新型传感器在煤矿井下环境监测中的应用

侯俊波

（晋能控股集团责任公司煤峪口矿，山西 大同 037003）

引言

目前，随着我国煤矿开采深度的增加，大地压、岩爆或瓦斯涌出等安全隐患显著增加。超过55%的煤矿中含瓦斯，因此瓦斯突出和爆炸、顶板塌落和煤岩突出导致水浸、电机故障等安全事故。大型伤亡事故中，约80%是由甲烷爆炸引起的[2]。为此，重点开展了沼气监测与控制工作，对所有安全隐患进行在线监测，使事故得到提前处理和预防[3]。首先，需要对煤矿各关键位置的环境甲烷气体分布和动态进行高精度、高可靠性的连续监测。光纤甲烷传感器提供了0~100%全范围监测的潜力，无需重新校准。

2 光纤甲烷气体传感器

甲烷（CH4）是目前煤矿安全监测中最重要的瓦斯，当空气中甲烷含量达到5~16%时[4]，即发生爆炸。传统的催化型甲烷气体传感器含有铂加热器的传感电阻元件，该元件在可燃气体中燃烧，引起电阻随气体浓度的变化。惠斯通电桥电路用于监测传感器内部有源传感器电阻和惰性补偿电阻之间的差异。催化剂甲烷气体传感器的测量范围小，一般在0~4%之间，灵敏度随时间衰减，需要频繁的重新校准和维护。催化剂甲烷传感器对可燃气体敏感，缺乏选择性，它在低氧水平下也不能正常工作，容易中毒。红外甲烷传感器采用宽带红外LED光源和涂有红外滤波器的光电二极管探测器来检测甲烷吸收信号，同时也会受到湿度和温度漂移的干扰。近红外范围的半导体激光二极管或LED具有良好的选择性和灵敏度，可与光纤传感器头配套使用。

在1 650 nm范围内可以使用很多波长。根据比尔-朗伯比尔定律，激光束通过浓度为C，路径长度为L的吸收气体时，透射光功率I（λ）可以用S（T）可以通过线性或多项式拟合对操作温度范围进行经验表征。

典型的激光甲烷传感器及探测系统如图1所示。光从激光二极管源排放在1 663 nm左右分为两束,一个是直接一个光电二极管和放大转换为电子信号电压V1作为参考,然后其他经过传感器气体细胞发送信号检测PD2和放大信号电压V2。利用锯齿波扫描注入电流可以调制激光二极管的波长，得到了气体吸收光谱。采用DFB和VECSEL两种激光二极管作为光源。DFB提供更大的功率，而VCSEL提供更大的探测能力。

图1 光谱光纤气体传感器原理图

在扫描波长范围内的V1/V2的比值作为归一化光谱，可以用来进行直接吸收分析，以确定气体浓度。

直接归一化方法简单、鲁棒，通过对激光驱动电流进行正弦调制，利用锁相检测二次谐波吸收光谱，可以提高检测灵敏度。激光驱动器调制电流和吸收谐波信号如下页图2所示，典型调制频率为10 kHz，吸收信号为20 kHz[5]。

图2 激光驱动电流的正弦调制和气体吸收谐波信号

多通道传感器可以通过简单地将激光输出分离到多纤维来实现直接吸收和二次谐波方案。

气体光谱的吸收强度受单位体积气体分子的绝对密度的影响，而绝对密度又受环境温度和压力的影响。因此，需要进行纠正。采用长度为6.0 mm的传感器气槽直接吸收分析得到的典型甲烷气体浓度测量数据。分析得由于分子密度降低，测量数据随温度下降。光纤甲烷气体传感器的典型规格：0~4%范围精度为±0.05%；对于范围4~100%，准确度为0~5%的实际值[5]。

2 基于激光光谱学的多气体传感器

一氧化碳在红外区有很强的吸收能力。如图3所示，在4.6 μm和4.75 μm区域，CO的吸收线的系数约为4.5×10-19和4.0×10-19。为了使用电信激光装置和标准单模光纤，谐波近红外区域的吸收光谱是值得关注的。图4为1 568 nm和1 583 nm波长区域的吸收谱线。可以看出，近红外吸收比红外吸收弱约4×10-24。

