激光甲烷传感器在煤矿井下的应用探索

王 尧， 张 峰

（山西晋煤集团沁秀公司坪上煤业， 山西 沁水 048000）

1 煤层概况

山西晋煤集团坪上煤业有限公司位于沁水县端氏镇曲堤村，为资源整合矿井。井田面积9.422 2 km2，批准开采3号—15号煤层。井田内3号煤层可采储量为2 773.1万t，煤层平均厚度5.30 m，采煤方法为长壁分层综采采煤工艺，全部垮落法管理顶板，3号煤层服务年限为22年。3号煤层属不易自燃煤层，有煤与瓦斯突出危险，无煤尘爆炸危险性，水文地质类型为中等，无冲击地压危险。

1.1 安全监测监控系统情况（试验前）

我矿为高瓦斯突出矿井，监测监控系统采用的是重庆煤科院的KJ90NB系统（现在已经升级为kj90x系统），2011年12月安装，系统运行正常。试验前系统井下在用甲烷传感器98台（其中，KG9001C型高低浓40台、KG9701A型低浓度58台），均为重庆煤科院生产，应用催化燃烧原理，频率传输。

1.2 激光传感器试用背景及试用产品情况

根据国家安监总厅科技〔2015〕43号文件通知：“积极在矿井推广使用激光原理检测传感器”，集团公司通风处、研究院决定在我矿井下进行激光甲烷传感器的应用试点运行，为下一步集团推广使用积累经验。

根据我矿井下甲烷传感器的使用数量实际情况，计划试用由郑州光力科技生产的激光甲烷传感器，共101台，其中GJG100J型45台（高浓），GJG10J型56台（低浓）。

1.3 郑州光力激光甲烷传感器情况

郑州光力GJG100J型激光甲烷传感器采用光谱吸收原理测量甲烷气体浓度，测量精确，工作稳定。传感器输出标准采用频率信号或RS485数字信号，由于试验时考虑到未来升级，本次测试所选用的探头同时具备以上两种输出式，试验时采用频率输出。其光学气体测量原理及激光测量原理如图1、图2所示（其原理不是本文重点讨论内容）：

图1 光学气体测量原理图

图2 激光测量原理图

2 激光传感器试运行情况

2.1 准备

2016年11月—2016年12月，对激光甲烷传感器进行了地面试运行，传感器年检、操作人员培训工作。

2.2 安装实施试运行

为保证井下监测数据准确完整，试用第一步采用小面积两种传感器并列同时运行的方式，待确定激光传感器的稳定性能后，再对井下所有在用甲烷传感器进行更换试运行。试验第一步选择总回、一翼回风等固定地点传感器进行两种传感器同时运行，每天12：00及22：00记录下两种传感器的实时数据，对两种数据进行统计分析，下页表1为一个月的对比情况分析。

通过以下对比可以看出，激光传感器运行稳定，两者误差不大。2017年3月共计完成对井下69台激光甲烷传感器的安装。

表1 激光传感器与黑白催化元件传感器试验数值统计

2.3 运行情况

2.3.1 运行时间

2017年3月至2017年底，进行了为期半年的激光甲烷传感器试运行阶段，试运行期间保持设备台数运行在60台以上。

2.3.2 调校维护

为最大程度试验出激光甲烷传感器的稳定性，对井下运行的激光甲烷传感器每15天进行一次标气（2.0%CH4）对比测试。

2.3.3 运行情况

对井下运行的激光甲烷传感器，每15天使用标准气样进行一次对比测试，误差均在±0.10%（真值的±5%）以内，其中90%的传感器测量误差在±0.006%（真值的±3%）以内。

3 期间存在的问题及解决方法

3.1 测量值偏小

试运行期间，两台激光甲烷传感器出现测量值偏小的问题，编号分别为160037（下称传感器A）和160043（下称传感器B）。在使用期间发现其显示值偏小，其显示值比比光学瓦斯检测仪测量值低0.1%左右。经过排查原因为传感器滤网积尘严重，滤网被堵，现场气体不能被有效准备检测到，致使监测数据偏小，更换上井清除积尘后，分别用φ（CH4）=0.10%、φ（CH4）=0.20% 、φ（CH4）=0.30% 、φ（CH4）=0.40% 、φ（CH4）=0.50%、φ（CH4）=0.60%的标准气样进行调试对比，数据正常（见表2）。为杜绝类似问题再次出现，厂家对对滤网进行了更换（见图3）。

3.2 测量值偏高

2017年5月13日，发现一台传感器显示值偏高，显示值为0.45%，随即下井更换一台，更换后显示为0.3%。

原因分析与排除：对传感器上井进行标气测试，分别使用 φ（CH4）=0.50%和 φ（CH4）=2.0%进行标气，误差较小，随后进行返厂，最终确认原因为传感器出厂时，二次标定参数错误。

表2 清除滤网后故障传感器标校值

图3 更换前后滤网

4 试运行总结

4.1 激光甲烷传感器优势

通过为期半年的井下实际运用测试，激光甲烷传感器与传统催化式甲烷传感器相比具有明显的优势：

1）稳定周期长，可有效减少调校维护工作量。根据六个月的井下测试统计，激光甲烷传感器至少在3个月内可以免标校，仪器精度仍保持在标称指标之内。

2）元件使用周期长。传统的催化式甲烷传感器正常工作一年就需更换黑白元件，截止目前我矿在用激光甲烷传感器已使用近三年，元件仍然运行稳定，无需更换。

3）故障率低。通过为期6个月，对总计101台传感器进行的现场安装使用，运行期内仅有一台传感器经确认出现数据不准确的故障，其余传感器均未超出仪器标称误差范围，故障率约为1%。

4）传输稳定无误报现象。截止目前，部分激光甲烷传感器在我矿运行已近三年时间，未出现一次误报现象。

4.2 激光甲烷传感器不足

激光甲烷传感器具有上述优点，但同时也存在一定不足之处，需要普及运用还存在一定困难，主要表现在以下两个方面：

1）价格高。目前，虽然我国许多厂家生产激光甲烷传感器，但动辄上万元一台的价格还是让不少企业“望而却步”。

2）相关检测鉴定单位较少。市场上缺乏相关检测鉴定单位，在一定程度上推高了企业使用激光甲烷传感器的成本。

5 试验研究的意义

国家煤矿安全监察局在煤安监函〔2016〕5号文——《国家煤矿安监局关于印发＜煤矿安全监控系统升级改造技术方案＞的通知》中，明确指出“推广使用架构简单系统以及激光、红外等低功耗传感器、自诊断型传感器，鼓励使用多参数传感器。”同时，在即将于2020年2月1日实行的《AQ1029—2019》中，也为激光甲烷传感器的调校周期进行了明确规定。此次坪上煤业的激光甲烷传感器在井下的试运行，就像一次“破冰”，为集团公司乃至全省新型传感器的推广使用迈出了坚实的一步，相信在不久的将来，随着产品价格的趋向合理，随着国家更多政策的支持，随着相关第三方机构的不断增多完善，激光甲烷传感器的应用将迎来曙光。