无线激光甲烷传感器在矿井瓦斯监测中的应用研究

郑孝磊

（潞安矿业集团古城煤矿，山西 长治 046000）

甲烷是影响矿井安全、高效的关键因素，准确、快速地监测矿井甲烷，对矿井的安全具有十分重要的意义。目前，大部分矿井的工作面和硐室都采用了有线甲烷传感器来监控甲烷浓度。瓦斯监控系统由甲烷传感器、信号线、控制箱、电力等组成。但是，在实践中，该系统仍有许多缺陷，如：①有线甲烷监测器采用信号线方式进行信息交互，由感应器将探测到的数据经由信号线传送到控制室，但由于矿井作业面长度大，分布区域宽，造成了装置布线繁琐、长度长、劳动强度大、造价高等问题。②矿井开采作业环境复杂，容易受到机械的挤压和岩体的撞击，使常规的传感线路出现了严重的损坏，造成维修和维护的困难，同时也会对采煤工作面的正常甲烷监测和监视产生一定的影响。③由于煤矿井下的大型机械、电力、电缆等高阶谐波的存在，导致了线路上的信号延迟和畸变，从而使甲烷监测的效果出现偏差。为了解决这一问题，经过研究，对N2301采面甲烷监测系统进行了优化，并在矿井内安装了一台无线激光甲烷传感器。

1 概述

潞安化工集团某矿N2301 工作面北二采区，东部无工作面、北部为采区巷道，西部为N2302 工作面，N2301 工作面沿3#煤层底板进行回采。工作面总体北高南低。工作面3号煤层整体近似为一单斜构造，平均坡度6°,水平位置：+420m，地面标高:+939.7～+943.5m，工作面标高:+350～+445m。

N2301 工作面由胶带顺槽、辅助运输顺槽、高抽巷和切眼组成。胶带顺槽长1184m，辅助运输顺槽长1165m，切眼平距302m，回采平距720m。本工作面采用走向长壁、后退式低位放顶煤一次采全厚全部垮落式综合机械化采煤法。工作面采高3.5±0.1m，平均煤厚6.35m，循环进度0.8m。北二盘区3号煤层甲烷含量为10m3/t，N2301工作面煤层甲烷含量为6.2m3/t。

在N2301 胶带顺槽设置监控分站，用于工作面各地点的各类环境参数监测传感器的数据采集、甲烷电断电控制和实时监测数据上传。各类传感器与分站间通过专用线缆连接，沿就近巷道敷设，分站与采区变电所环网设备通过专用线缆连接，沿就近巷道敷设，实现数据上传。

共设置KGJ23甲烷传感器6个，KGT15皮带开停传感器2个，KGA5型一氧化碳传感器2个，GWP100型温度传感器1 个，GFY15 型风速传感器1 个，GCG1000 型粉尘传感器1个，GQQ5烟雾传感器1个，KDG-15A断电器4个，机载甲烷传感器1个。

工作面后溜甲烷传感器T0安设在排尾3#架尾梁下方300mm 处，用于监测工作面后溜及机尾老塘瓦斯浓度。

工作面风流甲烷传感器T1 吊挂在工作面回风侧沿空留巷区域距工作面切眼10m 范围内，用于监测综采工作面风流瓦斯浓度的监测，确保安设位置始终在要求范围内。当连接传感器的线缆上的两个接线盒会接时，将会接处多余线缆回撤。

工作面回风流甲烷传感器T2安设在N2302辅切与N2302 胶带顺槽交叉点上风侧10～15m 处，用于监测N2301工作面回风流瓦斯浓度。

由于该综采工作面回风巷的长度大于1000m，按照规定在回风巷的中部增设中部回风流甲烷传感器T4用于监测回风巷中部回风流瓦斯浓度，安设在N2301回风顺槽1#贯上风侧10～15m，随工作面推进，该传感器位置适时移动，始终保持在回风巷中部。

工作面末端回风流甲烷传感器T5安设在N2301回风顺槽内，距回风联巷上风侧10～15m 处，用于监测工作面末端回风流中的瓦斯浓度。甲烷传感器与顶板的间距不得超过300mm，距离巷道壁不得低于200mm，且安装处不得出现淋水现象。

