煤礦井下鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器研制

叢 琳

(中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

瓦斯災(zāi)害是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著工作人員的生命安全和煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。要實現(xiàn)瓦斯災(zāi)害的防范與治理，需開采前將賦存于煤層內(nèi)的瓦斯進行抽采，消除瓦斯事故發(fā)生的根源[1-2]。瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)作為瓦斯抽采效果達標(biāo)的一種重要評價手段，起到了關(guān)鍵作用[3-4]。現(xiàn)階段，礦方瓦斯監(jiān)測大多在匯流管出氣端安裝監(jiān)測設(shè)備，對群孔(百個鉆孔或多個鉆場)的抽采效果進行監(jiān)測，或在孔口布置監(jiān)測系統(tǒng)，對單鉆孔進行瓦斯抽采效果整體監(jiān)測。但這些監(jiān)測方式只能反映整個孔或者群孔的瓦斯抽采效果，由于煤層中的瓦斯賦存不均勻，各鉆孔抽采效果各不相同[5-6]，即使單孔孔內(nèi)各個區(qū)段的瓦斯抽采效果也存在差異，傳統(tǒng)的瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足實際的應(yīng)用需求，如果能夠在孔內(nèi)對整個孔中任意區(qū)間的瓦斯抽采效果進行監(jiān)測，利用這些數(shù)據(jù)可以判斷鉆孔每百米的瓦斯貢獻，進而為鉆孔的最佳長度、位置的布置與鉆進工藝等參數(shù)的確定提供科學(xué)依據(jù)。

現(xiàn)階段，我國煤炭領(lǐng)域瓦斯監(jiān)測技術(shù)主要有催化燃燒式、熱導(dǎo)式和電化學(xué)式。催化燃燒式傳感器基于熱效應(yīng)原理，長時間工作其鉑絲電阻存在老化現(xiàn)象，需要頻繁調(diào)校才能正常測量，對于瓦斯抽采孔內(nèi)，無法頻繁送入取出傳感器，該方式無法滿足孔內(nèi)瓦斯監(jiān)測需求；熱導(dǎo)式傳感器利用瓦斯與空氣熱導(dǎo)率的差異來實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊臋z測，但其受CO2和濕度影響較大，故該監(jiān)測方式也不適用于孔內(nèi)；電化學(xué)式傳感器通過檢測電極間產(chǎn)生的電流變化反映瓦斯?jié)舛茸兓?，但該監(jiān)測方式容易受到其他氣體的干擾，而瓦斯抽采孔內(nèi)常常包含多種復(fù)雜氣體，該監(jiān)測方式測量誤差大。

上述3 種檢測方式均需要對傳感器進行本安認證，且傳感器長期放置在瓦斯孔內(nèi)供電監(jiān)測存在風(fēng)險，可考慮利用氣體的光學(xué)特性來檢測瓦斯?jié)舛?。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS) 技術(shù)，主要利用半導(dǎo)體激光波長的可調(diào)諧特點來檢測光譜，半導(dǎo)體激光光源的光譜線寬遠小于待測氣體單根吸收譜線的線寬，頻率掃描范圍可避開其他氣體吸收譜線，有效避免了多種氣體的交叉干擾，具有高靈敏、高響應(yīng)和高分辨等優(yōu)點，該技術(shù)目前在環(huán)境監(jiān)測和石油管道監(jiān)測等方面有著重要應(yīng)用[7-8]?；谠撛?，筆者設(shè)計孔內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器，通過多芯光纜可同步并聯(lián)多個，實現(xiàn)鉆孔內(nèi)多區(qū)段同時在線監(jiān)測，并同時保證孔內(nèi)無源，實現(xiàn)本質(zhì)安全，從而最大限度地保證了人員的生命安全。

1 TDLAS 瓦斯測量基本原理

瓦斯氣體分子一般處于基態(tài)，當(dāng)受到某段波長范圍的光譜照射時，氣體分子的偶極矩發(fā)生變化，那些和分子能極差相等能量的光被分子吸收，這種被吸收后的光譜組成吸收光譜。瓦斯氣體分子的吸收光譜中有上萬條吸收譜線，在選擇時，需要選擇較強的吸收譜線，不與其他氣體吸收譜線重合，且滿足激光器易實現(xiàn)的波長[9]。通過高精度遷移分子吸收數(shù)據(jù)庫HITRAN(High-resolution Transmission Molecular Absorption Database)[10-11]可發(fā)現(xiàn)，瓦斯氣體吸收譜線中心波長在1 653.722 nm 附近，吸收線的吸收較強，如圖1 所示，在該波長處吸收譜線重合較少，且所處波長接近光通訊光纖的低損耗區(qū)(1 550 nm)，故本文選用該波段作為激光光源。

