TDLAS 氣體檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀及其在煤礦中的應(yīng)用

王金成，梁運濤，田富超

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤礦井下空氣組分復(fù)雜，準(zhǔn)確快速分析煤礦混合氣體成分和體積分?jǐn)?shù)對保障作業(yè)人員身體健康，實現(xiàn)礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸等災(zāi)害的早期預(yù)警具有重要意義[1]。目前煤礦氣體檢測采用的催化燃燒式、熱導(dǎo)式、光干涉式、電化學(xué)式以及光譜分析技術(shù)（傅里葉變換紅外光譜、非分散紅外光譜）等檢測技術(shù)，在實際應(yīng)用過程中均取得了一定效果，但由于自身和外部條件的限制，存在不同程度的局限性[2]?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術(shù)具有檢測靈敏度高、抗交叉干擾能力強、響應(yīng)速度快的特征，可實現(xiàn)多種氣體組分的定性定量檢測。

基于此，分析了TDLAS 氣體檢測技術(shù)特征及其在相關(guān)行業(yè)的研究現(xiàn)狀，論述了技術(shù)在煤礦氣體檢測方面的研究進展和應(yīng)用效果，對煤礦氣體檢測發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和展望。

1 TDLAS 氣體檢測技術(shù)概述

TDLAS 技術(shù)是通過函數(shù)信號發(fā)生器、光電探測器、前置放大器以及數(shù)字鎖相放大器的相互作用，得到1 條或幾條完整的吸收譜線，利用特征吸收譜線（吸收線線形、線寬及強度等參數(shù)）便可推算出被測氣體的種類和體積分?jǐn)?shù)信息。TDLAS 技術(shù)原理圖如圖1。

圖1 TDLAS 技術(shù)原理圖Fig.1 TDLAS technical schematic diagram

基于上述原理，TDLAS 技術(shù)通過非接觸的方式測試環(huán)境氣體溫度、氣體流場速度、氣體體積分?jǐn)?shù)，從而能夠間接反映出工業(yè)環(huán)境狀況。在溫度測量方面，該技術(shù)將系統(tǒng)元器件與高溫環(huán)境有效隔離，避免高溫環(huán)境對元件物理結(jié)構(gòu)造成破壞，將溫度上限最高提高到2 500 ℃[3]，與熱電偶等接觸式測溫方法相比，該技術(shù)環(huán)境適用性強，可以應(yīng)用于諸如燃燒場等高溫特殊環(huán)境的溫度檢測[4]；在速度測量方面，該技術(shù)響應(yīng)速度快，操作方便，憑借2 束激光交叉經(jīng)過待測流場，在氣體流速的作用下，雙激光束的譜線中心發(fā)生頻移，通過檢測偏移量便可快速計算流場速度[5]；在氣體體積分?jǐn)?shù)測量方面，該技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測氣體體積分?jǐn)?shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境痕量氣體檢測領(lǐng)域。

2 TDLAS 技術(shù)在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

TDLAS 技術(shù)具有一定的普適性，無需采樣及預(yù)處理，能直接適用于高溫、多粉塵、強腐蝕性等復(fù)雜環(huán)境，通過更換或調(diào)節(jié)激光光源可實現(xiàn)對多組分氣體的檢測。結(jié)合光纖和激光探測器技術(shù)，廣泛應(yīng)用在消防、石油化工、環(huán)保監(jiān)測等行業(yè)。

1）消防行業(yè)。在消防行業(yè)，測試氣體種類主要包括CO 和CO2。21 世紀(jì)初，祝玉泉等[6]將TDLAS 技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)氣體檢測，測得CO 和CO2氣體檢測靈敏度分別達到2.3×10-6和22×10-6；蔣亞龍等[7]利用TDLAS 技術(shù)設(shè)計了火災(zāi)探測系統(tǒng)，對于CO 最低檢測限達2×10-6，CO2最低檢測限達10×10-6；張佳薇等[8]采用TDLAS 技術(shù)檢測森林早期火災(zāi)，搭建了一套早期森林火災(zāi)CO 氣體檢測系統(tǒng)，檢測限可達10-6量級；侯月等[9]運用TDLAS 技術(shù)對CO2同位素檢測，檢測系統(tǒng)的響應(yīng)線性度可達99.96%。

