新型激光式瓦斯遙測(cè)儀在煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用

張永安

(山西西山礦業(yè)管理有限公司，山西 太原 030053)

0 引言

通風(fēng)瓦斯事故歷來(lái)是造成群死群傷、重大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響的煤礦安全事故?！耙煌ㄈ馈惫芾硐騺?lái)是煤礦安全管理的重中之重。近年來(lái)隨著政府的引導(dǎo)和要求，煤礦企業(yè)的重視，瓦斯抽采技術(shù)與管理的持續(xù)跟進(jìn)，資金的投入到位，煤礦瓦斯抽采技術(shù)在煤礦瓦斯治理中的作用和地位越來(lái)越高。高瓦斯礦井瓦斯抽采鉆孔年施工數(shù)量多在幾千甚至上萬(wàn)個(gè)，接入抽采系統(tǒng)需要進(jìn)行觀測(cè)記錄的鉆孔數(shù)量更多，如此多的鉆孔需要在日常管理中不斷觀測(cè)單孔的負(fù)壓、流量、濃度、溫度等數(shù)據(jù)，需要配置大量觀測(cè)人員，工作量繁重，全部鉆孔觀測(cè)一遍巡檢周期長(zhǎng)，迫切需要自動(dòng)化檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)減人提效。

1 瓦斯抽采鉆孔的觀測(cè)

1.1 觀測(cè)方式

山西省境內(nèi)的高瓦斯礦井多數(shù)屬于較難抽放類型，在現(xiàn)場(chǎng)管理過(guò)程中需要檢測(cè)鉆孔單孔的瓦斯負(fù)壓、流量、濃度、溫度等參數(shù)。一般礦井觀測(cè)工具采用高負(fù)壓采樣器抽取氣樣后用光學(xué)瓦檢儀測(cè)量瓦斯?jié)舛?，用孔板或皮托管、壓差?jì)測(cè)負(fù)壓和計(jì)算流量，或者采用一些自動(dòng)測(cè)量?jī)x器自動(dòng)抽氣測(cè)量計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。

1.2 存在問(wèn)題

測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)：傳統(tǒng)觀測(cè)方法測(cè)量過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，8小時(shí)制班一個(gè)觀測(cè)工一般測(cè)量鉆孔數(shù)在60個(gè)左右，全礦幾千到上萬(wàn)的鉆孔全部觀測(cè)一遍需要人力較多，一些礦井巡檢周期甚至在一月，瓦斯抽采鉆孔數(shù)據(jù)更新時(shí)間較長(zhǎng)，不利于抽采鉆孔數(shù)據(jù)分析和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)管理及時(shí)處理。

數(shù)據(jù)偏差大：受觀測(cè)工個(gè)人業(yè)務(wù)素質(zhì)高低、操作水平和技術(shù)熟練程度影響，鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)偏差較大。受現(xiàn)有觀測(cè)工具和自動(dòng)測(cè)量?jī)x器的現(xiàn)場(chǎng)使用、維護(hù)保養(yǎng)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，特別是一些全自動(dòng)精密觀測(cè)儀器(如鉆孔水汽較大無(wú)法使用)，實(shí)際測(cè)量使用中因觀測(cè)人員使用不規(guī)范、不標(biāo)準(zhǔn)，儀器調(diào)教檢定不及時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)磕碰等因素影響，造成最后觀測(cè)數(shù)據(jù)偏差更大。

測(cè)試工具不便攜帶：基礎(chǔ)測(cè)量工具皮托管、水柱計(jì)、高濃光學(xué)瓦檢儀、高負(fù)壓采樣器測(cè)量工具種類多，不便攜帶，單孔測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，全礦鉆孔觀測(cè)一遍巡檢周期長(zhǎng)。

大型儀器使用維護(hù)量大：大型儀器大型自動(dòng)儀器耗電量大，使用時(shí)間短，屬精密儀器，配置傳感器種類多、部件多，使用維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)存在失爆危險(xiǎn)，且測(cè)量數(shù)據(jù)易受影響而失真。