圖1 瓦斯吸收光譜Fig.1 Methane absorption spectrum

根據(jù)比爾?朗伯定律[12-15]，激光入射光源的光強為I0(υ)，光經(jīng)過傳感器后，瓦斯氣體在1 653.722 nm 波長附近吸收光能并使得光強產(chǎn)生衰減，那么，輸出光強I(υ)與輸入光強I0(υ)和濃度C之間滿足：

式中：υ為激光器頻率；P為氣體壓強；L為傳感器內(nèi)光束被瓦斯吸收所經(jīng)過的有效長度；α(υ)為瓦斯吸收系數(shù)。

進一步，瓦斯氣體濃度C可表示為：

2 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器設(shè)計

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯暮诵慕Y(jié)構(gòu)為氣室，常用的氣室有GRIN 氣室、White 氣室和Herriott 氣室。GRIN 氣室兩端準(zhǔn)直鏡采用自聚焦透鏡，光耦合率較高，可增強光信號傳輸強度；White 氣室兩端共安裝3 個曲率半徑相同的凹面鏡，通過調(diào)節(jié)角度改變反射次數(shù)從而增加光程；Herriott 氣室采用的是2 個結(jié)構(gòu)相同的球面鏡，通過設(shè)置焦距增加光程長度[16]。White 氣室和Herriott 氣室價格昂貴，準(zhǔn)直鏡安裝難度較大，適合吸收系數(shù)α(υ) 較小的氣體檢測，而瓦斯氣體吸收系數(shù)較大，因此本文采用GRIN 氣室結(jié)構(gòu)，但GRIN 氣室總光程較小，考慮到孔內(nèi)傳感器尺寸限制，為了不影響瓦斯抽采效率，將GRIN 氣室一端的透鏡改為反射鏡，變?yōu)榉瓷涫紾RIN 氣室，可增加一倍光程。

2.1 光程設(shè)計

將式(1)轉(zhuǎn)化為：

式中：I(υ)/I0(υ)為光的透過率[17]，當(dāng)光的透過率較小時，傳感器吸收光強的能力較大，傳感器靈敏度較高；透過率較大時，傳感器吸收光強較小，傳感器靈敏度低。

通過查詢HITRAN數(shù)據(jù)庫，可知瓦斯吸收譜線中心波長在1 653.722 nm 附近，其吸收系數(shù)為α(υ)=0.22 cm?1·atm?1(1 atm=101.325 kPa)，根據(jù)式(3)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，可繪制光程長度L分別為60、80、100、120 mm 的光透過率與瓦斯體積分數(shù)的關(guān)系(圖2)。

圖2 不同光程長度下瓦斯體積分數(shù)與光透過率的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of methane concentration and transmittance under different optical path lengths

通過圖2 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瓦斯體積分數(shù)一定時，光程越長，光的透過率越低，傳感器的靈敏度越大，尤其在瓦斯?jié)舛容^大時，增加光程可以有效地提高傳感器的靈敏度，但在實際應(yīng)用中，光程過長也會出現(xiàn)吸收飽和，且光功率衰減嚴(yán)重，所以，傳感器總光程的確定需要綜合理論分析、實驗測量和精度需求3 方面[18]。

當(dāng)光源為準(zhǔn)直光時，光強I可表示為：

式中：W為光功率；S為光斑面積。

當(dāng)氣體壓強接近一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，式(1)可簡化為[19]：

式中：W0為激光器輸出光功率；W1為經(jīng)過氣室后輸出光功率。

式(5)進一步可轉(zhuǎn)化為：

式中：ΔW為光電探測器的最小分辨率；ΔC為氣體濃度測量精度。

本系統(tǒng)解調(diào)儀中激光器輸出功率W0=15mW，光電探測器最小分辨率為ΔW=5.67×10?3mW，考慮到光在氣室中傳播時的損耗以及反射時的衰減，氣體濃度測量精度ΔC設(shè)為200×10?6，將參數(shù)代入式(6)解算，可計算得到光程長約為86 mm。綜合實驗室測量效果，設(shè)計氣室透鏡到反射鏡長度為50 mm，經(jīng)一次反射后總光程長為100 mm，光程增加了一倍。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

反射式GRIN 氣室主要包括單芯光纖、耦合器、自聚焦透鏡、鍍金反射鏡、氣體吸收池和保護膜，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。氣體吸收池外表面均勻布置透氣孔，兩端對稱布置自聚焦透鏡和鍍金反射鏡，并對透鏡和反射鏡進行定位，使得返回光信號盡量最大，光耦合效率最高，定位后利用環(huán)氧樹脂黏合劑將透鏡、反射鏡與氣體吸收池固定。輸入光源通過自聚焦透鏡變?yōu)槠叫泄?，?jīng)過氣體吸收池后到達反射鏡，光通過反射可增加吸收光程，反射光到達自聚焦透鏡，再通過耦合器到單芯光纖傳出，光路傳輸如圖4 所示。

