低功耗紅外甲烷傳感器在煤礦安全監測中的應用優化研究

吳文巧

（貴州省煤礦設計研究院有限公司，貴陽 550025）

1 某煤礦安全監測項目概況

位于山西省中部的某煤礦是典型的深井煤礦，年產煤量約450 萬t，最大開采深度達750 m，煤層厚度平均為2.5 m，主要煤質為無煙煤和褐煤，具有較高的瓦斯濃度[1]。過去5 年中，該煤礦通過技術改造，特別是安全監測系統從傳統升級至自動化、智能化，引進低功耗紅外甲烷傳感器等先進技術，安全監測覆蓋瓦斯、地壓、通風等多個方面，重點強化瓦斯監測。同時，煤礦配備大數據分析系統，可利用監測數據進行實時分析和預警，顯著提高了其應對突發瓦斯超限事件的能力。

2 煤礦安全監測中的常見問題

煤礦安全監測系統面臨諸多問題。第一，傳統監測技術如催化燃燒式甲烷傳感器，在高濕度或超40 ℃環境下性能不佳，誤差率超10%，且在緊急情況下響應時間過長（30～60 s），影響及時預警。第二，熱導式甲烷傳感器在高溫高濕和多塵環境下檢測誤差增加5%～10%，環境適應性不足[2]。第三，監測系統的性能還受極端環境的負面影響，如高塵環境會導致傳感器精度下降20%，高溫和高濕度環境會降低傳感器的穩定性和準確性。第四，數據處理和管理方面存在顯著不足，如有限的數據處理能力導致實時數據分析和預警延遲，缺乏有效的數據存儲和管理機制影響了歷史數據的查詢分析，不利于事故預防和風險評估。綜上所述，煤礦安全監測系統需具備高穩定性、快速響應和強適應性的技術解決方案，以應對復雜環境的挑戰，滿足市場對高標準安全監測的需求。

3 低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器的工作原理

GJG10H 型紅外甲烷傳感器采用先進的非色散紅外（Non-Dispersive Infrared，NDIR）氣體分析技術，用于測量低濃度甲烷氣體。它基于朗伯-比爾定律，根據甲烷氣體特有的紅外線特征吸收波長（3.33 μm）檢測甲烷濃度[3]。當紅外光通過甲烷氣體時，特定波長的光被吸收，通過測量光強度的減少，計算甲烷的濃度。GJG10H 型傳感器的工作溫度為0～40 ℃，相對濕度不高于98%（非冷凝），工作壓強為80～116 kPa，風速不高于8 m·s-1。傳感器的設計兼顧了便攜性與耐用性，體積小，質量輕。傳感器外殼采用不銹鋼材質，具有較強的防爆性，可在惡劣環境下安全使用。此外，傳感器前后蓋的合縫處采用橡膠密封，具有防塵、防水功能，進一步增強了其在礦井等環境中的適用性，結構如圖1 所示。

圖1 GJG10H 型紅外甲烷傳感器外形結構

GJG10H 型傳感器還包括一個紅色數碼管顯示窗，方便工作人員準確檢測低濃度的甲烷氣體。此外，傳感器的甲烷氣體檢測元件與限制擴散式氣室安裝在下部，使得對低濃度甲烷氣體的檢測更敏感，能夠提供連續、精確的監測數據?？傮w來說，GJG10H 型紅外甲烷傳感器的設計考慮了高效能、精確度、耐用性及安全性，適合在煤礦等復雜環境中使用。

4 低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器的技術特征及優點

4.1 技術特征

GJG10H 型紅外甲烷傳感器在其設計和性能上具有明顯優勢。該傳感器的測量范圍廣泛，能夠檢測0.00%～100.00%的甲烷氣體濃度，具備±0.06%CH4的高精度基本誤差[4]。對于甲烷濃度的最小分辨率，傳感器能夠實現0.01%CH4的細致判別。這種分辨率精度對于礦井中微小濃度變化的監測至關重要。傳感器的響應時間T90優異：對于A 類傳感器和B 類傳感器，響應時間不大于25 s；對于C 類傳感器，響應時間控制在50 s 以內。這一快速響應特性使其能夠及時反饋甲烷濃度的變化，增強了安全預警的時效性。GJG10H型紅外甲烷傳感器測量精度如表1 所示。

