無線激光瓦斯傳感器在煤礦中應(yīng)用

馮亮

（晉能控股煤業(yè)集團大斗溝煤業(yè)有限公司，山西 大同 037031）

瓦斯是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的重要因素之一，煤礦井下采掘工作面瓦斯精準(zhǔn)、快速監(jiān)測對煤礦安全生產(chǎn)起著重要作用。目前多數(shù)煤礦井下采掘工作面、硐室等主要安裝瓦斯傳感器進行瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測[1]。瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要由瓦斯傳感器、信號線、控制箱、電源等部分組成。但這種有線瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在很多不足，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①有線瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)主要采用線信號傳輸，傳感器將檢測的數(shù)據(jù)通過信號線傳輸至控制箱內(nèi)，而井下采掘工作面長度大、分布區(qū)域廣，導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)布線繁瑣[1-6]、布線長度大、勞動強度高、成本費用高。②由于井下采掘工作面施工條件較惡劣，易受機械擠壓以及巖石碰撞等，導(dǎo)致傳統(tǒng)傳感器信號線破損嚴(yán)重[7]，不僅增加了檢修維護難度，而且影響著采掘工作面瓦斯正常監(jiān)測監(jiān)控。③有線瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)布線易受到采掘工作面大型機電設(shè)備以及高壓電纜產(chǎn)生的高次諧波影響，造成信號傳輸滯后及失真現(xiàn)象，造成瓦斯監(jiān)控效果誤差。對此，白洞礦通過研究決定，對5201巷瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化，采用一套無線激光瓦斯傳感器進行工作面瓦斯監(jiān)控。

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團白洞礦5201巷位于位于井田西部，巷道北部為盤區(qū)大巷，西部為8202工作面回采區(qū)域，南部為8206工作面的井田邊界。5201巷掘進長度為1 450 m，設(shè)計斷面為矩形，毛寬5.2 m，毛高3.6 mm，毛斷面18.72 m2。巷道掘進煤層為2#煤層，煤層平均厚度為2.71 m，傾角為3°，煤層瓦斯絕對涌出量0.5 m3/min，煤塵具有爆炸性，煤層有自然發(fā)火的傾向。巷道采用EBZ260型掘進機掘進，截至2020年8月21日巷道已掘進470 m。

5201巷掘進期間，在巷道內(nèi)安裝兩臺KT970-A型瓦斯傳感器，4臺KTC-90型局扇開停傳感器，一臺GTH500（B）型一氧化碳傳感器，一臺GFK70A型風(fēng)筒風(fēng)量傳感器，2臺GQG0.1型煙霧傳感器，一臺KDG-3K型斷電儀，一臺DJB-4型機載式甲烷報警斷電儀。瓦斯傳感器一臺安裝在距工作面不超過5 m無風(fēng)筒一側(cè)，第二臺安裝在回風(fēng)口前10～15 m的范圍內(nèi)，瓦斯傳感器應(yīng)垂直吊掛在距頂板不得大于300 mm，距巷道壁不小于200 mm，且頂板完好無淋水的地點。

由于5201巷前期安裝的有線瓦斯傳感器，瓦斯監(jiān)測靈敏度低、故障率高，在前期掘進過程中共計出現(xiàn)三次傳感器誤報警，瓦斯報警值達3.2%，發(fā)生兩起傳感器斷線停產(chǎn)事故，影響巷道掘進時間為12.7 h，嚴(yán)重制約著巷道安全高效掘進。對此大斗溝礦通過技術(shù)研究，針對有線瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要存在的問題，決定對巷道瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化，安裝了一套梅安森GJG10J型無線激光瓦斯傳感器。

2 無線激光瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)

GJG10J型無線激光瓦斯傳感器瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要由鋰電池、瓦斯?jié)舛炔杉?、中央處理器、無線通信電路等部分組成，如圖1所示。瓦斯傳感器（探頭）主要對采掘區(qū)域瓦斯?jié)舛冗M行采集，并將采集數(shù)據(jù)實時上傳至中央處理器內(nèi)，通過數(shù)碼管進行顯示，同時中央處理器將處理后的數(shù)據(jù)信號以電信號的方式無線傳輸。傳感器主要通過鋰電池提供電能，電池容量為2.5萬毫安，電池使用壽命長、功耗低，當(dāng)電池電量低時及時上傳至處理器內(nèi)并提醒更換電池。當(dāng)傳感器監(jiān)測瓦斯?jié)舛瘸迺r，系統(tǒng)及時發(fā)出警報。

