煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)方法綜述*

李童童 童紫原 唐守鋒 童敏明 徐朝亮

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制學(xué)院；2.澳大利亞新南威爾士大學(xué)信電學(xué)院；3.徐州翰林科技有限公司)

我國(guó)屬于貧油富煤國(guó)家[1]，長(zhǎng)期以來一直以煤炭作為國(guó)家基礎(chǔ)能源和工業(yè)原材料[2]。總體上，我國(guó)煤礦開采技術(shù)條件相對(duì)于世界礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家而言較差，開采過程中的安全隱患突出，重大、特大事故時(shí)有發(fā)生，其中，瓦斯爆炸是其中較突出的安全事故。瓦斯是一種易燃易爆氣體，主要成分為甲烷(CH4)，甲烷的爆炸上限為15%，下限為5%，在濃度為9.5%時(shí)極易爆炸[3]。因此，對(duì)井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)十分必要。目前，各類瓦斯?jié)舛葯z測(cè)方法大體可以分為非光學(xué)分析法和光學(xué)分析法2類[4-5]。本研究結(jié)合近年來瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展，對(duì)瓦斯?jié)舛瘸Ｓ脵z測(cè)方法的技術(shù)原理、應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)各類方法在煤礦井下的適用性進(jìn)行評(píng)述，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行探討。

1 非光學(xué)分析法

1.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)超聲波在不同種類氣體中傳播時(shí)，其特性會(huì)隨著所穿過介質(zhì)種類的變化而發(fā)生一定改變[6]。基于該原理對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于超聲波在空氣中和瓦斯中傳播的速度不同，當(dāng)兩者傳播相同的距離時(shí)，所用的時(shí)間不同，其差值便可以反映瓦斯?jié)舛萚7]。然而，在煤礦井下，兩者時(shí)間差十分小且測(cè)量誤差較大，無法滿足精度要求，一般將時(shí)間差轉(zhuǎn)化為相位差檢測(cè)瓦斯?jié)舛葂，

(1)

式中，f為超聲波發(fā)射的中心頻率;Δφ為兩路接收信號(hào)的相位差;C0為0 ℃時(shí)超聲波在空氣中的傳播速度;K1為超聲波在空氣中的溫度系數(shù);K2為瓦斯與空氣的聲特性差異系數(shù);T為環(huán)境溫度;L為發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離;ΔL為兩路信號(hào)間距偏差。

超聲波瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)模型如圖1所示。

圖1 瓦斯?jié)舛瘸暡z測(cè)模型

綜合分析圖1、式(1)可知：瓦斯?jié)舛扰c超聲波中心頻率、兩路超聲波信號(hào)相位差、環(huán)境溫度以及檢測(cè)距離有關(guān)。因此，超聲波傳感器工作頻率在很大程度上影響了檢測(cè)的靈敏度，并且超聲波傳感器對(duì)溫度變化比較敏感。

超聲波氣體濃度檢測(cè)技術(shù)是氣體檢測(cè)領(lǐng)域的新興方法，為進(jìn)一步提高氣體超聲波流量計(jì)的檢測(cè)精度，李志軍等[8]提出了超聲波時(shí)差法并用于測(cè)量氣體濃度，盡管提高了流量計(jì)的檢測(cè)精度并精簡(jiǎn)了電路，但該型流量計(jì)的電路系統(tǒng)依舊復(fù)雜，且測(cè)距過長(zhǎng)，無法有效適用于煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)；馬超等[9]針對(duì)基于時(shí)間差的傳統(tǒng)超聲波測(cè)量技術(shù)存在的不足，提出了一種超低功耗、高精度的測(cè)量系統(tǒng)，雖然改進(jìn)了電路設(shè)計(jì)但測(cè)量間距依然較大；丁喜波等[10]采用超聲波相位差法代替直接時(shí)差法測(cè)量氣體濃度，將系統(tǒng)復(fù)雜的電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并提高了測(cè)量精度，但當(dāng)煤礦井下瓦斯?jié)舛容^低時(shí)，信號(hào)較微弱，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度是將超聲波傳感器應(yīng)用于煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)亟待解決的問題。由于超聲波測(cè)量精度極易受到周圍溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素的影響[11-12]，譚飛[13]詳細(xì)分析了環(huán)境溫度、壓力與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系，但未給出具體的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，因而難以定量分析環(huán)境因素對(duì)瓦斯?jié)舛鹊挠绊憽?/p>