圖3 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure design of the methane concentration monitoring sensor

圖4 傳感器光路傳輸Fig.4 Optical path transmission of the sensor

2.3 保護工藝

在實際井下應(yīng)用中，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器所處的環(huán)境往往十分惡劣。鉆孔內(nèi)多粉塵、高濕度環(huán)境下，傳感器的保護工藝成為設(shè)計重點，粉塵分子、水分子進入氣室都會影響光路的傳輸。因此，針對此應(yīng)用環(huán)境，傳感器外管采用鋼管封裝，前端采用三層保護膜可進氣。保護膜最外層采用150 μm 不銹鋼多層燒結(jié)網(wǎng)，中層采用50 μm 不銹鋼粉末冶金片，兩層防護可有效針對大粉塵顆粒進行隔離，內(nèi)層采用高分子濾膜，可以阻擋小于1 μm 的粉塵通過，具有較高過濾能力，同時起到有效的防水效果，整體傳感器實物如圖5 所示，封裝后傳感器直徑40 mm，長度80 mm，滿足鉆孔內(nèi)小尺寸應(yīng)用需求。

圖5 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器實物Fig.5 The methane concentration monitoring sensor

2.4 孔中操作流程

井下鉆孔中應(yīng)用時，多個瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器采用并聯(lián)的形式分布于多芯鎧裝光纜的多個測量位置，形成孔中傳感部分，孔中傳感部分利用中空鉆桿送入孔內(nèi)，到達預(yù)定位置后，光纜底部的孔底裝置固定鎖緊，另一端在孔外連接孔口解調(diào)儀。使用時，孔口解調(diào)儀通過調(diào)制激光器注入電流，使激光波長周期性地掃描，覆蓋瓦斯氣體的特征吸收譜線，光源通過多芯鎧裝光纜傳輸?shù)娇變?nèi)各個傳感器，孔口解調(diào)儀同時接收從多個孔中傳感器返回的光信號，通過分析吸收光譜的強弱變化即可實現(xiàn)對孔內(nèi)多個區(qū)段瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測。

3 傳感器測試

鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器測試主要包括2 方面，分別為性能測試和可靠性測試。性能測試主要驗證傳感器全量程相對誤差、穩(wěn)定性和響應(yīng)時間是否滿足現(xiàn)階段煤礦井下瓦斯監(jiān)測需求(表1)；可靠性測試主要驗證傳感器保護工藝是否適用于井下鉆孔內(nèi)高濕度多粉塵應(yīng)用環(huán)境。

表1 煤礦井下瓦斯監(jiān)測需求Table 1 Demand for methane monitoring of coal mines

全量程相對誤差測試選用體積分數(shù)為0.5%、8.5%、20%、35%、60% 和85% 的瓦斯標(biāo)準(zhǔn)氣體為測試標(biāo)準(zhǔn)，由于傳感器的穩(wěn)定性、響應(yīng)時間和可靠性等參數(shù)的測試與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度無關(guān)，為簡化實驗步驟僅選用體積分數(shù)為20% 的瓦斯標(biāo)準(zhǔn)氣體為參照進行測試。

3.1 性能測試

為了滿足煤礦安全的應(yīng)用需求，參照AQ 6211?2008《煤礦用非色散紅外甲烷傳感器》對傳感器的性能進行測試。

3.1.1相對誤差測試

在干燥無塵環(huán)境下，分別利用體積分數(shù)為0.5%、8.5%、20%、35%、60%、85% 的瓦斯標(biāo)準(zhǔn)氣體對6 個濃度監(jiān)測傳感器通氣，3 min 后，開始記錄傳感器的體積分數(shù)測量值，并計算相對誤差見表2。

由表2 可知，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)氣體一致性較好。在干燥、無塵環(huán)境下，全量程相對誤差最大2.8%，小于孔內(nèi)瓦斯體積分數(shù)±6%的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。

表2 全量程相對誤差測試Table 2 Full range relative error test

3.1.2穩(wěn)定性測試

將傳感器放入瓦斯體積分數(shù)為20%的密封罐內(nèi)，每10 min 測試一次傳感器輸出數(shù)據(jù)并記錄，共測試100 次，并計算所有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，即為傳感器的穩(wěn)定性。測試結(jié)果如圖6 所示，數(shù)據(jù)的波動范圍在0.015%，穩(wěn)定性為0.28%，滿足穩(wěn)定性小于1%的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 穩(wěn)定性測試曲線Fig.6 Stability test curve