在N2301 工作面安装阶段，因采用了有线式甲烷感应器，导致了瓦斯监测灵敏度低、故障率高，大型机械设备进场时容易磕碰，后溜甲烷传感器共发生3次故障，导致传感器线缆脱落及故障报警，由于传感器出现断线，造成两次施工中断事故，影响作业时间为12.7h，严重制约着巷道安全高效施工。为此，在技术上进行了深入的技术探讨，并根据现场实际情况，确定了矿井的安全监测方案，在后溜位置安装了一台GJJ100W 无线激光甲烷探测器。

2 无线激光甲烷传感器结构

GJJ100W无线激光甲烷传感器甲烷监测系统由电源、甲烷浓度采集装置、中央控制单元、无线通信电路等构成，具体结构见图1。甲烷感应器（探测器）主要用于采集采掘区域的甲烷浓度，并将采集到的数据实时上传到中央处理器，由数字显示器进行显示，并由中央处理器将处理后的数据用电子信号进行无线传送。该传感器的主要功能是由4 节型号为PL4Ah 锰酸锂锂离子蓄电池供电，单节标称电压DC 3.7V，标称容量：4000mAh，使用寿命长、功耗低，在电池电量不足时，可以及时将报警信号其上传到处理器中，并提醒工作人员其进行更换。在甲烷浓度超标的情况下，系统会自动报警[1]。

图1 GJJ100W型无线激光甲烷传感器结构原理

图2 GJG10J型无线激光甲烷传感器甲烷检测

2.1 激光甲烷传感器

本传感器由变送器和仪表主板两部分组成。变送器部分主要由激光器、信号放大电路和单片机电路组成，采用激光原理实现甲烷气体浓度检测，并将浓度值转换成数字信号并传给仪表主板部分；仪表主板部分可在数码管上显示甲烷浓度值，检测实时值与报警点比较实现声光报警，数据通过无线方式对外数字输出。

2.2 温度补充

由于井下环境的复杂性，激光传感器发射的激光波长受到外界温度的影响，因此需要对外部温度进行调节，在激光甲烷传感器内部装有半导体制冷器(TEC)，在外部甲烷进入激光器内部时，按照设置的数值对其进行加热和冷却，从而保证激光器在设定的温度下工作。

2.3 压力补偿

在工作环境下，激光传感器的工作压力在100～120kPa范围内，应选用合适的压力传感器，由于甲烷传感器内部空间的限制，所以选择具有较大检测范围，尺寸较小的NGP-305 型压力传感器。传感器中有电阻，测量电路采用惠斯顿电桥。

2.4 无线网络通信

本系统以BM433-3.0R网络为主要通讯模组，内置WaveMesh 通讯协定，其发射频率达433MHz，可同时对一个主波及15个辅助波进行调制，最大传输距离100m（空旷无障碍）。针对2301工作面有大量的机械和电气设备，在巷道中使用1 个主波和8 个辅助波，以避免产生较高的谐波干扰。经过现场的实际测试，证明了利用WaveMesh 协议建立的无线数据传输系统的无线传输系统具有较高的数据传输速率，没有发生数据畸变的情况，并且使用无线数据传输时稳定性好、功率低、功耗低，可以满足矿井复杂情况下的开采要求。

3 无线激光甲烷传感器工作原理

3.1 甲烷检测工作原理

在矿井开采过程中，利用甲烷可以吸收周围环境中某一特定波长的激光的特点，利用各波长的激光强度来判定工作面的甲烷浓度。为提高甲烷浓度的探测精度，采用双波长探测方式，并对其内部进行温度和压力补偿，与传统的红外、催化、导热等传感器比较，无线激光传感器不需要进行频繁的维护，且检测的精度相比有线载体催化式甲烷传感器提升明显[2]。

3.2 传感器无线通信原理

GJJ100W 无线甲烷传感器利用Wave Mesh 技术建立了一个用于无线数据传送的无线传输体系。本研究的主要内容包括两个方面：发射基地台（激光感应台）和一个接收机（网路接收机）。由激光感应器将监测到的甲烷密度数据经由无线网路传到网路接收机，经信息处理后再传回地面监视装置，在无线传输期间，可以根据接收端的故障状况对并组网进行优化。

