新型激光式瓦斯遥测仪在煤矿瓦斯抽采中的应用

张永安

(山西西山矿业管理有限公司，山西 太原 030053)

0 引言

通风瓦斯事故历来是造成群死群伤、重大经济损失和社会影响的煤矿安全事故。“一通三防”管理向来是煤矿安全管理的重中之重。近年来随着政府的引导和要求，煤矿企业的重视，瓦斯抽采技术与管理的持续跟进，资金的投入到位，煤矿瓦斯抽采技术在煤矿瓦斯治理中的作用和地位越来越高。高瓦斯矿井瓦斯抽采钻孔年施工数量多在几千甚至上万个，接入抽采系统需要进行观测记录的钻孔数量更多，如此多的钻孔需要在日常管理中不断观测单孔的负压、流量、浓度、温度等数据，需要配置大量观测人员，工作量繁重，全部钻孔观测一遍巡检周期长，迫切需要自动化检测，实现减人提效。

1 瓦斯抽采钻孔的观测

1.1 观测方式

山西省境内的高瓦斯矿井多数属于较难抽放类型，在现场管理过程中需要检测钻孔单孔的瓦斯负压、流量、浓度、温度等参数。一般矿井观测工具采用高负压采样器抽取气样后用光学瓦检仪测量瓦斯浓度，用孔板或皮托管、压差计测负压和计算流量，或者采用一些自动测量仪器自动抽气测量计算相关数据[1]。

1.2 存在问题

测量时间长：传统观测方法测量过程时间较长，8小时制班一个观测工一般测量钻孔数在60个左右，全矿几千到上万的钻孔全部观测一遍需要人力较多，一些矿井巡检周期甚至在一月，瓦斯抽采钻孔数据更新时间较长，不利于抽采钻孔数据分析和发现问题现场管理及时处理。

数据偏差大：受观测工个人业务素质高低、操作水平和技术熟练程度影响，钻孔观测数据偏差较大。受现有观测工具和自动测量仪器的现场使用、维护保养、现场环境影响，特别是一些全自动精密观测仪器(如钻孔水汽较大无法使用)，实际测量使用中因观测人员使用不规范、不标准，仪器调教检定不及时，现场磕碰等因素影响，造成最后观测数据偏差更大。

测试工具不便携带：基础测量工具皮托管、水柱计、高浓光学瓦检仪、高负压采样器测量工具种类多，不便携带，单孔测量时间长，全矿钻孔观测一遍巡检周期长。

大型仪器使用维护量大：大型仪器大型自动仪器耗电量大，使用时间短，属精密仪器，配置传感器种类多、部件多，使用维护保养不当存在失爆危险，且测量数据易受影响而失真。

流量孔板安装成本高：单孔使用孔板流量计，单孔安装成本高，孔板处易于堆积煤渣和积水，给单孔数据测量带来很大误差，增加单孔抽采阻力和抽放系统总阻力[2]。

1.3 瓦斯抽采钻孔观测

根据矿井单孔实际观测数据，瓦斯抽采单孔负压达到13 kPa标准以上，较长时间段内单孔负压变化不大。在煤层确定地质条件无明显的变化情况下，若不采取高压水射流增透、深孔爆破增透等增加煤层透气性措施，在施工完成瓦斯抽放钻孔进行封孔后，该地点瓦斯抽放钻孔流量也基本固定，变化不大。因抽放钻孔单孔瓦斯流量很小或难于测出，现场实际频繁测量意义不大。需要观测的几项(负压、瓦斯浓度、温度、大气气压、流量等)数据只有单孔瓦斯浓度易于观测，其受封孔质量影响变化较大，其它几项参数在钻孔地点一定的情况下，数据变化较小。所以通过观测单孔瓦斯浓度的变化就可以有效判断瓦斯钻孔的封孔质量好坏、抽采效果高低。这是瓦斯抽采管理中必不可少的重点观测数据。

2 激光式瓦斯气体遥测仪

针对瓦斯抽采管理单孔数据观测中存在问题，引入一种新型激光式瓦斯气体遥测仪。在瓦斯抽采单孔封孔管上做个很小的改动，拓展性应用其瓦斯遥测功能，以对应解决瓦斯抽采单孔浓度观测复杂，巡检观测周期长，数据偏差大等问题。

