煤矿井下瓦斯浓度检测方法综述*

李童童 童紫原 唐守锋 童敏明 徐朝亮

(1.中国矿业大学信息与控制学院；2.澳大利亚新南威尔士大学信电学院；3.徐州翰林科技有限公司)

我国属于贫油富煤国家[1]，长期以来一直以煤炭作为国家基础能源和工业原材料[2]。总体上，我国煤矿开采技术条件相对于世界矿业发达国家而言较差，开采过程中的安全隐患突出，重大、特大事故时有发生，其中，瓦斯爆炸是其中较突出的安全事故。瓦斯是一种易燃易爆气体，主要成分为甲烷(CH4)，甲烷的爆炸上限为15%，下限为5%，在浓度为9.5%时极易爆炸[3]。因此，对井下瓦斯浓度进行检测十分必要。目前，各类瓦斯浓度检测方法大体可以分为非光学分析法和光学分析法2类[4-5]。本研究结合近年来瓦斯浓度检测技术研究进展，对瓦斯浓度常用检测方法的技术原理、应用研究现状进行分析，对各类方法在煤矿井下的适用性进行评述，并对该领域的发展方向进行探讨。

1 非光学分析法

1.1 超声波检测技术

当超声波在不同种类气体中传播时，其特性会随着所穿过介质种类的变化而发生一定改变[6]。基于该原理对瓦斯浓度进行检测时，由于超声波在空气中和瓦斯中传播的速度不同，当两者传播相同的距离时，所用的时间不同，其差值便可以反映瓦斯浓度[7]。然而，在煤矿井下，两者时间差十分小且测量误差较大，无法满足精度要求，一般将时间差转化为相位差检测瓦斯浓度x，

(1)

式中，f为超声波发射的中心频率;Δφ为两路接收信号的相位差;C0为0 ℃时超声波在空气中的传播速度;K1为超声波在空气中的温度系数;K2为瓦斯与空气的声特性差异系数;T为环境温度;L为发射探头与接收探头之间的距离;ΔL为两路信号间距偏差。

超声波瓦斯浓度检测技术模型如图1所示。

图1 瓦斯浓度超声波检测模型

综合分析图1、式(1)可知：瓦斯浓度与超声波中心频率、两路超声波信号相位差、环境温度以及检测距离有关。因此，超声波传感器工作频率在很大程度上影响了检测的灵敏度，并且超声波传感器对温度变化比较敏感。

超声波气体浓度检测技术是气体检测领域的新兴方法，为进一步提高气体超声波流量计的检测精度，李志军等[8]提出了超声波时差法并用于测量气体浓度，尽管提高了流量计的检测精度并精简了电路，但该型流量计的电路系统依旧复杂，且测距过长，无法有效适用于煤矿井下瓦斯浓度检测；马超等[9]针对基于时间差的传统超声波测量技术存在的不足，提出了一种超低功耗、高精度的测量系统，虽然改进了电路设计但测量间距依然较大；丁喜波等[10]采用超声波相位差法代替直接时差法测量气体浓度，将系统复杂的电路进行了简化，并提高了测量精度，但当煤矿井下瓦斯浓度较低时，信号较微弱，导致测量误差较大，进一步提高检测精度是将超声波传感器应用于煤矿井下瓦斯浓度检测亟待解决的问题。由于超声波测量精度极易受到周围温度、湿度、压力等环境因素的影响[11-12]，谭飞[13]详细分析了环境温度、压力与瓦斯浓度的关系，但未给出具体的数学关系模型，因而难以定量分析环境因素对瓦斯浓度的影响。