圖1 GJG10J型無線激光瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)原理

2.1 激光瓦斯傳感器

對激光器輸入電流后激光器發(fā)出不同波長的激光，同時激光器發(fā)出高低壓信號（高速正弦和低速掃描信號）。此時光電探測器接收高低壓信號后及時轉(zhuǎn)換為電信號，并通過檢測裝置獲取激光器輸入電流并得出激光波長，然后進行二次諧波及轉(zhuǎn)換處理后實現(xiàn)對低噪窄帶檢測[8-9]，從而實現(xiàn)對采掘區(qū)域瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測。

2.2 溫度補充

由于井下環(huán)境復(fù)雜，激光傳感器使用過程中發(fā)出的激光波長受外界溫度影響較大，所以必須對外界溫度進行控制，在激光瓦斯傳感器內(nèi)安裝半導(dǎo)體制冷器（TEC），當(dāng)外界氣流進入激光器內(nèi)根據(jù)設(shè)定值自動加熱或制冷，確保激光器處于恒定溫度中。

2.3 壓力補償

激光傳感器在作業(yè)環(huán)境中運行壓力為120～130 kPa范圍內(nèi)，必須選擇合理的壓力傳感器元件，因瓦斯傳感器內(nèi)部空間有限，故決定采用體積小、檢測范圍大的信號NGP-305壓力傳感器。該傳感器內(nèi)部存在電阻片，采用惠斯頓電橋作為測量電路。

圖2 GJG10J型無線激光瓦斯傳感器瓦斯檢測

2.4 無線網(wǎng)絡(luò)通信

采用BM200N型組網(wǎng)模塊作為無線通信模塊，該模塊內(nèi)部安裝了WaveMesh傳輸協(xié)議，信號傳輸頻段為433 MHz，在信號傳輸時可調(diào)制一個主信號和15個輔助信號。由于5201巷存在大型機電設(shè)備，為了防止高次諧波影響，巷道內(nèi)激光傳感器采用一個主信號和8個輔助信號。通過在井下調(diào)試發(fā)現(xiàn)，采用Wave Mesh協(xié)議構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)無線傳輸時，數(shù)據(jù)傳輸速度快，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象，而且采用數(shù)據(jù)無線傳輸時穩(wěn)定性好、功率低以及能耗低[10]，滿足井下復(fù)雜條件下采掘工作面需求。

3 無線激光瓦斯傳感器工作原理

3.1 瓦斯檢測工作原理

由于采掘工作面內(nèi)瓦斯可對周圍環(huán)境中特定波長的激光進行吸收，然后根據(jù)各個波長激光強弱判斷采掘工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛?。為了提高瓦斯?jié)舛葯z測準(zhǔn)確度，傳感器設(shè)定為雙波長檢測模式，同時傳感器內(nèi)存在溫度、壓力補償，與傳統(tǒng)紅外、催化、導(dǎo)熱等傳感器相比，激光傳感器具有無需定期校準(zhǔn)，檢測精度高等優(yōu)點[11]。

3.2 傳感器無線通信原理

GJG10J型無線激光瓦斯傳感器采用Wave Mesh協(xié)議構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)無線傳輸。該系統(tǒng)主要由發(fā)送基站（激光傳感器）和接收基站（網(wǎng)絡(luò)接收器）兩部分組成。激光傳感器將監(jiān)測的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)絡(luò)接收器內(nèi)，然后通過信息處理后傳至地面監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，無線傳輸過程中根據(jù)接收基站故障情況可自行優(yōu)化并組網(wǎng)。由于井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，礦井內(nèi)遮擋物以及拐彎較多，為了提高無線傳輸穩(wěn)定性，將井下一個基站無線傳輸距離設(shè)置為100～150 m范圍內(nèi)，并采用樹型拓撲網(wǎng)絡(luò)布置形式。Wave Mesh協(xié)議構(gòu)建無線傳輸系統(tǒng)與有線傳輸系統(tǒng)相比，具有傳輸速度快、穩(wěn)定性強、抗干擾能力強等優(yōu)點[12]。