图3 CO气体红外光谱

图4 1.568μm和1.583 μm区域的CO谐波谱

C2H2的近红外光谱如图5所示，可以看到吸收带在1 520~1 535 nm区域。C2H4、C2H6、CO2和O2的吸收波段分别在1 626 nm、1 654 nm、1 538 nm和760 nm左右。

图5 C2H2近红外光谱

为了达到亚ppm的灵敏度，需要多反射长路径长度的气体电池。采用两种透镜的Harriet设计具有机械振动容限高的优点。其中半导体激光二极管的光发射在CO波长，波长集成器，然后分裂成三个纤维臂。一个直接连接到光电二极管，用作功率参考；一个直接连接到光电二极管，用作功率参考；通过参照室与光电二极管相连，参照室包含待测气体混合物，用作波长参照室；第三个连接到光纤通道长度为20 m的Harriet光栅构成的传感器气室。

通过传感器的信号被功率基准归一化，以消除光源功率波动的影响。CO、C2H2、C2H4、和CO2的典型归一化吸收信号。

基于激光光谱对单一分子气体N2进行监测其中分别掺杂有CO、C2H2、C2H4气体，结果显示灵敏度分别为1×10-6、0.1×10-6和0.1×10-6。当其中存在高浓度的CH4和CO2时，对CO和C2H4的串扰进行补偿就很重要。

3 煤矿瓦斯在线监测系统

根据煤矿安全规程，将甲烷传感器放置于井下工作面顶角等瓦斯容易积聚的关键位置、采煤机截煤处等释放甲烷的地方以及工作面的通风出口巷道。目前黑白甲烷传感器占主导地位，由于成本低被煤矿行业广泛应用。激光和红外甲烷传感器已逐渐被业界所接受。然而，光纤传感器在现场应用中仍处于起步阶段，主要原因是缺乏行业标准。下页图6为煤矿瓦斯监测系统框图，由传感器、传感器站、数据或信号发射机或工业网络、数据服务器和显示器组成。甲烷等气体传感器与传感器站相连，传感器站提供直流电源和信号/数据通信接口。传感器数据通过传感器站和光纤传输链路进行点对点传输或通过工业网络中的网络交换连接传送到地面控制数据中心的数据服务器。煤层甲烷瓦斯报警阈值一般设为1.0%为音频报警，当周围甲烷气体浓度达到1.5%或2.0%时，传感器站为工作面生产设备启动断电开关信号。

图6 甲烷监测系统框图

在不需要现场显示的情况下，光纤甲烷传感器比传统的电子传感器更有优势。典型的例子是甲烷排水系统，光纤甲烷气体传感器可以用于监测管道甲烷浓度，并提供0~100%的全量程能力。定期重新校准黑白甲烷传感器（通常每两周一次）是非常麻烦的。激光、红外线或光纤甲烷传感器的使用，使校准或维护周期延长至每六个月一次，大大减少了传感器维护的人力，以及与传感器校准例行工作有关的人为错误。图7为甲烷气体监测数据的现场记录，其中短峰值为传感器数据读取响应2.0%标准甲烷气体。

图7 记录现场甲烷监测数据（使用常规标准2.0%甲烷气体测试传感器）

4 结语

煤矿是工作场所中最危险的场景之一，有易燃易爆和有毒气体，燃烧，洪水，顶板坍塌和许多大型设备。该区域面积大，环境复杂，待监测对象数量多，有时电力供应不足，传统电子传感器使用不方便。光纤物理传感器和气体传感器具有本质安全、传输距离长、覆盖面积大、多参数传感等独特优势。本文简要介绍了光纤传感器在甲烷、燃烧、岩爆、设备状态监测和应急信息系统中的几种关键传感器及其典型应用。该系统已在国内多家煤矿应用，成功地预防了一些煤炭燃烧危害、设备故障预防等。