1.2 半导体气敏法

半导体气敏法是通过气敏传感器实现对气体浓度的检测，其原理是根据氧化物半导体在不同气体、不同浓度环境下电导率的变化规律来检测气体浓度[14]。半导体气敏以氧化物半导体为材料且材料众多，主要有氧化锡、氧化锌、氧化钛等[14-15]。气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构以及制作工艺密切相关[12]。杨磊等[16]分析了气敏元件的掺杂改性思路，认为可以通过掺杂贵金属Pd和Pt来促进氢和氧分解，增快反应速度，以改善纯SnO2气敏传感器的性能，但化学反应速度较慢且对环境要求高，效果仍不理想；林毓韬等[17]利用湿化学方法向SnO2薄膜中注入Ca碱土金属元素离子，对于提高薄膜对甲烷气体的灵敏度效果较好。总体上，学者们分别通过在半导体甲烷敏感材料中添加催化剂、控制甲烷敏感材料的微细结构、采用新的工艺制备半导体甲烷敏感元件等方面开展研究，虽然在气敏材料中掺杂贵金属、稀有金属可以提高其灵敏度和选择性，但基于氧化物的半导体气敏法对工作环境要求高，稳定性和一致性较差，且成本较高，不适用于煤矿井下瓦斯浓度检测。

1.3 载体催化法

目前，矿井中广泛用于检测瓦斯浓度的方法是载体催化法。该方法的基本原理是利用瓦斯在元件表面燃烧时，元件温度升高引起铂(Pt)丝电阻值的变化量测量出瓦斯浓度[15,18]。瓦斯催化燃烧反应属于强放热不可逆反应[15]，其化学方程式为

(2)

将一定的电流通过如图2所示的电路(其中，RD为Pt丝电阻)后，当氧气充足时，瓦斯会在载体催化元件表面发生无焰燃烧，RD值随元件温度变化而变化且补偿电阻值不变，使得该电路产生的电位差失去平衡。利用电桥电路的输出值与ΔRD(RD值变化量)成正比关系，达到检测瓦斯浓度的目的。

图2 载体催化电路

虽然载体催化法起源早且应用广泛，但由于催化剂长期使用容易劣化并发生中毒现象，致使器件性能降低或失效，据此孙鹏等[19]提出了一种控制传感器工作温度的甲烷检测方法，可以有效恢复催化剂的活性并尽可能避免降低传感器的灵敏度，基本解决了长期使用催化剂时的中毒问题。此外，载体催化元件需每隔7～14 d进行校正调试，故而存在着不稳定和使用寿命短等不足[18, 20]。在数据分析方面，童敏明等[21]将催化传感器应用于可燃气体浓度分析并使用BP 神经网络处理信号；之后张愉等[22]采用动态学习算法对混合气体各组分浓度进行研究，虽然该2种方法均能较准确地分析出各组分浓度，但试验样本气体成分均较少，无法真实模拟煤矿井下的实际环境。

在煤矿井下，周围环境温度、湿度等不良因素的影响会引起检测元件产生零点漂移现象，严重影响检测精度，且其调校工作对人员专业性要求高，即便进行现场调校也很难达到出厂时的精度[20,23]。因此，载体催化法难以适用于煤矿井下瓦斯浓度检测。

1.4 气相色谱法

色谱法用于分离、分析混合物质极为有效，气相色谱法一经问世便得到了飞速发展[5]。当含有瓦斯的气体经流动相控制系统进入色谱柱中并在两相之间进行多次分配时，由于各气体成分的吸附和溶解能力不同，其运行速度也不同。因此在分离系统中，各气体成分彼此分离，有序进入检测系统，之后记录系统给出各成分的色谱峰。由谱图出峰的保留时间和峰面积便可以分析该气体的成分及浓度[5]。基于气相色谱法的瓦斯浓度检测模型如图3所示。

图3 基于气相色谱法的瓦斯浓度检测模型

气相色谱法对于成分较多的气体分离具有鲜明的优越性，张艳艳等[24]、王敏等[25]分别采用气相色谱法测量了沼气及空气中的甲烷含量，取得了较好效果。尽管气相色谱法检测精度较高，但均在开阔的环境中进行。由于气相色谱仪体积较大、功率高、对工作环境要求高且噪音较大、响应时间长，将其应用于检测煤矿井下瓦斯浓度，难度较大。