表1 GJG10H 型紅外甲烷傳感器測量精度 單位：%CH4

在環境適應性方面，GJG10H 型傳感器表現也十分突出。它能在-40～60 ℃的寬溫度范圍內穩定工作，滿足多變的礦井環境要求。在防爆性能方面，GJG10H 型傳感器符合礦用本質安全型要求。它的防爆標志為“ExibI”，可確保其在易燃易爆的煤礦環境中能夠安全可靠運行。此外，GJG10H 型傳感器采用數字信號輸出方式，傳輸速率為1 200～9 600 b·s-1，電平不小于3 V，支持遠程數據傳輸和智能化監控系統的對接。這些特征使得GJG10H 型紅外甲烷傳感器技術優勢突出，成為煤礦安全監測中的關鍵設備。

4.2 優點

GJG10H 型紅外甲烷傳感器技術優勢明顯，成為煤礦安全監測中的重要工具。第一，該傳感器采用的非色散紅外技術確保了高精度和高可靠性。它能夠精確測量甲烷氣體的濃度，減少誤報和漏報的可能。第二，GJG10H 型傳感器具備快速響應能力，能在數秒內檢測到甲烷氣體濃度的變化，為礦井安全提供了及時預警。第三，該傳感器在設計上考慮了惡劣環境的適應性，能夠在高濕度、高塵埃、極端溫度等復雜條件下穩定運作。它的防爆設計符合煤礦安全標準，能夠在易燃易爆環境中安全使用。第四，傳感器的低功耗特性也是其一大優點，不僅降低了能源消耗，還延長了設備的使用壽命，減少了維護成本。

5 低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器在煤礦安全監測中的應用優化

5.1 智能化數據分析與預警

在該煤礦安全監測項目中，采用低功耗GJG10H型紅外甲烷傳感器與先進的智能化數據分析系統，構建了一個高度自動化和智能化的煤礦安全監控平臺。該平臺不僅實現了對甲烷濃度的實時監測，而且通過集成的人工智能算法能夠對監測數據進行深度學習和模式識別，從而實現了對異常情況的早期預警。

該智能化數據分析系統名為礦安智能預警系統。礦安智能預警系統集成了多種數據分析技術，包括機器學習、深度學習以及時間序列分析等，能夠處理和分析大量的傳感器數據[5]。系統通過深入分析歷史甲烷濃度數據，建立了一個甲烷濃度預測模型。該模型能夠根據當前的礦井作業狀態預測未來一段時間內甲烷濃度的變化趨勢。礦安智能預警系統的核心功能之一是實時監測和預警。系統通過實時接收來自GJG10H 型紅外甲烷傳感器的數據，分析每一個數據點，判斷是否存在異常波動或趨勢。一旦檢測到甲烷濃度超過預設的安全閾值1%，礦安智能預警系統會立即啟動預警程序。預警機制包括初級預警、中級預警和高級預警3 個層級，對應甲烷濃度的不同危險等級。例如：當甲烷濃度達到1.5%時，系統觸發中級預警；當濃度超過2%時，系統觸發高級預警。預警信息通過多種方式傳達給相關人員，包括短信、電子郵件、應急廣播系統和礦區內部的發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）顯示屏。此外，礦安智能預警系統與礦井的通風和瓦斯抽放系統自動連接，能夠在檢測到高級預警時自動調整通風系統，增加甲烷抽放量，從而快速降低甲烷濃度，避免事故的發生。

