能源技术与管理 １４８ ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７２—９９４３ ２０１３．０６ ０６２ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ２０１３年第３８卷第６期 Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．６ 光纤传感技术在煤矿瓦斯抽采监测系统的应用 丁国明，沈小军 （皖北煤电集团恒源煤电股份有限公司，安徽宿州２３４０００） ｔ定理，研制出基于光谱吸收技术的光纤气体传感器，对不同的气 要］ 基于Ｂｅｅｒ—Ｌａｍｂｅｒ体浓度进行高精度测量；基于光纤光栅原理研制出光纤温度传感器，对巷道温度进 行实时监控。光纤瓦斯抽采监测技术在皖北煤电集团祁东矿现场试验证明，该系统 具有响应快、精度高、免校准、长距离检测等突出特点，比现有系统技术优势明显。 ［关键词］ 光纤传感；瓦斯浓度监测；温度监测 ［中图分类号］ＴＤ７１２＋．６２［文献标识码］Ｂ［文章编号］ ［摘０引 言 光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质， 感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光 纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干 扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受 严格及强电磁干扰等恶劣环境下使用＿Ｉ＿２］。为 光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动 和转动吸收谱与光源发光光谱间的光谱一致性的 传感器。当光通过某种介质时，即使不发生反射、 折射和衍射现象，其传播情况也会发生变化。这是 因为光频电磁波与组成介质的原子、分子将发生 作用，作用的结果使得光被吸收和散射而产生衰 减。由于气体分子对光的散射很微弱，远小于气体 的吸收光能。故衰减主要由吸收这一过程产生，散 射可以忽略。利用介质对光吸收而使光产生衰减 特性制成吸收型光纤气体传感器，如图１所示。 了提高我国煤矿瓦斯抽采水平，山东省科学院激 光研究所自２００５年起研制基于光纤传感器的本 质安全型矿山、智能油井、电力系统多参数综合监 测系统，取得多项研究成果，在光纤气体传感器、 温度、顶板位移、微震、无源通信等传感器网络以 及在煤矿灾害检测系统方面的研究，为光纤技术 开辟了新的应用方向，为矿山安全提供了新的检 测体系，在国际上产生了一定的影响，代表着该技 术领域的技术前沿 ］。 皖北矿区的各煤矿原先对煤炭自燃的预测预 图１光纤瓦斯传感器 基于光谱吸收技术测量气体浓度时，可利用 可调谐激光二极管的波长而随电流大小调制的特 点对激光输出波长进行调制，再利用锁相放大器 报普遍采用气体分析法，依照煤炭在不同温度条 件下产生气体的种类和多少来判断煤炭自燃发展 的趋势。电子式传感探测技术及人工复测相结合 实现了瓦斯抽采数据、自然发火指标气体分析及 对高温的定位。原系统存在检测周期长、维护量大 等缺点，无法实现准确的实时在线监测。皖北煤电 集团祁东煤矿引进光纤传感器用于煤矿安全监 测，特别是煤矿瓦斯抽采环境的监测，为深入研究 煤矿发火机理，掌握自然发火预警规律提供有效 的技术手段，对煤矿瓦斯灾害监测和控制有着重 大意义，具有明显的经济和社会效益。 优异的微弱信号的提取能力实现气体吸收光谱线 好的恢复，就可实现很好的探测灵敏度，从而测得 精度较高的气体浓度。研制的光纤瓦斯传感器测 量浓度范围：０～１％，０—４％，０～４０％，０～１００％；响应 时间＜２ Ｓ；测量精度：低浓度（４％以下）±０．０５％， 高浓度（４％以上）±０．５％；校准周期６个月。 １＿２光纤温度检测技术 光纤测温技术以光纤为检测元件对温度进行 检测，是一种新型全光纤无源器件，比普通传感器 具有不可比拟的优势和特点。它本质防爆、无电传 感、化学性能稳定、传输距离远，可用于对外界参 量的绝对测量，以技术含量高、经济效益好、渗透 １ 技术原理及方案 １．１光纤气体检测技术 ２０１３年１２月 Ｆｅｂ．，２０１３ 丁国明，等光纤传感技术在煤矿瓦斯抽采监测系统的应用 １４９ 能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。 在煤矿井下应用的温度传感器，主要采用基 于光纤光栅原理来设计。