低功耗红外甲烷传感器在煤矿安全监测中的应用优化研究

吴文巧

（贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵阳 550025）

1 某煤矿安全监测项目概况

位于山西省中部的某煤矿是典型的深井煤矿，年产煤量约450 万t，最大开采深度达750 m，煤层厚度平均为2.5 m，主要煤质为无烟煤和褐煤，具有较高的瓦斯浓度[1]。过去5 年中，该煤矿通过技术改造，特别是安全监测系统从传统升级至自动化、智能化，引进低功耗红外甲烷传感器等先进技术，安全监测覆盖瓦斯、地压、通风等多个方面，重点强化瓦斯监测。同时，煤矿配备大数据分析系统，可利用监测数据进行实时分析和预警，显著提高了其应对突发瓦斯超限事件的能力。

2 煤矿安全监测中的常见问题

煤矿安全监测系统面临诸多问题。第一，传统监测技术如催化燃烧式甲烷传感器，在高湿度或超40 ℃环境下性能不佳，误差率超10%，且在紧急情况下响应时间过长（30～60 s），影响及时预警。第二，热导式甲烷传感器在高温高湿和多尘环境下检测误差增加5%～10%，环境适应性不足[2]。第三，监测系统的性能还受极端环境的负面影响，如高尘环境会导致传感器精度下降20%，高温和高湿度环境会降低传感器的稳定性和准确性。第四，数据处理和管理方面存在显著不足，如有限的数据处理能力导致实时数据分析和预警延迟，缺乏有效的数据存储和管理机制影响了历史数据的查询分析，不利于事故预防和风险评估。综上所述，煤矿安全监测系统需具备高稳定性、快速响应和强适应性的技术解决方案，以应对复杂环境的挑战，满足市场对高标准安全监测的需求。

3 低功耗GJG10H 型红外甲烷传感器的工作原理

GJG10H 型红外甲烷传感器采用先进的非色散红外（Non-Dispersive Infrared，NDIR）气体分析技术，用于测量低浓度甲烷气体。它基于朗伯-比尔定律，根据甲烷气体特有的红外线特征吸收波长（3.33 μm）检测甲烷浓度[3]。当红外光通过甲烷气体时，特定波长的光被吸收，通过测量光强度的减少，计算甲烷的浓度。GJG10H 型传感器的工作温度为0～40 ℃，相对湿度不高于98%（非冷凝），工作压强为80～116 kPa，风速不高于8 m·s-1。传感器的设计兼顾了便携性与耐用性，体积小，质量轻。传感器外壳采用不锈钢材质，具有较强的防爆性，可在恶劣环境下安全使用。此外，传感器前后盖的合缝处采用橡胶密封，具有防尘、防水功能，进一步增强了其在矿井等环境中的适用性，结构如图1 所示。

图1 GJG10H 型红外甲烷传感器外形结构

GJG10H 型传感器还包括一个红色数码管显示窗，方便工作人员准确检测低浓度的甲烷气体。此外，传感器的甲烷气体检测元件与限制扩散式气室安装在下部，使得对低浓度甲烷气体的检测更敏感，能够提供连续、精确的监测数据。总体来说，GJG10H 型红外甲烷传感器的设计考虑了高效能、精确度、耐用性及安全性，适合在煤矿等复杂环境中使用。

4 低功耗GJG10H 型红外甲烷传感器的技术特征及优点

4.1 技术特征

GJG10H 型红外甲烷传感器在其设计和性能上具有明显优势。该传感器的测量范围广泛，能够检测0.00%～100.00%的甲烷气体浓度，具备±0.06%CH4的高精度基本误差[4]。对于甲烷浓度的最小分辨率，传感器能够实现0.01%CH4的细致判别。这种分辨率精度对于矿井中微小浓度变化的监测至关重要。传感器的响应时间T90优异：对于A 类传感器和B 类传感器，响应时间不大于25 s；对于C 类传感器，响应时间控制在50 s 以内。这一快速响应特性使其能够及时反馈甲烷浓度的变化，增强了安全预警的时效性。GJG10H型红外甲烷传感器测量精度如表1 所示。