2 光学分析法

2.1 红外光谱吸收式

当光透过介质时，由于每种气体分子都具有吸收谱特性，当光的发射光谱与气体吸收谱重叠时，该部分才会被吸收，另一部分会被透射出。其中，介质对光的吸收遵循朗伯-比尔定律[26]

I(λ)=I0(λ)e-αλLC，

(3)

式中，I(λ)为输出光的强度;I0(λ)为输入光的强度;αλ为特定波长下单位体积和长度的气体吸收系数;L为光透过的气室长度;C为被测气体浓度。

激光透射气室如图4所示。

图4 激光透射气室示意

利用红外吸收光谱检测瓦斯浓度的技术模型如图5所示。首先利用调制信号电路和温度控制器控制激光器的波长和温度，激光经过准直器校准后穿过气体池，当遇到障碍物时激光将向各个方向发出反射，反射光经过菲涅尔透镜汇聚激光信号并通过光电探测器转换为电信号，电信号经过放大器放大后输送给计算机并与参考信号进行比较分析。

图5 基于红外吸收光谱的瓦斯浓度检测模型

甲烷气体的本征吸收峰为I1=3.432 μm，I2=6.78 μm，I3=3.31 μm，I4=7.66 μm处。在联合频带V2+2V3的波长为1.3 μm，泛频带2V3的波长为1.6 μm[27-28]，在1.6 μm处对甲烷的吸收强度远大于1.3 μm处。在煤矿井下，瓦斯不仅含有甲烷，还含有二氧化碳、氮气、水、乙烯、乙烷、二氧化硫、硫化氢等一些痕量气体[29]，甲烷在3.31 μm处的特征吸收峰与气体烃烷类一致[30]，因此还需考虑到痕量气体对红外光谱的吸收。目前，国内外检测甲烷气体浓度的研究主要集中于1.665 μm近红外光段[28]。痕量气体浓度对于瓦斯浓度的影响很小。

目前，红外检测方法在定性、定量及结构分析方面都有广泛的应用。周海坤等[30]、段尚汝等[31]分别对基于TDLAS技术的激光甲烷浓度检测系统进行了设计，采用波长调制技术和锁相放大电路极大提高了系统的灵敏度和稳定性，然而系统采用的DFB激光器的功率较低，角反射阵列分布较少使得测量距离受限，因而不适用于较长巷道测量；该类系统相对于李哲等[32]设计的检测系统而言，降噪效果不理想。李哲等[32]设计的系统使用分束器形成多路光路以检测不同位置处的瓦斯浓度并且可以实现全量程实时检测，但在试验时采用的是微型吸收池且未进行实际验证，是否适用于煤矿井下环境仍需进一步论证。

2.2 散射式

激发光照射到气体、液体或透明物质上会发生弹性散射和非弹性散射。其中拉曼散射包括斯托克斯散射和反斯托克斯散射。斯托克斯散射是指散射光频率小于激发光频率的散射光，而频率大于激发光频率的散射光称为反斯托克斯散射。拉曼散射检测方法能够简单、快速、无损伤地定性定量分析气体分子浓度，并且具有操作简便、测定时间短、灵敏度高等特性，检测限一般能够达到10-6量级[33-37]。但由于拉曼信号较弱[38]，并且工作时需要高精度的设备协同工作，因而在煤矿井下采用激发拉曼散射法检测瓦斯浓度难度较大。

2.3 干涉式

光干涉测量是一种根据光在空气和瓦斯中传播速度的不同进行瓦斯浓度检测的方法[39]。该方法采用光学系统将1束光分解为2束相干光，通过含有瓦斯气室和标准气室后，会产生光程差，将会引起光的干涉，在此基础上利用干涉条纹移动量与瓦斯浓度的关系确定瓦斯浓度。基于光干涉测量的瓦斯浓度检测模型如图6所示。