流量孔板安裝成本高：?jiǎn)慰资褂每装辶髁坑?jì)，單孔安裝成本高，孔板處易于堆積煤渣和積水，給單孔數(shù)據(jù)測(cè)量帶來(lái)很大誤差，增加單孔抽采阻力和抽放系統(tǒng)總阻力[2]。

1.3 瓦斯抽采鉆孔觀測(cè)

根據(jù)礦井單孔實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，瓦斯抽采單孔負(fù)壓達(dá)到13 kPa標(biāo)準(zhǔn)以上，較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)單孔負(fù)壓變化不大。在煤層確定地質(zhì)條件無(wú)明顯的變化情況下，若不采取高壓水射流增透、深孔爆破增透等增加煤層透氣性措施，在施工完成瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行封孔后，該地點(diǎn)瓦斯抽放鉆孔流量也基本固定，變化不大。因抽放鉆孔單孔瓦斯流量很小或難于測(cè)出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際頻繁測(cè)量意義不大。需要觀測(cè)的幾項(xiàng)(負(fù)壓、瓦斯?jié)舛?、溫度、大氣氣壓、流量?數(shù)據(jù)只有單孔瓦斯?jié)舛纫子谟^測(cè)，其受封孔質(zhì)量影響變化較大，其它幾項(xiàng)參數(shù)在鉆孔地點(diǎn)一定的情況下，數(shù)據(jù)變化較小。所以通過(guò)觀測(cè)單孔瓦斯?jié)舛鹊淖兓涂梢杂行袛嗤咚广@孔的封孔質(zhì)量好壞、抽采效果高低。這是瓦斯抽采管理中必不可少的重點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2 激光式瓦斯氣體遙測(cè)儀

針對(duì)瓦斯抽采管理單孔數(shù)據(jù)觀測(cè)中存在問(wèn)題，引入一種新型激光式瓦斯氣體遙測(cè)儀。在瓦斯抽采單孔封孔管上做個(gè)很小的改動(dòng)，拓展性應(yīng)用其瓦斯遙測(cè)功能，以對(duì)應(yīng)解決瓦斯抽采單孔濃度觀測(cè)復(fù)雜，巡檢觀測(cè)周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)偏差大等問(wèn)題。

2.1 儀器特點(diǎn)

新型激光式瓦斯氣體遙測(cè)儀是一款創(chuàng)新性的便攜式激光檢測(cè)設(shè)備，它能夠在0～30 m有效范圍內(nèi)對(duì)難以接近的區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域的甲烷泄露情況進(jìn)行精確檢測(cè)。在地面石油天然氣行業(yè)、油氣精煉行業(yè)及城市天然氣管道配送等行業(yè)已取得廣泛應(yīng)用。其核心部分采用最先進(jìn)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，激光束由探測(cè)器發(fā)出后，穿越管道或設(shè)施射到另一端目標(biāo)上，激光束部分會(huì)被目標(biāo)反射回探測(cè)器。由于甲烷只會(huì)對(duì)某一波長(zhǎng)的光進(jìn)行吸收，通過(guò)波長(zhǎng)模制激光吸收光譜技術(shù)，探測(cè)器不僅能夠達(dá)到極高的靈敏度，而且還不受其他氣體成分的影響，即便是隔著多層中空式的玻璃，也可以檢測(cè)到甲烷，極大地提高了設(shè)備檢測(cè)的準(zhǔn)確度，還能有效地消除誤差。經(jīng)過(guò)防爆改裝取得煤安認(rèn)證后該產(chǎn)品得以在煤礦井下進(jìn)行推廣應(yīng)用。新型激光式瓦斯氣體遙測(cè)儀具有顯著的功能特點(diǎn)。

