冯亮
（晋能控股煤业集团大斗沟煤业有限公司，山西 大同 037031）
瓦斯是制约煤矿安全高效生产的重要因素之一，煤矿井下采掘工作面瓦斯精准、快速监测对煤矿安全生产起着重要作用。目前多数煤矿井下采掘工作面、硐室等主要安装瓦斯传感器进行瓦斯浓度监测[1]。瓦斯监测系统主要由瓦斯传感器、信号线、控制箱、电源等部分组成。但这种有线瓦斯监测系统在实际应用中存在很多不足，主要表现在以下几方面：①有线瓦斯监测系统主要采用线信号传输，传感器将检测的数据通过信号线传输至控制箱内，而井下采掘工作面长度大、分布区域广，导致监控系统布线繁琐[1-6]、布线长度大、劳动强度高、成本费用高。②由于井下采掘工作面施工条件较恶劣，易受机械挤压以及岩石碰撞等，导致传统传感器信号线破损严重[7]，不仅增加了检修维护难度，而且影响着采掘工作面瓦斯正常监测监控。③有线瓦斯监控系统布线易受到采掘工作面大型机电设备以及高压电缆产生的高次谐波影响，造成信号传输滞后及失真现象，造成瓦斯监控效果误差。对此，白洞矿通过研究决定，对5201巷瓦斯监控系统进行优化，采用一套无线激光瓦斯传感器进行工作面瓦斯监控。
晋能控股煤业集团白洞矿5201巷位于位于井田西部，巷道北部为盘区大巷，西部为8202工作面回采区域，南部为8206工作面的井田边界。5201巷掘进长度为1 450 m，设计断面为矩形，毛宽5.2 m，毛高3.6 mm，毛断面18.72 m2。巷道掘进煤层为2#煤层，煤层平均厚度为2.71 m，倾角为3°，煤层瓦斯绝对涌出量0.5 m3/min，煤尘具有爆炸性，煤层有自然发火的倾向。巷道采用EBZ260型掘进机掘进，截至2020年8月21日巷道已掘进470 m。
5201巷掘进期间，在巷道内安装两台KT970-A型瓦斯传感器，4台KTC-90型局扇开停传感器，一台GTH500（B）型一氧化碳传感器，一台GFK70A型风筒风量传感器，2台GQG0.1型烟雾传感器，一台KDG-3K型断电仪，一台DJB-4型机载式甲烷报警断电仪。瓦斯传感器一台安装在距工作面不超过5 m无风筒一侧，第二台安装在回风口前10～15 m的范围内，瓦斯传感器应垂直吊挂在距顶板不得大于300 mm，距巷道壁不小于200 mm，且顶板完好无淋水的地点。
由于5201巷前期安装的有线瓦斯传感器，瓦斯监测灵敏度低、故障率高，在前期掘进过程中共计出现三次传感器误报警，瓦斯报警值达3.2%，发生两起传感器断线停产事故，影响巷道掘进时间为12.7 h，严重制约着巷道安全高效掘进。对此大斗沟矿通过技术研究，针对有线瓦斯监控系统主要存在的问题，决定对巷道瓦斯监控系统进行优化，安装了一套梅安森GJG10J型无线激光瓦斯传感器。
GJG10J型无线激光瓦斯传感器瓦斯监控系统主要由锂电池、瓦斯浓度采集器、中央处理器、无线通信电路等部分组成，如图1所示。瓦斯传感器（探头）主要对采掘区域瓦斯浓度进行采集，并将采集数据实时上传至中央处理器内，通过数码管进行显示，同时中央处理器将处理后的数据信号以电信号的方式无线传输。传感器主要通过锂电池提供电能，电池容量为2.5万毫安，电池使用寿命长、功耗低，当电池电量低时及时上传至处理器内并提醒更换电池。当传感器监测瓦斯浓度超限时，系统及时发出警报。
图1 GJG10J型无线激光瓦斯传感器结构原理
2.1 激光瓦斯传感器
对激光器输入电流后激光器发出不同波长的激光，同时激光器发出高低压信号（高速正弦和低速扫描信号）。此时光电探测器接收高低压信号后及时转换为电信号，并通过检测装置获取激光器输入电流并得出激光波长，然后进行二次谐波及转换处理后实现对低噪窄带检测[8-9]，从而实现对采掘区域瓦斯浓度监测。
2.2 温度补充
由于井下环境复杂，激光传感器使用过程中发出的激光波长受外界温度影响较大，所以必须对外界温度进行控制，在激光瓦斯传感器内安装半导体制冷器（TEC），当外界气流进入激光器内根据设定值自动加热或制冷，确保激光器处于恒定温度中。
2.3 压力补偿
激光传感器在作业环境中运行压力为120～130 kPa范围内，必须选择合理的压力传感器元件，因瓦斯传感器内部空间有限，故决定采用体积小、检测范围大的信号NGP-305压力传感器。该传感器内部存在电阻片，采用惠斯顿电桥作为测量电路。
图2 GJG10J型无线激光瓦斯传感器瓦斯检测
2.4 无线网络通信
