煤矿监测系统中传感器应用浅析

卢江红

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

传感器技术在基础学科中占有越来越重要的地位，其是让机器实现智能化的首要条件。传感器的本质是测量系统，其可测量煤矿井下甲烷浓度、温度、湿度、CO浓度等，并将测量量按照一定的规律转化成电信号，电信号是机器系统可以识别的信号，机器系统再将各种各样的信号转化成具体的数值，便可实现环境的感知。基础技术的发展推动着生产水平的提升，传感器技术的不断进步，应运而生出大量矿用传感器，且传感器的精度、功能不断提升、完善，有效提高了煤矿监控系统的有效性以及可靠性[1-2]。煤矿监测监控系统的成熟及大量运用对于煤矿安全生产有着重要作用，并且对于煤矿生产管理方式的变革起到巨大推动作用，是安全监管的有利手段和安全生产的可靠保障。根据煤矿生产环境的特点，常用的矿用传感器有：CO传感器、风速传感器、温度传感器、甲烷传感器等。

1 煤矿监测监控系统介绍

煤矿监测监控系统的功能可大体分为两类。一类是生产环境监测，如甲烷等易燃易爆气体浓度、井下温湿度、井下风速以及烟尘等生产环境信息[3]；一类是生产信息监控，如各类机电设备的运行状态、水位、煤位等信息，利用监测到的信息可以实现分布式控制，比如实现水泵的启停，提升机的启停以及安全设施的运转等，可以说煤矿监测监控系统是煤矿生产力的极大提升。

煤矿监测监控系统主要是实现信息采集、信息传递以及信息处理，故系统组成一般包括主站、分站、服务器、分布各处的各类传感器、网络交换机以及数据接口装置等。本文主要对系统传感器的配置进行简单探讨。

2 CO传感器的应用

矿井中一氧化碳的浓度可用于判断煤矿是否存在自然现象，煤矿生产中较为容易出现一氧化碳气体，比如进行钻孔时，煤容易在钻孔内不充分燃烧，进而产生大量的一氧化碳气体。一氧化碳是无色无味气体，极易引起人体中毒，所以一氧化碳中毒事件在煤矿中较容易发生。在煤矿安全规程中有着明确的要求，需要在矿井重点区域，如大巷、采煤工作面、采空区及回风巷等，安装一氧化碳传感器对该区域的一氧化碳浓度实时监测，并设定报警设施，一旦一氧化碳浓度超过报警值便发出报警。

3 甲烷传感器的应用

甲烷传感器主要用于监测瓦斯浓度，瓦斯是以甲烷为主要成分的混合气体，当瓦斯在空气中达到一定浓度，便可能发生爆炸[4]。甲烷传感器的检测元件能够根据甲烷的浓度产生对应的电信号，经过放大、模数转换，送至处理器，根据设定程序实现信息处理，当甲烷数据超标，会发出相应动作，比如报警、显示等[3]。甲烷传感器在煤矿生产中被普遍应用，井巷、工作面、采空区以及回风巷道等均有设置。甲烷传感器技术得到有效发展，最初使用的传感器类型为电化学传感器和燃烧性传感器，这两种传感器的实用性较差，有较多的缺点，比如稳定性差、反应时间长以及定期调校，这些缺点严重制约甲烷传感器在煤矿生产中的应用。目前井下使用的传感器已更新为红外传感器，其原理是基于甲烷气体对红外光谱的吸收性来检测甲烷浓度，几乎不受工作环境影响，特别适合工作环境恶劣的井下环境。而且，红外甲烷传感器具有抑制零点漂移的能力，调校周期长，不仅降低工作人员的工作量，而且提高甲烷监测的准确性、可靠性，从一线人员的角度看，如果传感器可靠性低或者准确性不够，此传感器不如不设置。现在煤矿井下设置的甲烷传感器可以实现全量程测量，具有很高的测量精度，且具有防水、防尘功能，具有很好的环境适应性，对于传感器的稳定工作具有良好的作用，对于瓦斯监测、安全生产具有重要意义。

4 温度传感器的应用

工作环境温度对煤矿的安全生产有着重要的影响，而且一些仪器或者传感器的测量也需要根据需要进行温度校准，比如超声波测距。过去热电偶温度传感器被大量应用煤矿井下测温，但是热电偶传感器具有一定缺点，限制其在煤矿生产中的进一步应用，比如测量精确度低、误差大，此缺点进一步影响到超声波测距；此外，其不便于远距离传输、反应慢、安装调试复杂等都影响用户的使用体验。目前，热电偶温度传感器逐渐被光纤传感器取代。光纤传感器具有许多优良的特点，尤其是适应煤矿井下恶劣的工作环境，具有很高的用户使用体验，比如其具有很强的抗电磁干扰能力，能够在复杂电磁环境下具有较高的测量精度；光纤成本低、频带宽，可以适应于远距离传输，尤其是光纤温度传感器可以连续测量沿线多点温度，特别适合大范围测温场合。由于光纤温度传感器的优良特性，使其特别适合在煤矿井下环境恶劣、远距离传输应用。光纤温度传感器普遍应用在胶带输送机，因为胶带输送机在工作的过程中存在摩擦，较为容易出现温度过高的缺陷，而且胶带输送机一般距离较长，需要连续多点检测，当温度超过限值后，可断电实现对胶带机的保护。

5 风速传感器的应用

风速是井下的重要监测量，风速对于安全生产有着较为重要的意义。通常情况下，井下风速低会导致作业人员汗水蒸发慢，造成身体不适，且采煤过程中产生的有害气体不能够及时排出巷道，存在瓦斯爆炸隐患；井下风速高会造成汗液蒸发快，作业人员易感冒等状况，且容易激起尘土煤灰，故风速对于安全生产和身体健康有着重要的影响。风速传感器很多是基于热敏电阻原理，利用热对流来测定风速。通常情况下风速越大散热越快，其本质是对流换热的过程，且散热量的大小与温度、风速均有关系，故可利用这种关系进行风速测定。对一热敏电阻加一恒定电流，当达到热平衡的状态，即热敏电阻的发热量和散热量基本一致，此时热敏电阻对应一个电阻值，通过测定两端的电压，便可以确定风速。

6 结 语

本文主要以CO传感器、甲烷浓度传感器、温度传感器、风速传感器为例来分析传感器在提高煤矿监测监控系统的可靠性及精确性方面的应用。利用煤矿监控系统可有效监控生产活动，可以保障煤矿的安全生产，对于提高煤矿企业的经济效益，煤矿产业的竞争力，均有着重要作用。但鉴于目前传感器具有一定的局限性，在运用的过程中要扬长避短，发挥其有效监控的正面效能，为煤矿的安全生产提供更可靠的技术支撑。