表1 GJG10H 型红外甲烷传感器测量精度 单位：%CH4

在环境适应性方面，GJG10H 型传感器表现也十分突出。它能在-40～60 ℃的宽温度范围内稳定工作，满足多变的矿井环境要求。在防爆性能方面，GJG10H 型传感器符合矿用本质安全型要求。它的防爆标志为“ExibI”，可确保其在易燃易爆的煤矿环境中能够安全可靠运行。此外，GJG10H 型传感器采用数字信号输出方式，传输速率为1 200～9 600 b·s-1，电平不小于3 V，支持远程数据传输和智能化监控系统的对接。这些特征使得GJG10H 型红外甲烷传感器技术优势突出，成为煤矿安全监测中的关键设备。

4.2 优点

GJG10H 型红外甲烷传感器技术优势明显，成为煤矿安全监测中的重要工具。第一，该传感器采用的非色散红外技术确保了高精度和高可靠性。它能够精确测量甲烷气体的浓度，减少误报和漏报的可能。第二，GJG10H 型传感器具备快速响应能力，能在数秒内检测到甲烷气体浓度的变化，为矿井安全提供了及时预警。第三，该传感器在设计上考虑了恶劣环境的适应性，能够在高湿度、高尘埃、极端温度等复杂条件下稳定运作。它的防爆设计符合煤矿安全标准，能够在易燃易爆环境中安全使用。第四，传感器的低功耗特性也是其一大优点，不仅降低了能源消耗，还延长了设备的使用寿命，减少了维护成本。

5 低功耗GJG10H 型红外甲烷传感器在煤矿安全监测中的应用优化

5.1 智能化数据分析与预警

在该煤矿安全监测项目中，采用低功耗GJG10H型红外甲烷传感器与先进的智能化数据分析系统，构建了一个高度自动化和智能化的煤矿安全监控平台。该平台不仅实现了对甲烷浓度的实时监测，而且通过集成的人工智能算法能够对监测数据进行深度学习和模式识别，从而实现了对异常情况的早期预警。

该智能化数据分析系统名为矿安智能预警系统。矿安智能预警系统集成了多种数据分析技术，包括机器学习、深度学习以及时间序列分析等，能够处理和分析大量的传感器数据[5]。系统通过深入分析历史甲烷浓度数据，建立了一个甲烷浓度预测模型。该模型能够根据当前的矿井作业状态预测未来一段时间内甲烷浓度的变化趋势。矿安智能预警系统的核心功能之一是实时监测和预警。系统通过实时接收来自GJG10H 型红外甲烷传感器的数据，分析每一个数据点，判断是否存在异常波动或趋势。一旦检测到甲烷浓度超过预设的安全阈值1%，矿安智能预警系统会立即启动预警程序。预警机制包括初级预警、中级预警和高级预警3 个层级，对应甲烷浓度的不同危险等级。例如：当甲烷浓度达到1.5%时，系统触发中级预警；当浓度超过2%时，系统触发高级预警。预警信息通过多种方式传达给相关人员，包括短信、电子邮件、应急广播系统和矿区内部的发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）显示屏。此外，矿安智能预警系统与矿井的通风和瓦斯抽放系统自动连接，能够在检测到高级预警时自动调整通风系统，增加甲烷抽放量，从而快速降低甲烷浓度，避免事故的发生。

