煤矿开采中光纤瓦斯气体传感器的应用研究
时间：2023-05-31 12:40:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李 悬
(陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安 727307)
瓦斯气体是开展煤矿开采工程中最常见的一种有害气体，在煤矿施工项目当中，施工人员的安全以及施工质量的严格要求，使得瓦斯气体浓度监测的重要性逐渐提高。在实际煤矿开采过程中，若没有合理的监测手段，则当瓦斯气体出现严重超标而未被检出时，则会造成爆炸事故的发生，更会引起严重的煤矿开采事故，对施工人员的人身安全造成巨大威胁[1]。在煤矿安全生产规定当中，明确指出瓦斯气体的浓度不得超过1.45%，否则视为煤矿开采事故，须追究事故发生的具体原因。基于此，相关领域的研究人员针对瓦斯气体的测量开展了大量研究，并逐渐研制出了基于多种不同类型监测装置的煤矿开采方法。但由于当前这些开采方法在实际应用中无法保证更加精确的气体监测精度，因此仍然会出现由于监测精度低，没有及时发现瓦斯气体涌出量增大而导致的保障事故发生[2]。近几年来，随着光导纤维技术的产生和广泛应用，一种全新的光纤瓦斯气体传感器被研发。为促进这一类型传感器在煤矿开采当中的广泛应用，本文开展基于光纤瓦斯气体传感器的煤矿开采方法设计研究。
1.1 光纤瓦斯气体传感器选型及安装结构设计
为进一步探究光纤瓦斯气体传感器在煤矿开采当中的应用，本文以某煤矿开采区域为例，将其作为依托，开展基于光纤瓦斯气体传感器的煤矿开采方法设计。该煤矿开采区域中，矿井内瓦斯气体的等级包括高瓦斯气体和低瓦斯气体2种[3]。通过对该矿井近几年的开采记录调查得出，该矿井瓦斯气体涌出量通常在8.26～11.26 m3/t范围以内，而矿井中二氧化碳的涌出量通常在1.26～3.26 m3/t范围以内。针对这一矿井的实际情况，引入SIF516-SHF656型号光纤瓦斯气体传感器。该型号光纤瓦斯气体传感器为华矿企业生产的煤矿开采专用传感器，在运行过程中的电源电压为24 V，工作状态下温度变化在25～30 ℃范围内，电源电流为22 mA。同时，SIF516-SHF656型号光纤瓦斯气体传感器能够在相对湿度为98%rh(+25 ℃时)、大气压力在75～105 kPa范围内使用。该型号传感器制作材料优良，因此能够在含有危害气体以及爆炸性气体的环境当中完成复杂的运行操作，并且数据的采集精度不会受到周围恶劣条件的影响。因此，将该型号传感器应用到本文煤矿开采方法当中，能够充分满足设计要求[46]。本文选择在该矿井当中采用多个传感器相互连接的方式完成对其连接结构设计，在矿井当中按照不同区域，分别安装光纤瓦斯气体传感器，与各个设备的连接方式如图1所示。
图1 光纤瓦斯气体传感器连接方式示意Fig.1 Schematic diagram of the connection method of the fiber optic methane gas sensor
由于该矿井当中有高瓦斯区域，因此该区域内瓦斯气体的涌出量相对较大，针对这一区域内可能存在的事故问题，在其容易出现瓦斯气体突出位置上安装文中选用的SIF516-SHF656型号光纤瓦斯气体传感器，并将其与各个支线电缆连接[79]。为尽可能减小在传感器监测过程中可能出现的误差，在光纤瓦斯气体传感器的接口位置上增加抗干扰模块，以此通过光纤瓦斯气体传感器获取到更加准确的监测数据。
1.2 监测数据处理
