激光甲烷傳感器在礦用防爆機車上的應(yīng)用

李晉陽

（山西晉煤集團技術(shù)研究院，山西 晉城 048006）

1 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。目前井下防爆型機車（機組）使用的均為催化型甲烷傳感器。由于機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、維護困難，導(dǎo)致催化型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，能夠準確測量全濃度范圍的甲烷氣體，抗干擾能力強，檢測精度高，非常適合在礦用防爆機車上推廣使用，提升傳感器可靠性。

2 現(xiàn)場概況

岳城煤礦為沁秀公司下屬主力礦井，目前井下所有膠輪車、綜掘機、采煤機和千米鉆機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，且定檢維護操作繁瑣，浪費很大的人力物力。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。

3 研究內(nèi)容

通過對岳城煤礦井下所有的膠輪車、綜掘機、采煤機和千米鉆機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)測機車（機組）所在位置的瓦斯?jié)舛?。?dāng)濃度超過預(yù)設(shè)的報警點時，儀器能發(fā)出聲光報警；當(dāng)濃度超過預(yù)設(shè)的斷電點時，儀器能自動切斷電源，以確保安全生產(chǎn)；當(dāng)濃度回落到報警點或復(fù)電點以下時，儀器能解除報警或自動解鎖，恢復(fù)機車（機組）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。

4 傳感器設(shè)計

4.1 硬件主機設(shè)計

斷電儀主機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。斷電儀內(nèi)部邏輯如圖1。

圖1 斷電儀主機內(nèi)部邏輯圖

車載式甲烷斷電儀主機的軟件設(shè)計部分主要實現(xiàn)以下功能：當(dāng)斷電儀的甲烷濃度達到預(yù)置的報警點時，報警器和甲烷傳感器應(yīng)同時發(fā)出聲、光報警信號。當(dāng)甲烷濃度恢復(fù)到預(yù)置報警點以下時，應(yīng)能解除自動報警。

4.2 軟件設(shè)計

斷電儀的軟件流程如圖2。

圖2 斷電儀的軟件流程圖

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

4.3 抗震設(shè)計

斷電儀主機外殼設(shè)計加入抗震設(shè)計，增加三重保護進行抗震、減震，在井下的震動環(huán)境中有效地減少故障率，提高設(shè)備的使用率。斷電儀內(nèi)部圖如圖3。

如圖3，其中加固螺栓進行加固時采用橡膠管件，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，制作焊接完畢后進行膠封，有效地防止震動時元器件焊腳發(fā)生故障，提高抗震能力。

圖3 斷電儀內(nèi)部圖

4.4 配套設(shè)計

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AC127 V/AC36 V/DC24 V，通過電源模塊轉(zhuǎn)化成DC24 V，然后通過限壓、整流等措施，提供一路DC18 V。這路DC18 V 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，測值在超限報警值下時，斷電儀保持通的狀態(tài)；當(dāng)傳感器超限報警并發(fā)出斷電命令時，斷電儀動作，保持斷的狀態(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]。

5 現(xiàn)場實施

5.1 儀器安裝

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

（1）膠輪車由車載電池提供DC24 V 電源，照明和發(fā)動機動力分別由不同的線路進行供電；機械結(jié)構(gòu)比較統(tǒng)一，由駕駛室和載運部分構(gòu)成。根據(jù)煤礦安全規(guī)程，斷電儀設(shè)備在進行斷電操作時只需斷開機車動力電源即可。

（2）掘進機和采煤機電氣原理和機械機構(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，掘進機、采煤機在進行斷電操作時需切斷整車電源，意味著斷電儀主機需控制機組上級電源-真空磁力起動器。

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

5.2 實施效果

2018 年5 月，我方對所安裝的斷電儀設(shè)備進行跟蹤檢驗，檢查并記錄設(shè)備的運行情況。正常工作狀態(tài)下，未出現(xiàn)誤斷、錯斷或不動作等故障，工業(yè)性試驗期間安全可靠，測量誤差為：0.5 標氣測量誤差波動范圍為0.01～0.04，2.0 標氣測量誤差波動范圍為1%～4%，響應(yīng)時間誤差波動范圍為13～18 s。截至2019 年3 月，220 套設(shè)備穩(wěn)定運行，正常工作狀態(tài)下，未出現(xiàn)誤斷、錯斷或不動作等故障，工業(yè)性試驗期間安全可靠。

6 效益分析

目前井下使用的催化式甲烷傳感器售價按平均每臺0.4 萬元計算，激光甲烷傳感器售價成本在1.15萬元左右；220 臺每年共需調(diào)校5500 次共計27.5萬元，激光甲烷傳感器無此項費用；每臺傳感器每15 d 調(diào)校一次，總計人工費用34 萬元，共計每年節(jié)約61.5萬元；此外，催化式甲烷傳感頭售價260元，平均每年的維護費用為400 元左右，每年更換費用合計11 萬元，共計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。