4 實際應(yīng)用效果分析

4.1 現(xiàn)場試驗測試效果

為了驗證無線激光傳感器在現(xiàn)場中實際應(yīng)用效果，分別從瓦斯?jié)舛葯z測準(zhǔn)確度以及環(huán)境影響下測試結(jié)果進行分析。

（1）準(zhǔn)確度檢測

選用6臺同一型號KT970-A型有線瓦斯傳感器以及GJG10J型無線激光傳感器，編號為1#、2#...6#，將兩種型號的傳感器分別放置在瓦斯?jié)舛葹?%、8.5%、20%、44.2%環(huán)境中，瓦斯監(jiān)測結(jié)果分別如表1、表2所示：

表1 KT970-A型有線瓦斯傳感器在不同濃度瓦斯環(huán)境下實測結(jié)果

表2 GJG10J型無線激光傳感器在不同濃度瓦斯環(huán)境下實測結(jié)果

通過表1可知，KT970-A型有線瓦斯傳感器在4種不同濃度的瓦斯環(huán)境中瓦斯實測濃度與環(huán)境濃度誤差在0.3%左右，而掘進巷道瓦斯傳感器設(shè)計報警值為0.8%，所以當(dāng)工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?.5%時很容易出現(xiàn)瓦斯超限誤報警現(xiàn)象。由表2可知GJG10J型無線激光傳感器實測瓦斯?jié)舛扰c環(huán)境瓦斯?jié)舛日`差在0.15%以下，檢測精度高，大大降低了工作面瓦斯超限誤報警現(xiàn)象，滿足巷道掘進需求。

（2）環(huán)境影響測試

①溫度影響測試：將兩臺同一型號的無線激光傳感器以及兩臺有線瓦斯傳感器分別放置在40℃高溫箱、0℃低溫箱中進行恒溫2h瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，兩個溫度箱內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?%。通過實驗發(fā)現(xiàn)，有線瓦斯傳感器在兩個溫度箱中檢測瓦斯?jié)舛扰c實際瓦斯?jié)舛日`差達0.7%；而無線激光傳感器在兩個溫度箱中檢測瓦斯?jié)舛日`差僅為0.08%，可見無線激光傳感器能夠更好地適應(yīng)外界溫度變化。

②壓力影響測試：在同樣瓦斯?jié)舛龋?%）的三個密封空間內(nèi)分別加壓，壓力為40 kPa、80 kPa、120 kPa，然后對三個不同壓力下密封空間內(nèi)采用有線及無線激光傳感器進行瓦斯?jié)舛葯z測。通過實驗發(fā)現(xiàn)，有線瓦斯傳感器隨著壓力加大瓦斯?jié)舛葯z測數(shù)值變化大，而無線激光傳感器檢測的瓦斯?jié)舛然颈３植蛔儭?/p>

4.2 井下現(xiàn)場應(yīng)用效果

5201巷掘進至500 m處時對巷道內(nèi)原有線瓦斯傳感器進行優(yōu)化改造，安裝一套無線激光瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括兩臺無線激光瓦斯傳感器、一臺網(wǎng)絡(luò)分站、一臺工業(yè)環(huán)網(wǎng)基站。截止2021年3月7日5201巷已掘進到位，通過7個月實際應(yīng)用效果來看，巷道安裝無線激光瓦斯傳感器后有效解決了有線瓦斯傳感器受巷道機械設(shè)備影響，導(dǎo)致線纜破斷、監(jiān)控失靈等技術(shù)難題，巷道在后期掘進過程中未發(fā)生因傳感器監(jiān)測精度低出現(xiàn)誤報警現(xiàn)象，無線激光瓦斯傳感器監(jiān)測精度控制在±0.1%范圍內(nèi)，大大提高工作面瓦斯監(jiān)測精度。

5 結(jié)語

通過實驗對比分析可知，煤礦井下采用GJG10J型無線激光瓦斯傳感器后，不僅大大提高了瓦斯檢測精度、數(shù)據(jù)傳輸速度，而且該傳感器受環(huán)境影響小，可使用于不同復(fù)雜條件下采掘工作面、硐室瓦斯檢測，保證了煤礦井下采掘施工安全，能滿足煤礦井下安全高效生產(chǎn)需要，應(yīng)用成效顯著。