1.2 半導(dǎo)體氣敏法

半導(dǎo)體氣敏法是通過氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)，其原理是根據(jù)氧化物半導(dǎo)體在不同氣體、不同濃度環(huán)境下電導(dǎo)率的變化規(guī)律來檢測(cè)氣體濃度[14]。半導(dǎo)體氣敏以氧化物半導(dǎo)體為材料且材料眾多，主要有氧化錫、氧化鋅、氧化鈦等[14-15]。氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結(jié)構(gòu)以及制作工藝密切相關(guān)[12]。楊磊等[16]分析了氣敏元件的摻雜改性思路，認(rèn)為可以通過摻雜貴金屬Pd和Pt來促進(jìn)氫和氧分解，增快反應(yīng)速度，以改善純SnO2氣敏傳感器的性能，但化學(xué)反應(yīng)速度較慢且對(duì)環(huán)境要求高，效果仍不理想；林毓韜等[17]利用濕化學(xué)方法向SnO2薄膜中注入Ca堿土金屬元素離子，對(duì)于提高薄膜對(duì)甲烷氣體的靈敏度效果較好。總體上，學(xué)者們分別通過在半導(dǎo)體甲烷敏感材料中添加催化劑、控制甲烷敏感材料的微細(xì)結(jié)構(gòu)、采用新的工藝制備半導(dǎo)體甲烷敏感元件等方面開展研究，雖然在氣敏材料中摻雜貴金屬、稀有金屬可以提高其靈敏度和選擇性，但基于氧化物的半導(dǎo)體氣敏法對(duì)工作環(huán)境要求高，穩(wěn)定性和一致性較差，且成本較高，不適用于煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)。

1.3 載體催化法

目前，礦井中廣泛用于檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊姆椒ㄊ禽d體催化法。該方法的基本原理是利用瓦斯在元件表面燃燒時(shí)，元件溫度升高引起鉑(Pt)絲電阻值的變化量測(cè)量出瓦斯?jié)舛萚15,18]。瓦斯催化燃燒反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱不可逆反應(yīng)[15]，其化學(xué)方程式為

(2)

將一定的電流通過如圖2所示的電路(其中，RD為Pt絲電阻)后，當(dāng)氧氣充足時(shí)，瓦斯會(huì)在載體催化元件表面發(fā)生無焰燃燒，RD值隨元件溫度變化而變化且補(bǔ)償電阻值不變，使得該電路產(chǎn)生的電位差失去平衡。利用電橋電路的輸出值與ΔRD(RD值變化量)成正比關(guān)系，達(dá)到檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊哪康摹?/p>

圖2 載體催化電路

雖然載體催化法起源早且應(yīng)用廣泛，但由于催化劑長(zhǎng)期使用容易劣化并發(fā)生中毒現(xiàn)象，致使器件性能降低或失效，據(jù)此孫鵬等[19]提出了一種控制傳感器工作溫度的甲烷檢測(cè)方法，可以有效恢復(fù)催化劑的活性并盡可能避免降低傳感器的靈敏度，基本解決了長(zhǎng)期使用催化劑時(shí)的中毒問題。此外，載體催化元件需每隔7～14 d進(jìn)行校正調(diào)試，故而存在著不穩(wěn)定和使用壽命短等不足[18, 20]。在數(shù)據(jù)分析方面，童敏明等[21]將催化傳感器應(yīng)用于可燃?xì)怏w濃度分析并使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信號(hào)；之后張愉等[22]采用動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)算法對(duì)混合氣體各組分濃度進(jìn)行研究，雖然該2種方法均能較準(zhǔn)確地分析出各組分濃度，但試驗(yàn)樣本氣體成分均較少，無法真實(shí)模擬煤礦井下的實(shí)際環(huán)境。

