激光甲烷傳感器在礦用防爆機車上的應用

李晉陽

（山西晉煤集團技術研究院，山西 晉城 048006）

1 引言

甲烷傳感器是煤礦瓦斯監控系統中井下在線監測瓦斯數據的重要儀器。目前井下防爆型機車（機組）使用的均為催化型甲烷傳感器。由于機車工況條件下震動較大且作業環境惡劣，再加上催化型傳感探頭本身易燃、易中毒、維護困難，導致催化型車載甲烷傳感器的故障率一直居高不下[1]。激光甲烷傳感器的發光源為激光器，能夠準確測量全濃度范圍的甲烷氣體，抗干擾能力強，檢測精度高，非常適合在礦用防爆機車上推廣使用，提升傳感器可靠性。

2 現場概況

岳城煤礦為沁秀公司下屬主力礦井，目前井下所有膠輪車、綜掘機、采煤機和千米鉆機上均配備礦用車載式甲烷斷電儀。但受工況條件和作業環境限制，斷電儀故障率連續三年在42%左右，對生產銜接造成很大影響，且定檢維護操作繁瑣，浪費很大的人力物力。因此非常有必要在原有斷電儀裝置的基礎上配備激光甲烷傳感器，提升設備可靠率。

3 研究內容

通過對岳城煤礦井下所有的膠輪車、綜掘機、采煤機和千米鉆機上安裝激光甲烷傳感器（配套車載斷電儀），利用激光技術監測機車（機組）所在位置的瓦斯濃度。當濃度超過預設的報警點時，儀器能發出聲光報警；當濃度超過預設的斷電點時，儀器能自動切斷電源，以確保安全生產；當濃度回落到報警點或復電點以下時，儀器能解除報警或自動解鎖，恢復機車（機組）供電，將其作為井下監測瓦斯濃度的另一重要技術手段。

4 傳感器設計

4.1 硬件主機設計

斷電儀主機的硬件電路包括底板、充電板、顯示板、電池等元器件。其中底板主要用于電源轉換、電源供應、電路保護等；顯示板為斷電儀的核心板，主要用于接收傳感器信號、處理信號、繼電器動作等，實現斷電儀的主要功能[2]；充電板和電池用于斷電儀自身的充放電控制。斷電儀內部邏輯如圖1。

圖1 斷電儀主機內部邏輯圖

車載式甲烷斷電儀主機的軟件設計部分主要實現以下功能：當斷電儀的甲烷濃度達到預置的報警點時，報警器和甲烷傳感器應同時發出聲、光報警信號。當甲烷濃度恢復到預置報警點以下時，應能解除自動報警。

4.2 軟件設計

斷電儀的軟件流程如圖2。

圖2 斷電儀的軟件流程圖

該斷電儀不但能實現不同濃度甲烷氣體的分類測量，當電路故障時還能夠自動斷電，起到保護電路的作用，確保了長時間使用的安全性。

4.3 抗震設計

斷電儀主機外殼設計加入抗震設計，增加三重保護進行抗震、減震，在井下的震動環境中有效地減少故障率，提高設備的使用率。斷電儀內部圖如圖3。

如圖3，其中加固螺栓進行加固時采用橡膠管件，不是采用金屬彈墊，斷電儀內部的電源部分和主要元器件均采用集成模塊，制作焊接完畢后進行膠封，有效地防止震動時元器件焊腳發生故障，提高抗震能力。

圖3 斷電儀內部圖

4.4 配套設計

斷電儀控制流程如圖4。

圖4 斷電儀控制流程

斷電儀的工作流程為：電源是AC127 V/AC36 V/DC24 V，通過電源模塊轉化成DC24 V，然后通過限壓、整流等措施，提供一路DC18 V。這路DC18 V 給傳感器供電，并給傳感器的電池充電，傳感器反過來又控制斷電儀的繼電器。當傳感器正常工作，測值在超限報警值下時，斷電儀保持通的狀態；當傳感器超限報警并發出斷電命令時，斷電儀動作，保持斷的狀態；在斷電儀有交流供電的情況下，它一直給傳感器和傳感器的電池充電；當交流失電的情況下，傳感器通過自身的電池，控制斷電儀的繼電器，使斷電儀保持動作或不動作[3]。

5 現場實施

5.1 儀器安裝

2018 年9 月，200 套斷電儀主機和激光傳感器到礦（10 套備品備件）并完成安裝，安裝地點分別為掘進機50 套、采煤機6 套、千米鉆機6 套、膠輪車128 套，完成項目實施規模。其中：

（1）膠輪車由車載電池提供DC24 V 電源，照明和發動機動力分別由不同的線路進行供電；機械結構比較統一，由駕駛室和載運部分構成。根據煤礦安全規程，斷電儀設備在進行斷電操作時只需斷開機車動力電源即可。

（2）掘進機和采煤機電氣原理和機械機構都不相同，但斷電儀的控制比較一致。根據煤礦安全規定，掘進機、采煤機在進行斷電操作時需切斷整車電源，意味著斷電儀主機需控制機組上級電源-真空磁力起動器。

（3）千米鉆機工作時保持位置固定的特點，斷電儀一般采用壁掛的方式進行安裝，機械安裝并無難點，將斷電儀主機和甲烷傳感器懸掛固定在機組附近的煤壁即可。

5.2 實施效果

2018 年5 月，我方對所安裝的斷電儀設備進行跟蹤檢驗，檢查并記錄設備的運行情況。正常工作狀態下，未出現誤斷、錯斷或不動作等故障，工業性試驗期間安全可靠，測量誤差為：0.5 標氣測量誤差波動范圍為0.01～0.04，2.0 標氣測量誤差波動范圍為1%～4%，響應時間誤差波動范圍為13～18 s。截至2019 年3 月，220 套設備穩定運行，正常工作狀態下，未出現誤斷、錯斷或不動作等故障，工業性試驗期間安全可靠。

6 效益分析

目前井下使用的催化式甲烷傳感器售價按平均每臺0.4 萬元計算，激光甲烷傳感器售價成本在1.15萬元左右；220 臺每年共需調校5500 次共計27.5萬元，激光甲烷傳感器無此項費用；每臺傳感器每15 d 調校一次，總計人工費用34 萬元，共計每年節約61.5萬元；此外，催化式甲烷傳感頭售價260元，平均每年的維護費用為400 元左右，每年更換費用合計11 萬元，共計72.5 萬元。由此可知，在長期使用的情況下，激光甲烷傳感器綜合成本低于催化式甲烷傳感器。