利用上述SIF516-SHF656型号光纤瓦斯气体传感器，对其在击倒的数据进行光谱吸收检测浓度计算。当传感器发出一道强度一定的平行光时，将光照射到甲烷与空气的混合气体当中，即煤矿开采项目中的矿井空气，若该光源光谱所覆盖区域呈现出一条或多条吸收线，则光线通过气体时，则会出现明显的衰减现象[1011]。因此，进一步根据比尔朗博定理，对煤矿开采矿井中的瓦斯气体浓度进行计算，其计算公式为
(1)
式中，C为煤矿开采矿井中的瓦斯气体浓度，%；
φm为瓦斯气体的摩尔分子吸收系数；
L为光与瓦斯气体的总作用长度，m；
I为由SIF516SHF656型号光纤瓦斯气体传感器输出的光照强度,lx；
I0为由IF516SHF656型号光纤瓦斯气体传感器输入的光照强度,lx。根据式(1)，当光纤瓦斯气体传感器获取到总作用长度和瓦斯气体的摩尔分子吸收系数后，即可通过计算，得出矿井当中实际瓦斯气体的浓度。文中选用的光纤瓦斯气体传感器，可以利用复数折射率的方式对瓦斯气体的吸收进行描述。利用如下公式，对通过传感器发射光束的出射平面波进行计算
E=E0exp(iwt-βL)
(2)
式中，E为通过传感器发射光束的出射平面波；
E0为入射波；
β为光束的传播常数。通常情况下，气体的折射率都接近1，在虚部产生的折射率应当远小于实部。因此，根据这一规律进一步将式(2)计算得出的出射平面波带入到波动公式中，通过计算机模拟，对光纤瓦斯气体传感器在矿井中瓦斯气体的灵敏度进行优化。
1.3 基于监测数据变化的煤矿开采安防措施制定
利用通过SIF516-SHF656型号光纤瓦斯气体传感器监测到的数据，结合上述计算，进一步为煤矿安全开采制定安防措施。将传感器获取到的数据通过支线电缆进行传输，由矿井各个分站完成对数据的接收[1213]。将监测到的数据进行分析，在数据超出预设区域范围时，及时报警。当SIF516-SHF656型号光纤瓦斯气体传感器监测到数据变化超过预期范围后，将发出相应的指令信号，控制各个煤矿开采设备停止作业，切断各个设备的工作电源。当监测设备发出警报时，提醒现场开采施工人员尽快撤离到安全区域。将所有获取的相关数据信息以及传感器状态信息全部汇总到总监测上位机中，对各类数据进行统一管理，及时发现问题并针对具体问题采取相应的处理措施。
以某煤矿开采区域为依托，为进一步探究该方法和传统煤矿开采方法的实际应用效果，将其应用到煤矿开采区域中，完成相应的开采工作。在煤矿开采范围内，分别为2种方法划分2个各项条件基本相同的矿井开采区域，在2个区域当中分别包含了2个高瓦斯矿井和3个低瓦斯矿井，将2种煤矿开采过程中监测到的瓦斯气体涌出量进行记录，并将其与实际涌出量进行比对，得出误差值。为使实验最终得出的验证结果更加清晰，在完成相应开采工作后，将开采过程中产生的各项数据结果进行记录，实验结果对比见表1。
表1 2种煤矿开采方法实验结果对比
从表1中数据可以看出，基于光纤瓦斯气体传感器的煤矿开采方法在实际开采过程中能够对不同瓦斯矿井类型中瓦斯气体涌出量进行更加精准地监测，监测结果数据误差均未超过0.05 m3/t，具有较高的实际应用价值。而传统煤矿开采方法在对瓦斯气体进行监测时，产生的误差会随着实际瓦斯气体涌出量的增加而增大，当瓦斯气体涌出量低于3.00 m3/t，无法实现对瓦斯气体的监测。因此，通过对比实验证明，本文提出的基于光纤瓦斯气体传感器的煤矿开采方法在实际应用中能够实现对矿井中瓦斯气体的高精度监测，为矿井开采安全性提供保障，有效规避开采中存在的多种安全隐患。
通过对煤矿开采中光纤瓦斯气体传感器的应用研究，提出一种全新的煤矿开采方法，并通过将其应用到实际煤矿开采区域中，验证了该方法的实际应用价值。在实际开采过程中，结合相应的安全防护机制，能够有效降低或避免发生瓦斯气体突出的安全事故，在保证煤矿开采企业实际开采过程中效率提升的同时，提高企业的社会效益。
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