在煤礦井下，周圍環(huán)境溫度、濕度等不良因素的影響會(huì)引起檢測(cè)元件產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，嚴(yán)重影響檢測(cè)精度，且其調(diào)校工作對(duì)人員專業(yè)性要求高，即便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校也很難達(dá)到出廠時(shí)的精度[20,23]。因此，載體催化法難以適用于煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)。

1.4 氣相色譜法

色譜法用于分離、分析混合物質(zhì)極為有效，氣相色譜法一經(jīng)問世便得到了飛速發(fā)展[5]。當(dāng)含有瓦斯的氣體經(jīng)流動(dòng)相控制系統(tǒng)進(jìn)入色譜柱中并在兩相之間進(jìn)行多次分配時(shí)，由于各氣體成分的吸附和溶解能力不同，其運(yùn)行速度也不同。因此在分離系統(tǒng)中，各氣體成分彼此分離，有序進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，之后記錄系統(tǒng)給出各成分的色譜峰。由譜圖出峰的保留時(shí)間和峰面積便可以分析該氣體的成分及濃度[5]。基于氣相色譜法的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模型如圖3所示。

圖3 基于氣相色譜法的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模型

氣相色譜法對(duì)于成分較多的氣體分離具有鮮明的優(yōu)越性，張艷艷等[24]、王敏等[25]分別采用氣相色譜法測(cè)量了沼氣及空氣中的甲烷含量，取得了較好效果。盡管氣相色譜法檢測(cè)精度較高，但均在開闊的環(huán)境中進(jìn)行。由于氣相色譜儀體積較大、功率高、對(duì)工作環(huán)境要求高且噪音較大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，將其應(yīng)用于檢測(cè)煤礦井下瓦斯?jié)舛龋y度較大。

2 光學(xué)分析法

2.1 紅外光譜吸收式

當(dāng)光透過介質(zhì)時(shí)，由于每種氣體分子都具有吸收譜特性，當(dāng)光的發(fā)射光譜與氣體吸收譜重疊時(shí)，該部分才會(huì)被吸收，另一部分會(huì)被透射出。其中，介質(zhì)對(duì)光的吸收遵循朗伯-比爾定律[26]

I(λ)=I0(λ)e-αλLC，

(3)

式中，I(λ)為輸出光的強(qiáng)度;I0(λ)為輸入光的強(qiáng)度;αλ為特定波長(zhǎng)下單位體積和長(zhǎng)度的氣體吸收系數(shù);L為光透過的氣室長(zhǎng)度;C為被測(cè)氣體濃度。

激光透射氣室如圖4所示。

圖4 激光透射氣室示意

利用紅外吸收光譜檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊募夹g(shù)模型如圖5所示。首先利用調(diào)制信號(hào)電路和溫度控制器控制激光器的波長(zhǎng)和溫度，激光經(jīng)過準(zhǔn)直器校準(zhǔn)后穿過氣體池，當(dāng)遇到障礙物時(shí)激光將向各個(gè)方向發(fā)出反射，反射光經(jīng)過菲涅爾透鏡匯聚激光信號(hào)并通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過放大器放大后輸送給計(jì)算機(jī)并與參考信號(hào)進(jìn)行比較分析。