采用BM200N型组网模块作为无线通信模块，该模块内部安装了WaveMesh传输协议，信号传输频段为433 MHz，在信号传输时可调制一个主信号和15个辅助信号。由于5201巷存在大型机电设备，为了防止高次谐波影响，巷道内激光传感器采用一个主信号和8个辅助信号。通过在井下调试发现，采用Wave Mesh协议构建无线传输系统进行数据无线传输时，数据传输速度快，未出现数据失真现象，而且采用数据无线传输时稳定性好、功率低以及能耗低[10]，满足井下复杂条件下采掘工作面需求。
3.1 瓦斯检测工作原理
由于采掘工作面内瓦斯可对周围环境中特定波长的激光进行吸收，然后根据各个波长激光强弱判断采掘工作面内瓦斯浓度。为了提高瓦斯浓度检测准确度，传感器设定为双波长检测模式，同时传感器内存在温度、压力补偿，与传统红外、催化、导热等传感器相比，激光传感器具有无需定期校准，检测精度高等优点[11]。
3.2 传感器无线通信原理
GJG10J型无线激光瓦斯传感器采用Wave Mesh协议构建无线传输系统进行数据无线传输。该系统主要由发送基站（激光传感器）和接收基站（网络接收器）两部分组成。激光传感器将监测的瓦斯浓度数据通过无线网络传送至网络接收器内，然后通过信息处理后传至地面监控系统内，无线传输过程中根据接收基站故障情况可自行优化并组网。由于井下作业环境复杂，矿井内遮挡物以及拐弯较多，为了提高无线传输稳定性，将井下一个基站无线传输距离设置为100～150 m范围内，并采用树型拓扑网络布置形式。Wave Mesh协议构建无线传输系统与有线传输系统相比，具有传输速度快、稳定性强、抗干扰能力强等优点[12]。
4.1 现场试验测试效果
为了验证无线激光传感器在现场中实际应用效果，分别从瓦斯浓度检测准确度以及环境影响下测试结果进行分析。
（1）准确度检测
选用6台同一型号KT970-A型有线瓦斯传感器以及GJG10J型无线激光传感器，编号为1#、2#...6#，将两种型号的传感器分别放置在瓦斯浓度为2%、8.5%、20%、44.2%环境中，瓦斯监测结果分别如表1、表2所示：
表1 KT970-A型有线瓦斯传感器在不同浓度瓦斯环境下实测结果
表2 GJG10J型无线激光传感器在不同浓度瓦斯环境下实测结果
通过表1可知，KT970-A型有线瓦斯传感器在4种不同浓度的瓦斯环境中瓦斯实测浓度与环境浓度误差在0.3%左右，而掘进巷道瓦斯传感器设计报警值为0.8%，所以当工作面内瓦斯浓度在0.5%时很容易出现瓦斯超限误报警现象。由表2可知GJG10J型无线激光传感器实测瓦斯浓度与环境瓦斯浓度误差在0.15%以下，检测精度高，大大降低了工作面瓦斯超限误报警现象，满足巷道掘进需求。
（2）环境影响测试
①温度影响测试：将两台同一型号的无线激光传感器以及两台有线瓦斯传感器分别放置在40℃高温箱、0℃低温箱中进行恒温2h瓦斯浓度监测，两个温度箱内瓦斯浓度为3%。通过实验发现，有线瓦斯传感器在两个温度箱中检测瓦斯浓度与实际瓦斯浓度误差达0.7%；
而无线激光传感器在两个温度箱中检测瓦斯浓度误差仅为0.08%，可见无线激光传感器能够更好地适应外界温度变化。
②压力影响测试：在同样瓦斯浓度（3%）的三个密封空间内分别加压，压力为40 kPa、80 kPa、120 kPa，然后对三个不同压力下密封空间内采用有线及无线激光传感器进行瓦斯浓度检测。通过实验发现，有线瓦斯传感器随着压力加大瓦斯浓度检测数值变化大，而无线激光传感器检测的瓦斯浓度基本保持不变。
4.2 井下现场应用效果
5201巷掘进至500 m处时对巷道内原有线瓦斯传感器进行优化改造，安装一套无线激光瓦斯监控系统，主要包括两台无线激光瓦斯传感器、一台网络分站、一台工业环网基站。截止2021年3月7日5201巷已掘进到位，通过7个月实际应用效果来看，巷道安装无线激光瓦斯传感器后有效解决了有线瓦斯传感器受巷道机械设备影响，导致线缆破断、监控失灵等技术难题，巷道在后期掘进过程中未发生因传感器监测精度低出现误报警现象，无线激光瓦斯传感器监测精度控制在±0.1%范围内，大大提高工作面瓦斯监测精度。
通过实验对比分析可知，煤矿井下采用GJG10J型无线激光瓦斯传感器后，不仅大大提高了瓦斯检测精度、数据传输速度，而且该传感器受环境影响小，可使用于不同复杂条件下采掘工作面、硐室瓦斯检测，保证了煤矿井下采掘施工安全，能满足煤矿井下安全高效生产需要，应用成效显著。
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