激光甲烷传感器在矿用防爆机车上的应用

李晋阳

（山西晋煤集团技术研究院，山西 晋城 048006）

1 引言

甲烷传感器是煤矿瓦斯监控系统中井下在线监测瓦斯数据的重要仪器。目前井下防爆型机车（机组）使用的均为催化型甲烷传感器。由于机车工况条件下震动较大且作业环境恶劣，再加上催化型传感探头本身易燃、易中毒、维护困难，导致催化型车载甲烷传感器的故障率一直居高不下[1]。激光甲烷传感器的发光源为激光器，能够准确测量全浓度范围的甲烷气体，抗干扰能力强，检测精度高，非常适合在矿用防爆机车上推广使用，提升传感器可靠性。

2 现场概况

岳城煤矿为沁秀公司下属主力矿井，目前井下所有胶轮车、综掘机、采煤机和千米钻机上均配备矿用车载式甲烷断电仪。但受工况条件和作业环境限制，断电仪故障率连续三年在42%左右，对生产衔接造成很大影响，且定检维护操作繁琐，浪费很大的人力物力。因此非常有必要在原有断电仪装置的基础上配备激光甲烷传感器，提升设备可靠率。

3 研究内容

通过对岳城煤矿井下所有的胶轮车、综掘机、采煤机和千米钻机上安装激光甲烷传感器（配套车载断电仪），利用激光技术监测机车（机组）所在位置的瓦斯浓度。当浓度超过预设的报警点时，仪器能发出声光报警；当浓度超过预设的断电点时，仪器能自动切断电源，以确保安全生产；当浓度回落到报警点或复电点以下时，仪器能解除报警或自动解锁，恢复机车（机组）供电，将其作为井下监测瓦斯浓度的另一重要技术手段。

4 传感器设计

4.1 硬件主机设计

断电仪主机的硬件电路包括底板、充电板、显示板、电池等元器件。其中底板主要用于电源转换、电源供应、电路保护等；显示板为断电仪的核心板，主要用于接收传感器信号、处理信号、继电器动作等，实现断电仪的主要功能[2]；充电板和电池用于断电仪自身的充放电控制。断电仪内部逻辑如图1。

图1 断电仪主机内部逻辑图

车载式甲烷断电仪主机的软件设计部分主要实现以下功能：当断电仪的甲烷浓度达到预置的报警点时，报警器和甲烷传感器应同时发出声、光报警信号。当甲烷浓度恢复到预置报警点以下时，应能解除自动报警。

4.2 软件设计

断电仪的软件流程如图2。

图2 断电仪的软件流程图

该断电仪不但能实现不同浓度甲烷气体的分类测量，当电路故障时还能够自动断电，起到保护电路的作用，确保了长时间使用的安全性。

4.3 抗震设计

断电仪主机外壳设计加入抗震设计，增加三重保护进行抗震、减震，在井下的震动环境中有效地减少故障率，提高设备的使用率。断电仪内部图如图3。

如图3，其中加固螺栓进行加固时采用橡胶管件，不是采用金属弹垫，断电仪内部的电源部分和主要元器件均采用集成模块，制作焊接完毕后进行胶封，有效地防止震动时元器件焊脚发生故障，提高抗震能力。

图3 断电仪内部图

4.4 配套设计

断电仪控制流程如图4。

图4 断电仪控制流程

断电仪的工作流程为：电源是AC127 V/AC36 V/DC24 V，通过电源模块转化成DC24 V，然后通过限压、整流等措施，提供一路DC18 V。这路DC18 V 给传感器供电，并给传感器的电池充电，传感器反过来又控制断电仪的继电器。当传感器正常工作，测值在超限报警值下时，断电仪保持通的状态；当传感器超限报警并发出断电命令时，断电仪动作，保持断的状态；在断电仪有交流供电的情况下，它一直给传感器和传感器的电池充电；当交流失电的情况下，传感器通过自身的电池，控制断电仪的继电器，使断电仪保持动作或不动作[3]。

5 现场实施

5.1 仪器安装

2018 年9 月，200 套断电仪主机和激光传感器到矿（10 套备品备件）并完成安装，安装地点分别为掘进机50 套、采煤机6 套、千米钻机6 套、胶轮车128 套，完成项目实施规模。其中：

（1）胶轮车由车载电池提供DC24 V 电源，照明和发动机动力分别由不同的线路进行供电；机械结构比较统一，由驾驶室和载运部分构成。根据煤矿安全规程，断电仪设备在进行断电操作时只需断开机车动力电源即可。

（2）掘进机和采煤机电气原理和机械机构都不相同，但断电仪的控制比较一致。根据煤矿安全规定，掘进机、采煤机在进行断电操作时需切断整车电源，意味着断电仪主机需控制机组上级电源-真空磁力起动器。

（3）千米钻机工作时保持位置固定的特点，断电仪一般采用壁挂的方式进行安装，机械安装并无难点，将断电仪主机和甲烷传感器悬挂固定在机组附近的煤壁即可。

5.2 实施效果

2018 年5 月，我方对所安装的断电仪设备进行跟踪检验，检查并记录设备的运行情况。正常工作状态下，未出现误断、错断或不动作等故障，工业性试验期间安全可靠，测量误差为：0.5 标气测量误差波动范围为0.01～0.04，2.0 标气测量误差波动范围为1%～4%，响应时间误差波动范围为13～18 s。截至2019 年3 月，220 套设备稳定运行，正常工作状态下，未出现误断、错断或不动作等故障，工业性试验期间安全可靠。

6 效益分析

目前井下使用的催化式甲烷传感器售价按平均每台0.4 万元计算，激光甲烷传感器售价成本在1.15万元左右；220 台每年共需调校5500 次共计27.5万元，激光甲烷传感器无此项费用；每台传感器每15 d 调校一次，总计人工费用34 万元，共计每年节约61.5万元；此外，催化式甲烷传感头售价260元，平均每年的维护费用为400 元左右，每年更换费用合计11 万元，共计72.5 万元。由此可知，在长期使用的情况下，激光甲烷传感器综合成本低于催化式甲烷传感器。