3.1.3響應(yīng)時間測試

利用體積分數(shù)為20%的瓦斯標(biāo)準(zhǔn)氣體對傳感器通氣，測試傳感器的響應(yīng)時間(測量值達到標(biāo)準(zhǔn)氣體值的90%所需時間)，結(jié)果如圖7 所示。傳感器的響應(yīng)時間約為8 s，滿足響應(yīng)時間小于10 s 的標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 響應(yīng)時間測試曲線Fig.7 Response time test curve

3.1.4與非色散紅外傳感器性能對比

利用體積分數(shù)為20%的瓦斯標(biāo)準(zhǔn)氣體為參照，選擇現(xiàn)階段煤礦井下常用的DYNAMENT 公司MSHia-P/HRP/5VP 型小尺寸光學(xué)非色散紅外傳感器與本文設(shè)計的TDLAS 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器進行性能對比，對比結(jié)果見表3。

通過表3 性能對比可以發(fā)現(xiàn)，非色散紅外傳感器的穩(wěn)定性能更強，但本文設(shè)計的TDLAS 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器的相對誤差和響應(yīng)時間性能都明顯優(yōu)于非色散紅外傳感器，在煤礦井下孔中監(jiān)測方面具有更好的應(yīng)用前景。

表3 傳感器性能對比Table 3 Performance comparison of the sensors

3.2 可靠性測試

3.2.1防水可靠性測試

使用超聲波水霧生成器在瓦斯體積分數(shù)為20%的標(biāo)準(zhǔn)密封罐中模擬高濕度環(huán)境，使?jié)穸冗_到85%，后將傳感器1(有保護膜)和傳感器2(無保護膜)置于密封罐中沉浸30 min 后開始測量，測量時間為10 d，每天配置密封罐內(nèi)氣體，使其濕度和濃度達到標(biāo)準(zhǔn)值，且每天隨機測試10 次，共記錄100 組數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 防水可靠性測試曲線Fig.8 Waterproof reliability test curves

通過圖8 可以發(fā)現(xiàn)，傳感器1 測試曲線連續(xù)，測量最大誤差為2.91%，傳感器2 無保護，測試曲線不連續(xù)，頻繁出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。說明水分子進入傳感器2 的氣室影響了光路傳輸造成信號中斷，傳感器1 保護工藝可有效防水，傳感器長時間處于高濕度環(huán)境中時，其測量精度并未受到影響，滿足井下孔中高濕度應(yīng)用需求。

3.2.2防塵可靠性測試

首先將傳感器1(有保護膜)和傳感器2(無保護膜)放入沙塵實驗箱進行IP5×試驗，啟動試驗箱，粉塵濃度設(shè)定為50 mg/m3，試驗箱運行5 h 后取出傳感器1和傳感器2，分別通入20%的瓦斯標(biāo)準(zhǔn)氣體，傳感器1測量時間160 s 時，測量值趨于穩(wěn)定，測量值為20.69%，測量誤差3.45%，傳感器2 測量時間160 s 時顯示仍為0。說明傳感器2 在無保護的情況下粉塵分子進入氣室造成光路中斷，傳感器無法正常工作。傳感器1測量誤差滿足要求，說明保護工藝可有效防塵，但響應(yīng)時間會增加，針對鉆孔內(nèi)監(jiān)測要求，傳感器在孔內(nèi)監(jiān)測時間長達幾個月甚至一年，那么，在保證傳感器測量時間足夠長的情況下，系統(tǒng)精度也能滿足應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

a.通過對現(xiàn)有煤礦井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器不足之處的分析，提出基于TDLAS 原理設(shè)計方案，研制了一種孔內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器，設(shè)計的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器直徑40 mm，長度80 mm，結(jié)構(gòu)上能夠很好地適用于煤礦井下鉆孔內(nèi)應(yīng)用；實驗室測試，驗證了其性能參數(shù)能夠很好地滿足孔內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測需求，同時其可靠性可滿足井下鉆孔內(nèi)實際應(yīng)用需求。

b.通過在孔內(nèi)布置多個瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器，可實現(xiàn)孔中任意區(qū)間的瓦斯?jié)舛葘崟r監(jiān)測，進一步掌握瓦斯沿鉆孔深度的變化規(guī)律，為鉆孔的最佳長度、位置的布置與鉆進工藝等參數(shù)的確定提供基礎(chǔ)和依據(jù)，同時也是后期建立高瓦斯礦井順煤層定向長鉆孔抽采評價方法的基礎(chǔ)，可為高瓦斯礦井大盤區(qū)瓦斯超前治理提供技術(shù)支撐。

c.由于孔口解調(diào)部分還未完成本安認證，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器現(xiàn)階段還沒有實現(xiàn)井下試驗。未來需進一步加快孔口解調(diào)儀本安認證，并利用多芯鎧裝光纜并聯(lián)多個瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測傳感器，送入井下鉆孔內(nèi)實現(xiàn)多個位置的瓦斯實時監(jiān)測。