井下工作条件复杂，坑道多，障碍物多，转弯多，为改善无线传输的稳定性，井下一站的无线传输距离设定在50～100m，且传感器在井下以树形拓扑的结构进行布置。与有线传输相比，Wave Mesh协议的无线传输系统具有显著的优势，如传输速度快、稳定性好、抗干扰能力强。

4 实际应用效果分析

4.1 现场试验测试效果

为检验该系统在实际的工作环境中应用的有效性，从甲烷浓度检测的精度和对环境的影响两方面进行了分析。

（1）准确度检测。选择了6个相同型号的KGJ23型有线甲烷传感器和GJJ100W 型的无线激光传感器（分别标记为1#，2#，...，6#），将两种类型的甲烷传感器分别置于甲烷浓度为2%、8.5%、20%、44.2%的工况下，表1、表2为各传感器实际检测值。

表1 KGJ23型有线甲烷传感器在不同浓度甲烷环境下实测结果（单位：%）

表2 GJJ100W型无线激光传感器在不同浓度甲烷环境下实测结果（单位：%）

从表1 可以看出，在4 种不同甲烷浓度下，KGJ23型有线甲烷传感器的测量甲烷浓度与周围甲烷浓度之间的偏差约为0.3%，而井下甲烷传感器的报警率为0.8%，因此，在煤层0.5%的甲烷浓度下，极易发生超限误报警。从表2可以看出，GJJ100W无线激光测井仪测量的甲烷浓度和周围甲烷浓度的偏差小于0.15%，具有较高的准确度，极大地减少了煤层的超限误报警，满足了矿井的监测要求。

（2）环境影响测试：①温度影响测试:将两套相同的激光式无线传感器和两套有线式甲烷传感器置于40℃高温箱和0℃低温箱中进行2h甲烷密度检测，使得两个温度箱的甲烷浓度控制在3%。试验结果表明：采用电缆式甲烷传感器对两个温度容器内的甲烷和甲烷的浓度进行了测量，其测量结果与实测值相差0.7%；利用该方法对两个温度盒内的甲烷密度进行测量，结果表明：该系统具有良好的对环境温度的适应性。试验结果表明：采用电缆式甲烷传感器对两个温度容器内的甲烷的浓度进行了测量，其测量结果与实测值相差0.7%，而在两个温度容器内，采用无线激光传感器对甲烷浓度的测量误差只有0.08%，表明无线激光感应器对外界的温度有较强的适应性。

②压力影响测试:在3 个相同甲烷浓度（3%）的密闭空间中，分别加注40kPa、80kPa、120kPa的压力，并在三种不同的压力下，利用有线和无线激光传感器对甲烷浓度进行测量。试验结果表明：当气压增大时，有线传感器测得甲烷浓度的测量值会发生较大的变化，而无线激光传感器的测量结果则没有明显的改变。

4.2 井下现场应用效果

在2301 工作面安装期间，对原线路甲烷传感器进行了优化，并在后溜加装了一套无线激光甲烷监测系统。其中，无线激光甲烷传感器1台，网络分站1台，工业环网基站1 台。截至2022 年8 月15 日，2301 已全部安装完毕，对3个月的实际使用，由于无线激光甲烷传感器在巷道中的应用，有效地解决了由于切眼内的机械设备而造成的电缆断裂、监控失效等问题，在后期的掘进过程中，未发现由于传感器精度问题造成的报警，利用无线激光甲烷传感器对煤层瓦斯进行监测，将其测量精度控制在0.1%以内，真实有效地监测了煤层瓦斯浓度。

5 结语

经试验比较和分析，结果表明：GJJ100W无线激光甲烷传感器在矿井下的应用，不但保证了检测精度和数据传输速度，而且对周围环境的影响较小，适用于各种复杂情况下的工作面和硐室甲烷气体的检测，确保了矿井开采施工安全，该系统能够适应矿井的安全、高效的开采要求，并取得了良好的效果。