2.1 仪器特点

新型激光式瓦斯气体遥测仪是一款创新性的便携式激光检测设备，它能够在0～30 m有效范围内对难以接近的区域和危险区域的甲烷泄露情况进行精确检测。在地面石油天然气行业、油气精炼行业及城市天然气管道配送等行业已取得广泛应用。其核心部分采用最先进的可调谐半导体激光吸收光谱技术，激光束由探测器发出后，穿越管道或设施射到另一端目标上，激光束部分会被目标反射回探测器。由于甲烷只会对某一波长的光进行吸收，通过波长模制激光吸收光谱技术，探测器不仅能够达到极高的灵敏度，而且还不受其他气体成分的影响，即便是隔着多层中空式的玻璃，也可以检测到甲烷，极大地提高了设备检测的准确度，还能有效地消除误差。经过防爆改装取得煤安认证后该产品得以在煤矿井下进行推广应用。新型激光式瓦斯气体遥测仪具有显著的功能特点。

2种功能：本质安全型产品，兼具便携式和遥测式2种功能。

防干扰：对甲烷具有唯一选择性，不受其他各种气体、水蒸气、粉尘的干扰。

体积小：体积轻巧，方便携带，无需采样，可连续实时检测。

响应快精度高：响应速度快只需0.1 s，测量范围大0～50 000 ppm·m，测量精度高±10%。

免于校正：只对甲烷有反映，检测准确可靠，不存在零点漂移，免于校正，灵敏度5(实测)ppm·m。

防护等级高：优越的防震、防水、防尘性能；防护等级高。

数据存储功能：可记录2 000组数据，具有USB接口，可将数据传至PC；进行表格数据和曲线图形数据的比对，方便数据分析，及时发现问题。

报警功能：声、光、振动报警功能；可根据客户要求定制数据传输方式。

无线通信功能：可集成WIFI功能，配合井下定位系统(选配)，防止虚报假检。

2.2 现场应用

新型激光式瓦斯气体遥测仪的现场应用只需把原瓦斯抽采单孔采样观测孔封堵盖，改成透明有机玻璃旋盖即可，改装费用低廉。测量时只需将仪器对准透明观测孔一按，0.1 s内完成瓦斯浓度数据观测记录。经某矿井下现场对比，瓦斯抽放钻孔浓度测量误差极小。傻瓜式操作，易学易用，人为操作和现场环境对钻孔观测数据影响小。本安机型安全度高。整机250 g，携带方便，测量快捷，单班一个观测工可快速测量300个以上钻孔数据。配备少量人员，在极短周期内就可以完成全矿井瓦斯抽放钻孔浓度数据的观测整理。数据导入电脑后可绘制表格或图形进行方便、直观的对比分析。为分析判断瓦斯钻孔单孔抽采效果、抽采效率、封孔质量、改善抽采设计提供快捷、有力、及时的数据支持。

以一个年钻孔任务1 000个矿井做计算为例，该矿井正常需观测巡检的抽采钻孔数量不低于2 000个，一般早班安排4个观测工观测，瓦斯抽采单孔瓦斯浓度测量对比见表1，人工观测效率对比见表2。

表1 测量数据对比

通过表1、表2观测数据的分析对比，煤安型新型瓦斯激光遥测仪的瓦斯浓度观测数据与传统光学瓦斯检测仪的观测数据相近，误差率在5.7%，准确率高。一般自动仪器与传统光学瓦斯检测仪的观测数据有较大误差，误差率在31.4%，特别是在瓦斯钻孔有水气影响情况下误差更大。劳动用工单人人工工效更是相差5倍以上。

表2 测量效率对比

3 结语

新型激光式瓦斯遥测仪在瓦斯抽采单孔浓度测量中的开拓性应用，极大地缩减了钻孔数据巡检周期，减少了巡检观测工人员配置数量。大数据量存储，与PC机数据对接方便，可生成各种数据表格和图形对比，及时连续地观测数据更新也对瓦斯现场抽采管理提供了有效的数据支持。随着人们对新型激光式瓦斯气体遥测仪的了解和认识的提高，新型激光式瓦斯遥测仪在矿井瓦斯治理中的应用会越来越广，在保障矿井安全生产中的作用会越来越大。