2）石油化工行業(yè)。在石油化工行業(yè)，主要檢測的氣體是小分子烴類燃料和氫化物。孫鵬帥等[10]運用TDLAS 技術(shù)設(shè)計了一套可以檢測CH4、C2H2和C2H4多種氣體的開放式連續(xù)檢測與報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)對CH4、C2H2和C2H43 種氣體的最低測量極限分別為100×10-6、40×10-6和50×10-6；高彥偉等[11]選用波長1.28 μm 的氟化氫（HF）單根吸收線作為目標(biāo)吸收線設(shè)計了TDLAS 檢測系統(tǒng)，配置不同體積分?jǐn)?shù)HF 進行檢測，系統(tǒng)檢測限達1.12×10-6，測試精度達0.325%；李仲等[12]對比了運用TDLAS 技術(shù)的硫化氫（H2S）在線分析儀與傳統(tǒng)在線分析儀的差異，指出TDLAS 技術(shù)重復(fù)性穩(wěn)定，檢測精度高，多次重復(fù)性測試H2S 誤差均小于0.5×10-6。

3）環(huán)保監(jiān)測行業(yè)。在環(huán)保監(jiān)測方面，主要檢測大氣中的有毒有害氣體。喻洪波等[13]通過改進氣體傳感器陣列，提高系統(tǒng)檢測精度，使得C2H2氣體檢測最小體積分?jǐn)?shù)達300×10-6（2.5 cm 氣體吸收盒，101 325 Pa）；董鳳忠等[14]開展了TDLAS 配合多次反射池的方法，通過提取二次諧波將CH4氣體檢測下限降至100×10-9；基于光聲光譜技術(shù)，郭紅[15]對混合氣體成分進行了定量分析，設(shè)計的混合氣體檢測系統(tǒng)對大氣環(huán)境中NH3、C2H4、SF6氣體的檢出限分別為1.65×10-6、0.6×10-6和0.023×10-6；基于光腔衰蕩光譜的痕量氣體檢測技術(shù)，唐靖[16]采用7.6 μm 中紅外量子級聯(lián)激光器（QCL）作為光源，設(shè)計了大氣中CH4和氧化亞氮（N2O）的定量檢測系統(tǒng)；石錦濤[17]研發(fā)了多組分高精度有毒有害氣體濃度檢測樣機，可同 時測量CO、HCl、NO、NH3、CH4、CH3COCH3、HCHO等氣體；戴童欣等[18]設(shè)計出實時檢測CO2氣體的高精度光電探測系統(tǒng)，用于接收和轉(zhuǎn)換經(jīng)氣體吸收后的激光。

3 TDLAS 技術(shù)在煤礦氣體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來TDLAS 技術(shù)在煤礦氣體檢測領(lǐng)域逐漸得到推廣應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者圍繞煤礦火災(zāi)氣體檢測、定量分析算法開展了一系列實驗研究和技術(shù)研發(fā)，并在煤礦井下單組分氣體檢測、多組分氣體在線監(jiān)測等方面開展了大量的現(xiàn)場應(yīng)用。

3.1 技術(shù)研究進展

在煤礦氣體檢測技術(shù)研發(fā)方面，潘衛(wèi)東[19]利用TDLAS 技術(shù)，選取1 626.8 nm 附近的吸收峰為檢測譜線，結(jié)合波長調(diào)制和弱信號提取技術(shù)實現(xiàn)了煤自燃標(biāo)志性C2H4痕量氣體10×10-6的檢測下限；吳兵等[20]開發(fā)了煤礦火災(zāi)氣體束管監(jiān)測系統(tǒng)，采用氣體采樣和光纖數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的方式，解決了原有束管系統(tǒng)傳輸距離遠、氣體流速低等問題；馮文彬[21]研發(fā)了多氣體譜線調(diào)制技術(shù)和礦用激光光譜多參數(shù)災(zāi)害氣體檢測裝置，有效克服了水蒸氣、粉塵、背景氣體交叉干擾等難題；徐春梅等[22]采用可調(diào)諧激光二極管作為光源，結(jié)合光聲光譜法實現(xiàn)了煤礦井下瓦斯體積分?jǐn)?shù)的在線監(jiān)測；胡洋等[23]利用激光紋影技術(shù)將抽象的理論形象化，實驗研究了煤礦瓦斯爆燃流場的微觀結(jié)構(gòu)特性；魏超等[24]研究了煤的自然發(fā)火過程中，O2、CO、乙烯、乙烷的體積分?jǐn)?shù)變化，通過監(jiān)測氣體體積分?jǐn)?shù)間接得出礦井煤自然發(fā)火的狀況，為煤礦火災(zāi)的監(jiān)測預(yù)警提供可靠的依據(jù)。