2種功能：本質(zhì)安全型產(chǎn)品，兼具便攜式和遙測(cè)式2種功能。

防干擾：對(duì)甲烷具有唯一選擇性，不受其他各種氣體、水蒸氣、粉塵的干擾。

體積?。后w積輕巧，方便攜帶，無(wú)需采樣，可連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

響應(yīng)快精度高：響應(yīng)速度快只需0.1 s，測(cè)量范圍大0～50 000 ppm·m，測(cè)量精度高±10%。

免于校正：只對(duì)甲烷有反映，檢測(cè)準(zhǔn)確可靠，不存在零點(diǎn)漂移，免于校正，靈敏度5(實(shí)測(cè))ppm·m。

防護(hù)等級(jí)高：優(yōu)越的防震、防水、防塵性能；防護(hù)等級(jí)高。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：可記錄2 000組數(shù)據(jù)，具有USB接口，可將數(shù)據(jù)傳至PC；進(jìn)行表格數(shù)據(jù)和曲線圖形數(shù)據(jù)的比對(duì)，方便數(shù)據(jù)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

報(bào)警功能：聲、光、振動(dòng)報(bào)警功能；可根據(jù)客戶要求定制數(shù)據(jù)傳輸方式。

無(wú)線通信功能：可集成WIFI功能，配合井下定位系統(tǒng)(選配)，防止虛報(bào)假檢。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型激光式瓦斯氣體遙測(cè)儀的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用只需把原瓦斯抽采單孔采樣觀測(cè)孔封堵蓋，改成透明有機(jī)玻璃旋蓋即可，改裝費(fèi)用低廉。測(cè)量時(shí)只需將儀器對(duì)準(zhǔn)透明觀測(cè)孔一按，0.1 s內(nèi)完成瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)觀測(cè)記錄。經(jīng)某礦井下現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比，瓦斯抽放鉆孔濃度測(cè)量誤差極小。傻瓜式操作，易學(xué)易用，人為操作和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)影響小。本安機(jī)型安全度高。整機(jī)250 g，攜帶方便，測(cè)量快捷，單班一個(gè)觀測(cè)工可快速測(cè)量300個(gè)以上鉆孔數(shù)據(jù)。配備少量人員，在極短周期內(nèi)就可以完成全礦井瓦斯抽放鉆孔濃度數(shù)據(jù)的觀測(cè)整理。數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦后可繪制表格或圖形進(jìn)行方便、直觀的對(duì)比分析。為分析判斷瓦斯鉆孔單孔抽采效果、抽采效率、封孔質(zhì)量、改善抽采設(shè)計(jì)提供快捷、有力、及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。

以一個(gè)年鉆孔任務(wù)1 000個(gè)礦井做計(jì)算為例，該礦井正常需觀測(cè)巡檢的抽采鉆孔數(shù)量不低于2 000個(gè)，一般早班安排4個(gè)觀測(cè)工觀測(cè)，瓦斯抽采單孔瓦斯?jié)舛葴y(cè)量對(duì)比見(jiàn)表1，人工觀測(cè)效率對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)表1、表2觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，煤安型新型瓦斯激光遙測(cè)儀的瓦斯?jié)舛扔^測(cè)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)光學(xué)瓦斯檢測(cè)儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)相近，誤差率在5.7%，準(zhǔn)確率高。一般自動(dòng)儀器與傳統(tǒng)光學(xué)瓦斯檢測(cè)儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)有較大誤差，誤差率在31.4%，特別是在瓦斯鉆孔有水氣影響情況下誤差更大。勞動(dòng)用工單人人工工效更是相差5倍以上。

表2 測(cè)量效率對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

新型激光式瓦斯遙測(cè)儀在瓦斯抽采單孔濃度測(cè)量中的開(kāi)拓性應(yīng)用，極大地縮減了鉆孔數(shù)據(jù)巡檢周期，減少了巡檢觀測(cè)工人員配置數(shù)量。大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)，與PC機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)接方便，可生成各種數(shù)據(jù)表格和圖形對(duì)比，及時(shí)連續(xù)地觀測(cè)數(shù)據(jù)更新也對(duì)瓦斯現(xiàn)場(chǎng)抽采管理提供了有效的數(shù)據(jù)支持。隨著人們對(duì)新型激光式瓦斯氣體遙測(cè)儀的了解和認(rèn)識(shí)的提高，新型激光式瓦斯遙測(cè)儀在礦井瓦斯治理中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，在保障礦井安全生產(chǎn)中的作用會(huì)越來(lái)越大。