TDLAS 气体检测技术研究现状及其在煤矿中的应用

2022-12-01王金成梁运涛田富超

煤矿安全 2022年11期

王金成，梁运涛，田富超

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

煤矿井下空气组分复杂，准确快速分析煤矿混合气体成分和体积分数对保障作业人员身体健康，实现矿井火灾、瓦斯爆炸等灾害的早期预警具有重要意义[1]。目前煤矿气体检测采用的催化燃烧式、热导式、光干涉式、电化学式以及光谱分析技术（傅里叶变换红外光谱、非分散红外光谱）等检测技术，在实际应用过程中均取得了一定效果，但由于自身和外部条件的限制，存在不同程度的局限性[2]。可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技术具有检测灵敏度高、抗交叉干扰能力强、响应速度快的特征，可实现多种气体组分的定性定量检测。

基于此，分析了TDLAS 气体检测技术特征及其在相关行业的研究现状，论述了技术在煤矿气体检测方面的研究进展和应用效果，对煤矿气体检测发展趋势进行了总结和展望。

1 TDLAS 气体检测技术概述

TDLAS 技术是通过函数信号发生器、光电探测器、前置放大器以及数字锁相放大器的相互作用，得到1 条或几条完整的吸收谱线，利用特征吸收谱线（吸收线线形、线宽及强度等参数）便可推算出被测气体的种类和体积分数信息。TDLAS 技术原理图如图1。

图1 TDLAS 技术原理图Fig.1 TDLAS technical schematic diagram

基于上述原理，TDLAS 技术通过非接触的方式测试环境气体温度、气体流场速度、气体体积分数，从而能够间接反映出工业环境状况。在温度测量方面，该技术将系统元器件与高温环境有效隔离，避免高温环境对元件物理结构造成破坏，将温度上限最高提高到2 500 ℃[3]，与热电偶等接触式测温方法相比，该技术环境适用性强，可以应用于诸如燃烧场等高温特殊环境的温度检测[4]；在速度测量方面，该技术响应速度快，操作方便，凭借2 束激光交叉经过待测流场，在气体流速的作用下，双激光束的谱线中心发生频移，通过检测偏移量便可快速计算流场速度[5]；在气体体积分数测量方面，该技术能够实时监测气体体积分数，已经广泛应用于工业环境痕量气体检测领域。

2 TDLAS 技术在相关行业应用现状

TDLAS 技术具有一定的普适性，无需采样及预处理，能直接适用于高温、多粉尘、强腐蚀性等复杂环境，通过更换或调节激光光源可实现对多组分气体的检测。结合光纤和激光探测器技术，广泛应用在消防、石油化工、环保监测等行业。

1）消防行业。在消防行业，测试气体种类主要包括CO 和CO2。21 世纪初，祝玉泉等[6]将TDLAS 技术应用于火灾气体检测，测得CO 和CO2气体检测灵敏度分别达到2.3×10-6和22×10-6；蒋亚龙等[7]利用TDLAS 技术设计了火灾探测系统，对于CO 最低检测限达2×10-6，CO2最低检测限达10×10-6；张佳薇等[8]采用TDLAS 技术检测森林早期火灾，搭建了一套早期森林火灾CO 气体检测系统，检测限可达10-6量级；侯月等[9]运用TDLAS 技术对CO2同位素检测，检测系统的响应线性度可达99.96%。

2）石油化工行业。在石油化工行业，主要检测的气体是小分子烃类燃料和氢化物。孙鹏帅等[10]运用TDLAS 技术设计了一套可以检测CH4、C2H2和C2H4多种气体的开放式连续检测与报警系统，该系统对CH4、C2H2和C2H43 种气体的最低测量极限分别为100×10-6、40×10-6和50×10-6；高彦伟等[11]选用波长1.28 μm 的氟化氢（HF）单根吸收线作为目标吸收线设计了TDLAS 检测系统，配置不同体积分数HF 进行检测，系统检测限达1.12×10-6，测试精度达0.325%；李仲等[12]对比了运用TDLAS 技术的硫化氢（H2S）在线分析仪与传统在线分析仪的差异，指出TDLAS 技术重复性稳定，检测精度高，多次重复性测试H2S 误差均小于0.5×10-6。

3）环保监测行业。在环保监测方面，主要检测大气中的有毒有害气体。喻洪波等[13]通过改进气体传感器阵列，提高系统检测精度，使得C2H2气体检测最小体积分数达300×10-6（2.5 cm 气体吸收盒，101 325 Pa）；董凤忠等[14]开展了TDLAS 配合多次反射池的方法，通过提取二次谐波将CH4气体检测下限降至100×10-9；基于光声光谱技术，郭红[15]对混合气体成分进行了定量分析，设计的混合气体检测系统对大气环境中NH3、C2H4、SF6气体的检出限分别为1.65×10-6、0.6×10-6和0.023×10-6；基于光腔衰荡光谱的痕量气体检测技术，唐靖[16]采用7.6 μm 中红外量子级联激光器（QCL）作为光源，设计了大气中CH4和氧化亚氮（N2O）的定量检测系统；石锦涛[17]研发了多组分高精度有毒有害气体浓度检测样机，可同时测量CO、HCl、NO、NH3、CH4、CH3COCH3、HCHO等气体；戴童欣等[18]设计出实时检测CO2气体的高精度光电探测系统，用于接收和转换经气体吸收后的激光。

