波進行計算

E=E0exp(iwt-βL)

(2)

式中，E為通過傳感器發射光束的出射平面波；E0為入射波；β為光束的傳播常數。通常情況下，氣體的折射率都接近1，在虛部產生的折射率應當遠小于實部。因此，根據這一規律進一步將式(2)計算得出的出射平面波帶入到波動公式中，通過計算機模擬，對光纖瓦斯氣體傳感器在礦井中瓦斯氣體的靈敏度進行優化。

1.3 基于監測數據變化的煤礦開采安防措施制定

利用通過SIF516-SHF656型號光纖瓦斯氣體傳感器監測到的數據，結合上述計算，進一步為煤礦安全開采制定安防措施。將傳感器獲取到的數據通過支線電纜進行傳輸，由礦井各個分站完成對數據的接收[1213]。將監測到的數據進行分析，在數據超出預設區域范圍時，及時報警。當SIF516-SHF656型號光纖瓦斯氣體傳感器監測到數據變化超過預期范圍后，將發出相應的指令信號，控制各個煤礦開采設備停止作業，切斷各個設備的工作電源。當監測設備發出警報時，提醒現場開采施工人員盡快撤離到安全區域。將所有獲取的相關數據信息以及傳感器狀態信息全部匯總到總監測上位機中，對各類數據進行統一管理，及時發現問題并針對具體問題采取相應的處理措施。

2 對比實驗

以某煤礦開采區域為依托，為進一步探究該方法和傳統煤礦開采方法的實際應用效果，將其應用到煤礦開采區域中，完成相應的開采工作。在煤礦開采范圍內，分別為2種方法劃分2個各項條件基本相同的礦井開采區域，在2個區域當中分別包含了2個高瓦斯礦井和3個低瓦斯礦井，將2種煤礦開采過程中監測到的瓦斯氣體涌出量進行記錄，并將其與實際涌出量進行比對，得出誤差值。為使實驗最終得出的驗證結果更加清晰，在完成相應開采工作后，將開采過程中產生的各項數據結果進行記錄，實驗結果對比見表1。

表1 2種煤礦開采方法實驗結果對比

從表1中數據可以看出，基于光纖瓦斯氣體傳感器的煤礦開采方法在實際開采過程中能夠對不同瓦斯礦井類型中瓦斯氣體涌出量進行更加精準地監測，監測結果數據誤差均未超過0.05 m3/t，具有較高的實際應用價值。而傳統煤礦開采方法在對瓦斯氣體進行監測時，產生的誤差會隨著實際瓦斯氣體涌出量的增加而增大，當瓦斯氣體涌出量低于3.00 m3/t，無法實現對瓦斯氣體的監測。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于光纖瓦斯氣體傳感器的煤礦開采方法在實際應用中能夠實現對礦井中瓦斯氣體的高精度監測，為礦井開采安全性提供保障，有效規避開采中存在的多種安全隱患。

3 結語

通過對煤礦開采中光纖瓦斯氣體傳感器的應用研究，提出一種全新的煤礦開采方法，并通過將其應用到實際煤礦開采區域中，驗證了該方法的實際應用價值。在實際開采過程中，結合相應的安全防護機制，能夠有效降低或避免發生瓦斯氣體突出的安全事故，在保證煤礦開采企業實際開采過程中效率提升的同時，提高企業的社會效益。