光纤传感器在井下瓦斯安全监控中的应用

[摘 要] 煤炭业作为我国国民经济的支柱性产业之一，它在促进我国国民经济快速稳定发展方面起到了重要作用。但是受矿井瓦斯爆炸的影响，极大的制约了我国煤炭业的发展，为保证我国煤炭业的快速健康发展，必须消除矿井瓦斯爆炸隐患。本文主要介绍光纤传感器在矿井瓦斯监测中的应用。希望本文的提出，能为改善我国煤矿开采状况提供帮助。

[关键词] 光纤传感器； 瓦斯； 监测； 应用

引言

近年来，我国煤炭开采业得到了快速的发展，但是瓦斯爆炸隐患在一定程度上制约了煤矿开采业的快速稳步发展。因此做好矿井瓦斯含量监测具有重要意义。瓦斯作为一种易燃易爆的气体，当空气中瓦斯的含量在5.0-16.0%范围内，极易引起瓦斯爆炸，当空气中的瓦斯浓度在10.0%时，瓦斯爆炸的威力最大，矿井中一旦发生瓦斯爆炸，将对矿山开采造成重大危害。我国煤矿安全规程明确规定，当矿井空气中的瓦斯含量超过2.0%时，就必须追查事故原因。近年来，我国加大了对瓦斯监测的研究力度。目前，我国已经成功研制出多种瓦斯浓度监测元件，如热电阻瓦斯传感器、湿式气敏元件以及半导体气敏元件等。光纤传感器作为近年来兴起的一项技术，它具有其他传感器无可比拟的优点，为此，在矿井瓦斯监测中得到了广泛的应用。

1 我国煤矿开采中主要存在的问题

1.1 安全问题

安全问题是煤矿开采过程中最为突出的问题，它对人们的生命健康构成了巨大威胁，因此是我国现代化煤矿建设中最为棘手的问题之一。为此，党和中央积极推出了一系列的煤矿安全应对措施，但是都收不到很好的效果。造成这种后果的主要原因是“上有政策、下有对策”，政府制定的各项应对政策本来是很好的，但是政策很难得到贯彻落实，多数政策显得苍白无力，形同虚设。

1.2 地表植被破坏问题

我国很多煤矿在开采的过程中，容易忽视开采活动对周围环境的破坏问题，例如煤矿周围地表植被的破坏，严重的影响到当地的生态环境，进而给当地人们的生活带了的巨大影响。目前，我国普遍存在只开采不恢复的不良现象，很多煤矿开采企业为了追求利益的最大化，随便做一下植被恢复工作，有的企业甚至不对破坏的植被采取任何恢复措施。为了我国煤炭产业的可持续发展，呼应广大煤矿开采企业做好环境保护措施。

1.3 水资源问题

我们都知道，煤矿开采过程中，不可避免的会对水资源造成浪费甚至污染，但是只要我们做好相关防护措施的话，还是能够将污染程度限制在可接收范围内的。目前，我国很多煤矿开采企业缺少水资源保护观念，在煤矿开采过程中，随意破坏地下含水层的原始流经，不仅造成了成宝贵水资源的流失，而且污染了水资源。

2 光纤瓦斯传感器的原理及特点

2.1 光纤瓦斯传感器的原理

目前，光纤瓦斯传感器的原理有两种，一种是利用瓦斯浓度与折射率之间的关系来检测瓦斯的浓度，另一种是利用瓦斯的光谱吸收峰来检测瓦斯的浓度。第二种方法应用的更广，本文就以第二种方法（吸收法）来阐述光纤瓦斯传感器的检测原理。

当一束平行光射向瓦斯及空气的混合气体时，这束平行光会发生一定程度的衰减，根据朗格比尔定律，现假设这束光的起始强度为I0，光线穿过混合气体后的强度为I，那么起始光强、输出光强以及瓦斯气体浓度之间的关系可以用下式来表示：

2.2 光纤瓦斯传感器的特点

因为光纤瓦斯传感器同时应用光谱吸收原理以及光的折射原理来检测瓦斯气体的浓度，利用到的是光纤传递信号，因此具有其他传感器无法比拟的优点。例如光纤瓦斯传感器的灵敏度高、响应速度快、防电磁干扰能力强、动态范围广、绝缘性强、体积小、防燃防爆等，能够很好的应用于恶劣危险的环境中。

3 光纤瓦斯传感器在井下瓦斯监测中的应用

3.1 矿井概述

山西某平顶中型煤矿，其矿井瓦斯等级划分为35勘探线以西属较高瓦斯，35勘探线以东为较低瓦斯为主，在矿井的局部范围内出现过高浓度瓦斯。根据我国2011年9月份的鉴定报告，矿井的瓦斯相对涌出量为9.5m3/t，瓦斯绝对涌出量为27.55m3/min，CO2气体的相对涌出量为3.25m3/t，绝对涌出量为9.5 m3/min。在该矿井中，煤尘具有较高的爆炸危险性，爆炸指数为20.00-26.25%，据2011年通风中心对煤层发火等级的鉴定报告中得出，该矿井煤层中多个煤层属于自燃煤层，自燃发火期为4个月左右。

3.2 技术方案

本文以LC-MGID-CH4系列光纤瓦斯传感器为例，介绍光纤瓦斯传感器在井下瓦斯监测中的应用研究。由于矿井的检测线路较长，因此不能采用一站式的监测方式，而应该采用检测分站与检测主机相结合的检测手段。其中检测分站采用Kj系列矿井检测分站。

由于该矿井属高瓦斯浓度矿井，矿井中瓦斯气体的涌出量比较大，由此可见，在矿井开采过程中瓦斯的涌出量会更大。因此需要在矿井的采掘工作面、机港、风港等瓦斯较易突出的地方安装光纤瓦斯传感器。安装传感器的时候，应该将传感器与电缆支线相连。为减少监测过程中的误差，应该对光纤瓦斯传感器的接头处进行抗干扰设计，这样能够得到相对准确的监测结果。

3.3 监测数据的收集及处理

3.3.1 监测数据及监测精度

采集到的监测数据见表1，本文选取检测系统中五个监测点的数据进行分析，这五个监测点的瓦斯浓度都不同，表1中的数据是三次平行测量的平均值。真实数据与监测数据间的比较见表2，其中，监测数据是光纤瓦斯传感器的监测值，真实值是山西省环保及提供的瓦斯浓度数据。

由表2可以看出，监测数据同真实数据见基本一致，最大的误差仅为0.5%，测量的准确度高于2.0级，因此，光纤瓦斯传感器能够满足矿井瓦斯含量检测的要求。

3.3.2 数据的处理

将监测到的信号由支线电缆传到矿井分站，矿井分站可以直接读出监测的数据。由于分站具有一定的独立工作能力，可以实现断电及报警等功能。矿井分站通过将监测数据传送到干线线缆，最终将数据汇总到监测主机上。

如果光线传感器检测到的瓦斯浓度超过规定值，则会制定发出指令来切断工作电源并发出警报，以便提醒工作人员及时撤出矿井；于此同时控制通风机加大风量直到矿井瓦斯浓度恢复正常。

4 结语

本文在分析我国当前煤矿开采主要存在问题的基础上，介绍了光纤传感器在矿井瓦斯监测中的应用，光纤感器有效的解决了瓦斯语言概念的生成问题，为监测煤矿中瓦斯含量提供了一种新的方法；相信，随着光导纤维传感技术以及计算机技术的发展，光纤传感

器必定会煤矿开采领域得到更加广泛的应用。

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