圖5 基于紅外吸收光譜的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模型

甲烷氣體的本征吸收峰為I1=3.432 μm，I2=6.78 μm，I3=3.31 μm，I4=7.66 μm處。在聯(lián)合頻帶V2+2V3的波長(zhǎng)為1.3 μm，泛頻帶2V3的波長(zhǎng)為1.6 μm[27-28]，在1.6 μm處對(duì)甲烷的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1.3 μm處。在煤礦井下，瓦斯不僅含有甲烷，還含有二氧化碳、氮?dú)狻⑺⒁蚁⒁彝椤⒍趸颉⒘蚧瘹涞纫恍┖哿繗怏w[29]，甲烷在3.31 μm處的特征吸收峰與氣體烴烷類一致[30]，因此還需考慮到痕量氣體對(duì)紅外光譜的吸收。目前，國(guó)內(nèi)外檢測(cè)甲烷氣體濃度的研究主要集中于1.665 μm近紅外光段[28]。痕量氣體濃度對(duì)于瓦斯?jié)舛鹊挠绊懞苄　?/p>

目前，紅外檢測(cè)方法在定性、定量及結(jié)構(gòu)分析方面都有廣泛的應(yīng)用。周海坤等[30]、段尚汝等[31]分別對(duì)基于TDLAS技術(shù)的激光甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)和鎖相放大電路極大提高了系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性，然而系統(tǒng)采用的DFB激光器的功率較低，角反射陣列分布較少使得測(cè)量距離受限，因而不適用于較長(zhǎng)巷道測(cè)量；該類系統(tǒng)相對(duì)于李哲等[32]設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)而言，降噪效果不理想。李哲等[32]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用分束器形成多路光路以檢測(cè)不同位置處的瓦斯?jié)舛炔⑶铱梢詫?shí)現(xiàn)全量程實(shí)時(shí)檢測(cè)，但在試驗(yàn)時(shí)采用的是微型吸收池且未進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，是否適用于煤礦井下環(huán)境仍需進(jìn)一步論證。

2.2 散射式

激發(fā)光照射到氣體、液體或透明物質(zhì)上會(huì)發(fā)生彈性散射和非彈性散射。其中拉曼散射包括斯托克斯散射和反斯托克斯散射。斯托克斯散射是指散射光頻率小于激發(fā)光頻率的散射光，而頻率大于激發(fā)光頻率的散射光稱為反斯托克斯散射。拉曼散射檢測(cè)方法能夠簡(jiǎn)單、快速、無損傷地定性定量分析氣體分子濃度，并且具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)定時(shí)間短、靈敏度高等特性，檢測(cè)限一般能夠達(dá)到10-6量級(jí)[33-37]。但由于拉曼信號(hào)較弱[38]，并且工作時(shí)需要高精度的設(shè)備協(xié)同工作，因而在煤礦井下采用激發(fā)拉曼散射法檢測(cè)瓦斯?jié)舛入y度較大。

2.3 干涉式

光干涉測(cè)量是一種根據(jù)光在空氣和瓦斯中傳播速度的不同進(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測(cè)的方法[39]。該方法采用光學(xué)系統(tǒng)將1束光分解為2束相干光，通過含有瓦斯氣室和標(biāo)準(zhǔn)氣室后，會(huì)產(chǎn)生光程差，將會(huì)引起光的干涉，在此基礎(chǔ)上利用干涉條紋移動(dòng)量與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系確定瓦斯?jié)舛取；诠飧缮鏈y(cè)量的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模型如圖6所示。

基于光干涉測(cè)量的瓦斯?jié)舛燃夹g(shù)裝置的優(yōu)點(diǎn)為體積小且堅(jiān)固、校正快捷、方便實(shí)用，王子江等[39]設(shè)計(jì)了光干涉式甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)，并得到了大規(guī)模推廣應(yīng)用；黃暉等[40]設(shè)計(jì)出了一種簡(jiǎn)單、方便的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)方法，但未給出具體的技術(shù)模型。由于基于光干涉測(cè)量的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)精度會(huì)受到大氣壓力、濕度、溫度影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯誤差，此外，由于CO2與甲烷的折射率一致[41]，若干燥管中的鈉石灰失效，則會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)值偏高，易造成誤判，因此，利用該方法檢測(cè)煤礦井下瓦斯?jié)舛葧r(shí)仍需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