自矿安智能预警系统部署以来，煤矿管理层对瓦斯超限事件的响应能力得到了显著提升。据统计，煤矿引入矿安智能预警系统后，瓦斯超限事件的平均响应时间从30 min 缩短到18 min，效率提高了40%。通过系统的智能分析和预警，过去一年内瓦斯超限事件的发生次数比前一年下降了30%，显著提高了矿井的安全水平。矿安智能预警系统还具备强大的数据挖掘和分析能力，能够根据历史数据识别出瓦斯超限的潜在风险因素，为矿井管理和安全预防措施的优化提供了科学依据。通过对历史事故数据的分析，矿安智能预警系统能够发现瓦斯超限事件与特定作业条件、通风状态和季节变化之间的相关性，帮助管理层制定更精准的安全策略和预防措施。整体上，通过引入低功耗GJG10H 型红外甲烷传感器和矿安智能预警系统，该煤矿安全监测项目不仅提高了甲烷监测的准确性和实时性，而且通过智能化数据分析与预警显著提升了煤矿的安全管理水平，为保障矿工安全和矿井稳定运行提供了强有力的技术支持。

5.2 应对复杂矿井环境的策略

煤矿安全监测项目引入GJG10H 型红外甲烷传感器，重点针对矿井内部的高湿度、高尘埃、温度变化等复杂环境进行了优化设计。它独特的防爆、防尘、抗湿性能，使得其在极端环境下也能保持稳定的监测性能。例如，该传感器在连续监测期间，面对湿度达到98%和温度波动在-5～40 ℃的恶劣环境，性能未见明显下降，甲烷检测误差控制在±0.1%以内，远高于行业标准[6]。除了高湿度和温度波动，矿井内部的高尘环境对甲烷传感器的挑战也尤为严峻。在深井作业中，GJG10H 型传感器利用先进的防尘设计，有效防止了尘埃粒子的侵入，确保了传感器内部的清洁，从而保持了长期稳定的运行性能。实际应用数据显示，即便在煤尘浓度达到1 500 mg·m-3的环境中工作，该传感器的检测准确度和响应时间仍能满足安全监测的高标准要求。

为了进一步提高煤矿安全监测系统的可靠性和精确度，煤矿安全监测采用了环境适应性调节技术。这项技术能够根据实时监测到的环境条件（如温度、湿度、煤尘浓度等）自动调整传感器的工作参数，以适应复杂多变的矿井环境。例如，该技术帮助GJG10H 型传感器在突发的高温高湿环境下，通过调整内部测量算法快速适应环境变化，确保了数据的准确性和实时性。

为了全面提升煤矿安全监测的效率和准确度，煤矿还开发并应用了综合监测与分析系统。该系统不仅整合了GJG10H 型红外甲烷传感器的甲烷监测数据，还包括温度、湿度、煤尘等其他监测数据，通过高级数据分析模型，全面评估和预警矿井内部的安全状况。在投入应用后的煤矿作业中，综合监测与分析系统成功预测了一次由于甲烷浓度突然升高和煤尘积聚导致的潜在安全事故，及时启动了预警机制，避免了事故的发生。通过对GJG10H 型红外甲烷传感器在复杂矿井环境中应用策略的深入分析可以看出，它不仅在单一性能上表现出色，而且通过与其他技术和系统的整合应用，极大地提升了煤矿安全监测的全面性、准确性和实时性。这些策略和技术的成功应用，有效提升了监测系统的可靠性和安全性，为保障矿工安全和矿井稳定运行提供了坚实的技术支持，展现了GJG10H型红外甲烷传感器在煤矿安全监测领域的广阔应用前景和重要价值。

6 结语

低功耗GJG10H 型红外甲烷传感器具有精度高、响应快速以及环境适应性强等特点，在煤矿监测项目中发挥了重要作用。智能化数据分析与预警系统的结合，显著提升了瓦斯超限事件的处理效率，降低了安全事故的发生率。同时，传感器设计考虑了矿井复杂环境的挑战，如高湿、多尘、温度波动等，保证了其在恶劣条件下的稳定运行。可见，GJG10H 型红外甲烷传感器在提高煤矿安全性、优化监测效率方面展现了显著优势，为煤矿安全监测提供了一种有效的技术解决方案。