基于光干涉测量的瓦斯浓度技术装置的优点为体积小且坚固、校正快捷、方便实用，王子江等[39]设计了光干涉式甲烷浓度检测系统，并得到了大规模推广应用；黄晖等[40]设计出了一种简单、方便的瓦斯浓度检测方法，但未给出具体的技术模型。由于基于光干涉测量的瓦斯浓度检测精度会受到大气压力、湿度、温度影响，有时会出现明显误差，此外，由于CO2与甲烷的折射率一致[41]，若干燥管中的钠石灰失效，则会导致检测值偏高，易造成误判，因此，利用该方法检测煤矿井下瓦斯浓度时仍需对其进行进一步改进。

图6 基于光干涉测量的瓦斯浓度检测模型

3 展 望

非光学瓦斯浓度检测方法具有使用寿命较短、对检测环境要求高等不足，很多情况下无法实现在线监测。煤矿井下环境复杂，具有温度高、湿度大、粉尘多等特点，非光学检测方法有时无法适用于煤矿井下瓦斯浓度检测。超声波检测对于环境要求高，若能有效降低矿井压力和温度的影响，该方法会被广泛应用于煤矿井下瓦斯浓度检测。当矿井瓦斯处于低流速状态时，普遍使用的载体催化传感器的工作灵敏度低于红外光谱吸收检测法，可以通过降低或改善催化剂的中毒现象提高其灵敏度并减少校正次数。光学方法测量范围广，不仅可以进行在线监测预防危险的发生，还适合于现场实时监测，并且具有较高的灵敏度和较低的成本。红外光谱吸收式瓦斯浓度检测方法大多使用DBF激光器，其功率低且测距受限，若用二极管激光器替代，不仅可以减小光源体积而且能够降低成本。相对于红外光谱检测，拉曼检测更适用于水下甲烷气体检测[34]，可以用于研究水中溶解分子的光谱信息[34]，由此确定海水中游离态甲烷。光干涉式检测方法的工业应用较成熟，但精度受环境影响较大且体积较大不易简化，更适用于开阔环境中瓦斯浓度检测。总体来说，基于红外光谱吸收式的瓦斯浓度检测方法更适用于矿井环境[12]。煤矿井下瓦斯浓度检测技术的发展方向为：

(1)信号预处理算法改进。各类检测方法采集到的信号均较微弱，故而对信号转换和放大模块能否准确地转换、放大有效信号并滤去杂波信号的要求较高；其次，信号预处理是信号预测和信号处理的基础，对信号预处理算法进一步进行改进，对于提高瓦斯浓度检测信号强度进而提高瓦斯浓度检测精度大有裨益。

(2)检测元件和系统性能改进。煤矿井下环境较恶劣，对各种检测方法的稳定性和一致性提出了更高要求；瓦斯浓度关系着煤矿井下安全，因此对检测方法的灵敏度、分辨率和响应速度要求较高；煤矿井下空间较小，对于检测系统的小体积、低成本和低能耗也有较高的要求。

(3)检测系统智能化升级。随着智能材料和设备的发展，煤矿井下瓦斯浓度检测也势必朝着智能化方向发展。检测系统若具有自动校准、远程监控以及无线通信等功能，势必能够智能化检测出瓦斯浓度并根据检测数据快速给出预判分析结果，可为井下生产提供可靠借鉴。

4 结 语

详细分析了煤矿井下瓦斯浓度检测的非光学分析法和光学分析法的技术原理及应用研究现状，并对各类方法对于煤矿井下工作环境的适用性进行了评析。在此基础上，认为煤矿井下瓦斯浓度检测技术的发展方向为改进瓦斯浓度检测信号预处理算法、改进检测原件和系统性能以及检测系统智能化升级。

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