圖6 基于光干涉測(cè)量的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)模型

3 展 望

非光學(xué)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)方法具有使用壽命較短、對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求高等不足，很多情況下無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，具有溫度高、濕度大、粉塵多等特點(diǎn)，非光學(xué)檢測(cè)方法有時(shí)無法適用于煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)。超聲波檢測(cè)對(duì)于環(huán)境要求高，若能有效降低礦井壓力和溫度的影響，該方法會(huì)被廣泛應(yīng)用于煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)。當(dāng)?shù)V井瓦斯處于低流速狀態(tài)時(shí)，普遍使用的載體催化傳感器的工作靈敏度低于紅外光譜吸收檢測(cè)法，可以通過降低或改善催化劑的中毒現(xiàn)象提高其靈敏度并減少校正次數(shù)。光學(xué)方法測(cè)量范圍廣，不僅可以進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)預(yù)防危險(xiǎn)的發(fā)生，還適合于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且具有較高的靈敏度和較低的成本。紅外光譜吸收式瓦斯?jié)舛葯z測(cè)方法大多使用DBF激光器，其功率低且測(cè)距受限，若用二極管激光器替代，不僅可以減小光源體積而且能夠降低成本。相對(duì)于紅外光譜檢測(cè)，拉曼檢測(cè)更適用于水下甲烷氣體檢測(cè)[34]，可以用于研究水中溶解分子的光譜信息[34]，由此確定海水中游離態(tài)甲烷。光干涉式檢測(cè)方法的工業(yè)應(yīng)用較成熟，但精度受環(huán)境影響較大且體積較大不易簡(jiǎn)化，更適用于開闊環(huán)境中瓦斯?jié)舛葯z測(cè)。總體來說，基于紅外光譜吸收式的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)方法更適用于礦井環(huán)境[12]。煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

(1)信號(hào)預(yù)處理算法改進(jìn)。各類檢測(cè)方法采集到的信號(hào)均較微弱，故而對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大模塊能否準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換、放大有效信號(hào)并濾去雜波信號(hào)的要求較高；其次，信號(hào)預(yù)處理是信號(hào)預(yù)測(cè)和信號(hào)處理的基礎(chǔ)，對(duì)信號(hào)預(yù)處理算法進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于提高瓦斯?jié)舛葯z測(cè)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)而提高瓦斯?jié)舛葯z測(cè)精度大有裨益。

(2)檢測(cè)元件和系統(tǒng)性能改進(jìn)。煤礦井下環(huán)境較惡劣，對(duì)各種檢測(cè)方法的穩(wěn)定性和一致性提出了更高要求；瓦斯?jié)舛汝P(guān)系著煤礦井下安全，因此對(duì)檢測(cè)方法的靈敏度、分辨率和響應(yīng)速度要求較高；煤礦井下空間較小，對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)的小體積、低成本和低能耗也有較高的要求。

(3)檢測(cè)系統(tǒng)智能化升級(jí)。隨著智能材料和設(shè)備的發(fā)展，煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)也勢(shì)必朝著智能化方向發(fā)展。檢測(cè)系統(tǒng)若具有自動(dòng)校準(zhǔn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及無線通信等功能，勢(shì)必能夠智能化檢測(cè)出瓦斯?jié)舛炔⒏鶕?jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)快速給出預(yù)判分析結(jié)果，可為井下生產(chǎn)提供可靠借鑒。

4 結(jié) 語(yǔ)

詳細(xì)分析了煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)的非光學(xué)分析法和光學(xué)分析法的技術(shù)原理及應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并對(duì)各類方法對(duì)于煤礦井下工作環(huán)境的適用性進(jìn)行了評(píng)析。在此基礎(chǔ)上，認(rèn)為煤礦井下瓦斯?jié)舛葯z測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)楦倪M(jìn)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)信號(hào)預(yù)處理算法、改進(jìn)檢測(cè)原件和系統(tǒng)性能以及檢測(cè)系統(tǒng)智能化升級(jí)。

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