3 TDLAS 技术在煤矿气体检测领域的应用

近年来TDLAS 技术在煤矿气体检测领域逐渐得到推广应用，相关学者围绕煤矿火灾气体检测、定量分析算法开展了一系列实验研究和技术研发，并在煤矿井下单组分气体检测、多组分气体在线监测等方面开展了大量的现场应用。

3.1 技术研究进展

在煤矿气体检测技术研发方面，潘卫东[19]利用TDLAS 技术，选取1 626.8 nm 附近的吸收峰为检测谱线，结合波长调制和弱信号提取技术实现了煤自燃标志性C2H4痕量气体10×10-6的检测下限；吴兵等[20]开发了煤矿火灾气体束管监测系统，采用气体采样和光纤数据传输相结合的方式，解决了原有束管系统传输距离远、气体流速低等问题；冯文彬[21]研发了多气体谱线调制技术和矿用激光光谱多参数灾害气体检测装置，有效克服了水蒸气、粉尘、背景气体交叉干扰等难题；徐春梅等[22]采用可调谐激光二极管作为光源，结合光声光谱法实现了煤矿井下瓦斯体积分数的在线监测；胡洋等[23]利用激光纹影技术将抽象的理论形象化，实验研究了煤矿瓦斯爆燃流场的微观结构特性；魏超等[24]研究了煤的自然发火过程中，O2、CO、乙烯、乙烷的体积分数变化，通过监测气体体积分数间接得出矿井煤自然发火的状况，为煤矿火灾的监测预警提供可靠的依据。

在定量分析算法方面，魏玉宾[25]提出了一种基于预置零点的背景优化痕量气体检测方法，结合最小二乘法实现了CO 气体检测下限达到10-6量级；杜京义等[26]基于TDLAS 气体检测技术提出了采用BP 神经网络模型对CO 体积分数做温压补偿，有效拟合多种非线性函数，修正后的CO 体积分数平均相对误差降至1.55%；王前进等[27]提出了支持向量回归模型，解决了高体积分数CH4和痕量CO 同时检测时两者吸收信号干扰的难题，测试表明CO 和CH4体积分数绝对误差分别小于2×10-6和0.2%。

3.2 现场应用现状

3.2.1 井下单组分气体检测方面

井下单组分气体的检测主要涉及CH4、CO、C2H4、C2H2、H2S 和CO2等气体。以CH4为例，典型检测仪器包括GJG10J 煤矿用激光甲烷传感器和ZJJ10煤矿用分布式激光甲烷监测系统。

GJG10J 煤矿用激光甲烷传感器结构简单，主要用于回采工作面、掘进工作面和瓦斯抽采管道等地点的CH4检测，在阳煤三矿等矿井得到了成功应用，与传统的电化学和光学瓦检仪相比，有效解决了催化剂中毒和零点漂移的问题[28]。ZJJ10 煤矿用分布式激光甲烷监测系统由监测主机和甲烷传感器组成，具有智能分析的功能；在葫芦素煤矿等矿井得到了成功应用，系统连续运行3 个月，数据监测准确稳定，不发生零点漂移，适用于环境条件复杂的煤矿井下CH4多点监测[29]。

3.2.2 井下多组分气体在线监测方面

早期，国内研发了基于红外光谱技术的煤矿用自然发火束管监测系统，分别在郭家湾煤矿、青龙寺煤矿和鲁西煤矿等矿区开展了井下采空区气体分析预警, 初步实现了采空区火灾标志性气体的实时监测[30-31]。现阶段，煤自然发火激光束管系统在煤矿气体监测领域得到了推广应用，目前国内激光束管监测系统主要包括KJ428 型、JSG6（N）型和JSG8 型等。

KJ428 型矿用分布式激光火情监测系统在同煤集团王村矿工作面采空区开展了煤自然发火标志性气体和温度监测，实现了井下CH4、CO、C2H2、O2、C2H4和CO2气体的实时分析[32]；此外，该系统也在寸草塔二矿实现了上述6 种气体体积分数的在线监测[33]。

JSG6（N）型火灾束管监测系统应用在梅花井煤矿综采面，通过24 h 连续循环监测井下工作面、进风流、上隅角等位置的O2、N2、C2H2、C2H4、CO2、CO、CH4信息，并及时将监测结果和采样气体组分存入数据库，实时分析评价[34]。

JSG8 煤矿自然发火激光束管监测系统应用于东滩煤矿综放面，可对N2、O2、CH4、CO2、CO、C2H4、C2H2、H2、NO2等气体进行24 h 实时监测，可以保证采样数据的快速分析和实时上传，分析周期＜2 s，解决了传统检测技术实时性差，间断性检测的问题。