自礦安智能預警系統部署以來，煤礦管理層對瓦斯超限事件的響應能力得到了顯著提升。據統計，煤礦引入礦安智能預警系統后，瓦斯超限事件的平均響應時間從30 min 縮短到18 min，效率提高了40%。通過系統的智能分析和預警，過去一年內瓦斯超限事件的發生次數比前一年下降了30%，顯著提高了礦井的安全水平。礦安智能預警系統還具備強大的數據挖掘和分析能力，能夠根據歷史數據識別出瓦斯超限的潛在風險因素，為礦井管理和安全預防措施的優化提供了科學依據。通過對歷史事故數據的分析，礦安智能預警系統能夠發現瓦斯超限事件與特定作業條件、通風狀態和季節變化之間的相關性，幫助管理層制定更精準的安全策略和預防措施。整體上，通過引入低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器和礦安智能預警系統，該煤礦安全監測項目不僅提高了甲烷監測的準確性和實時性，而且通過智能化數據分析與預警顯著提升了煤礦的安全管理水平，為保障礦工安全和礦井穩定運行提供了強有力的技術支持。

5.2 應對復雜礦井環境的策略

煤礦安全監測項目引入GJG10H 型紅外甲烷傳感器，重點針對礦井內部的高濕度、高塵埃、溫度變化等復雜環境進行了優化設計。它獨特的防爆、防塵、抗濕性能，使得其在極端環境下也能保持穩定的監測性能。例如，該傳感器在連續監測期間，面對濕度達到98%和溫度波動在-5～40 ℃的惡劣環境，性能未見明顯下降，甲烷檢測誤差控制在±0.1%以內，遠高于行業標準[6]。除了高濕度和溫度波動，礦井內部的高塵環境對甲烷傳感器的挑戰也尤為嚴峻。在深井作業中，GJG10H 型傳感器利用先進的防塵設計，有效防止了塵埃粒子的侵入，確保了傳感器內部的清潔，從而保持了長期穩定的運行性能。實際應用數據顯示，即便在煤塵濃度達到1 500 mg·m-3的環境中工作，該傳感器的檢測準確度和響應時間仍能滿足安全監測的高標準要求。

為了進一步提高煤礦安全監測系統的可靠性和精確度，煤礦安全監測采用了環境適應性調節技術。這項技術能夠根據實時監測到的環境條件（如溫度、濕度、煤塵濃度等）自動調整傳感器的工作參數，以適應復雜多變的礦井環境。例如，該技術幫助GJG10H 型傳感器在突發的高溫高濕環境下，通過調整內部測量算法快速適應環境變化，確保了數據的準確性和實時性。

為了全面提升煤礦安全監測的效率和準確度，煤礦還開發并應用了綜合監測與分析系統。該系統不僅整合了GJG10H 型紅外甲烷傳感器的甲烷監測數據，還包括溫度、濕度、煤塵等其他監測數據，通過高級數據分析模型，全面評估和預警礦井內部的安全狀況。在投入應用后的煤礦作業中，綜合監測與分析系統成功預測了一次由于甲烷濃度突然升高和煤塵積聚導致的潛在安全事故，及時啟動了預警機制，避免了事故的發生。通過對GJG10H 型紅外甲烷傳感器在復雜礦井環境中應用策略的深入分析可以看出，它不僅在單一性能上表現出色，而且通過與其他技術和系統的整合應用，極大地提升了煤礦安全監測的全面性、準確性和實時性。這些策略和技術的成功應用，有效提升了監測系統的可靠性和安全性，為保障礦工安全和礦井穩定運行提供了堅實的技術支持，展現了GJG10H型紅外甲烷傳感器在煤礦安全監測領域的廣闊應用前景和重要價值。

6 結語

低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器具有精度高、響應快速以及環境適應性強等特點，在煤礦監測項目中發揮了重要作用。智能化數據分析與預警系統的結合，顯著提升了瓦斯超限事件的處理效率，降低了安全事故的發生率。同時，傳感器設計考慮了礦井復雜環境的挑戰，如高濕、多塵、溫度波動等，保證了其在惡劣條件下的穩定運行。可見，GJG10H 型紅外甲烷傳感器在提高煤礦安全性、優化監測效率方面展現了顯著優勢，為煤礦安全監測提供了一種有效的技術解決方案。