在定量分析算法方面，魏玉賓[25]提出了一種基于預(yù)置零點的背景優(yōu)化痕量氣體檢測方法，結(jié)合最小二乘法實現(xiàn)了CO 氣體檢測下限達到10-6量級；杜京義等[26]基于TDLAS 氣體檢測技術(shù)提出了采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對CO 體積分?jǐn)?shù)做溫壓補償，有效擬合多種非線性函數(shù)，修正后的CO 體積分?jǐn)?shù)平均相對誤差降至1.55%；王前進等[27]提出了支持向量回歸模型，解決了高體積分?jǐn)?shù)CH4和痕量CO 同時檢測時兩者吸收信號干擾的難題，測試表明CO 和CH4體積分?jǐn)?shù)絕對誤差分別小于2×10-6和0.2%。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用現(xiàn)狀

3.2.1 井下單組分氣體檢測方面

井下單組分氣體的檢測主要涉及CH4、CO、C2H4、C2H2、H2S 和CO2等氣體。以CH4為例，典型檢測儀器包括GJG10J 煤礦用激光甲烷傳感器和ZJJ10煤礦用分布式激光甲烷監(jiān)測系統(tǒng)。

GJG10J 煤礦用激光甲烷傳感器結(jié)構(gòu)簡單，主要用于回采工作面、掘進工作面和瓦斯抽采管道等地點的CH4檢測，在陽煤三礦等礦井得到了成功應(yīng)用，與傳統(tǒng)的電化學(xué)和光學(xué)瓦檢儀相比，有效解決了催化劑中毒和零點漂移的問題[28]。ZJJ10 煤礦用分布式激光甲烷監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測主機和甲烷傳感器組成，具有智能分析的功能；在葫蘆素煤礦等礦井得到了成功應(yīng)用，系統(tǒng)連續(xù)運行3 個月，數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確穩(wěn)定，不發(fā)生零點漂移，適用于環(huán)境條件復(fù)雜的煤礦井下CH4多點監(jiān)測[29]。

3.2.2 井下多組分氣體在線監(jiān)測方面

早期，國內(nèi)研發(fā)了基于紅外光譜技術(shù)的煤礦用自然發(fā)火束管監(jiān)測系統(tǒng)，分別在郭家灣煤礦、青龍寺煤礦和魯西煤礦等礦區(qū)開展了井下采空區(qū)氣體分析預(yù)警, 初步實現(xiàn)了采空區(qū)火災(zāi)標(biāo)志性氣體的實時監(jiān)測[30-31]?，F(xiàn)階段，煤自然發(fā)火激光束管系統(tǒng)在煤礦氣體監(jiān)測領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，目前國內(nèi)激光束管監(jiān)測系統(tǒng)主要包括KJ428 型、JSG6（N）型和JSG8 型等。

KJ428 型礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)在同煤集團王村礦工作面采空區(qū)開展了煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體和溫度監(jiān)測，實現(xiàn)了井下CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2氣體的實時分析[32]；此外，該系統(tǒng)也在寸草塔二礦實現(xiàn)了上述6 種氣體體積分?jǐn)?shù)的在線監(jiān)測[33]。

JSG6（N）型火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在梅花井煤礦綜采面，通過24 h 連續(xù)循環(huán)監(jiān)測井下工作面、進風(fēng)流、上隅角等位置的O2、N2、C2H2、C2H4、CO2、CO、CH4信息，并及時將監(jiān)測結(jié)果和采樣氣體組分存入數(shù)據(jù)庫，實時分析評價[34]。

JSG8 煤礦自然發(fā)火激光束管監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于東灘煤礦綜放面，可對N2、O2、CH4、CO2、CO、C2H4、C2H2、H2、NO2等氣體進行24 h 實時監(jiān)測，可以保證采樣數(shù)據(jù)的快速分析和實時上傳，分析周期＜2 s，解決了傳統(tǒng)檢測技術(shù)實時性差，間斷性檢測的問題。

4 結(jié) 語

1）總結(jié)了TDLAS 氣體檢測技術(shù)的工作原理及技術(shù)特征，從檢測氣體種類和適用條件等方面分析了該技術(shù)在消防、石油、環(huán)保行業(yè)的研究現(xiàn)狀。

2）分析了TDLAS 技術(shù)在煤礦火災(zāi)氣體檢測、定量分析算法方面的實驗研究和技術(shù)研發(fā)進展，系統(tǒng)闡述了TDLAS 氣體檢測技術(shù)在煤礦井下單組分氣體檢測、多組分氣體在線監(jiān)測等方面的應(yīng)用效果。

3）TDLAS 技術(shù)抗干擾能力強、定量精度高，在C2H4、C2H2等井下痕量氣體定量分析和原位監(jiān)測方面具有潛在的技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)在痕量氣體低檢出限、多組分氣體交叉干擾等方面開展進一步研究與探索。