光纤布光栅产生是由于 光纤具有光敏特性，从而在周期光强作用下沿着 光纤轴向方向感生周期性折射率变化的缘故。近 几年来，光纤光栅成栅工艺上有了重大突破，已经 逐步走向实用。研制的光纤温度传感器测量温度 范围一３Ｏ℃～１２０℃；温度灵敏度０．１℃；温度精 度±０．５℃；校准周期６个月。 １．３光纤传感系统软件 光纤传感系统软件分为多点式温度传感器系 统软件和气体传感器系统软件。多点式温度传感 器系统软件的主要功能是，对气体传感器安装部 位的瓦斯气体的浓度进行采集并实时显示及上传 数据到相关监控分站。气体传感器系统软件通过 与温度参数检测综合系统交互来获取当前温度的 监控实时数据，并按照设定的图示ｆ正常、一级报 警、二级报警）显示出来，同时提供了实时数据以 及当天数据查询功能。光纤传感监测系统可以使 用户通过互联网观察到当前瓦斯浓度、温度的数 据，以便指导安全生产。 １．４系统研究技术路线 基于光纤测温技术和光纤气体在线监测技术 相结合的方式，充分利用光纤传感的优势，实现瓦 斯抽采管路中的浓度和温度参数在线监测，进一 步通过专家系统对检测结果进行分析，实现环境 状况的在线评估和定位。光纤传感监测系统的形 成为深入研究煤矿发火机理，掌握自然发火预警 规律提供有效的技术手段，有利于煤矿瓦斯灾害 监测和控制。主要采用的技术路线如图２所示。 图２技术路线框图 光纤监测系统主要由微型计算机、传输电缆、 连接光缆．、光端机和探测器等组成。监测主机主要 对采集的光学数据进行分析，并按照通信协议标 准提供具体监测数据给微型计算机（可提供 ＲＳ２３２、ＲＳ４８５、以太网口接口方式），连接光缆（无 源）主要用来传输光信号。 ２现场实施方案及研究 祁东煤矿原采用的是传统气体传感器及电子 式监测分站，系统存在检测周期长、维护量大等缺 点。基于光纤技术的气体检测技术具有检测快速、 可靠性好、精度高等优点，在气体检测方面与现有 检测技术相比有较大优势。为了更好、更实时地检 测瓦斯抽采管路内气体，根据祁东矿瓦斯泵现场 情况分析，在２号正压泵安装一个光纤瓦斯传感 器来检测其瓦斯浓度，通过光缆传输到解调仪，传 送到监控室监测系统分站，实现实时在线监测，同 时与原系统检测形成良好对比参照。 光纤传感器、传统传感器和传统在线传感器 对２号正压泵瓦斯浓度检测数据的对比如图３ 所示。从图４中可以看到三种传感器监测数据变 化趋势是一致的，在监测的数据数值上，光纤传感 器监测数据和传统传感器监测数据基本相同。 ０．８ ０．６ 缸０・ ０．２ ０ ｌ ５ ９ ｌ３ ｌ７ ２１ ２５ ２９ ３３ ３ ７ ４ｌ ４５ ４９ 时间／ｄ ＋光纤传感器 一传统传感器 传统在线式传感器 监测数据 监测数据 监测数据 图３效验检测数据 光纤瓦斯传感器在实验室的长期稳定性试验 记录如图４所示。 Ｏ．１５ 稳定性试验 ０．１Ｏ ０．０５ ０．Ｏ０ 一０．０５ —０．１０ 一Ｏ．１５ 图４瓦斯传感器长期稳定性检测数据 从图４中可以看到，显示测量误差可以保持 在±０．０５％以内。与传统传感器组建的监测系统相 比，光纤瓦斯抽采监测具有本身不带电、校正周期 长的特点，可达到６个月校正一次，传统传感器则 需要１０ ｄ校正一次。光纤瓦斯抽采传感器根据不 同气体对光的吸收强度不同制定而成，所以它对 气体鉴别性好，不会受到其他气体干扰而引起监 测不精确的问题。 能源技术与管理 １５０ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ２０１３年第３８卷第６期 Ｖ０Ｉ．３８ Ｎｏ．６ ３结论 系统具有明显技术优势。光纤传感技术以光波为 载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的 新型传感技术。光纤本身不带电，体积小，质量轻， 基于Ｂｅｅｒ—Ｌａｍｂｅｒｔ定理，利用气体在某个吸 收峰由于气体吸收而产生的光强衰减的原理，研 制出基于光谱吸收技术的光纤气体传感器。基于 光纤光栅原理研制出光纤温度传感器。结合研制 的温度检测技术和气体检测技术配套相应的软件 系统组成了光纤瓦斯抽采监测系统，对井下甲烷、 一易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于 在易燃易爆、空间受严格及强电磁干扰等恶 劣环境下使用。将光纤传感器应用于煤矿安全监 测，特别是煤矿井下恶劣环境的监测，将对瓦斯抽 采监控治理及自然发火的预测预报起到重要作 用。由此可以得出，光纤瓦斯监测系统对瓦斯抽采 监测能准确地反应瓦斯的实时浓度，对瓦斯突发 事故有重大的预防作用。 ［参考文献］ ［１］吴宏伟．光纤瓦斯传感的调制技术及虚拟化研究［Ｄ］． 淮南：安徽理工大学，２０１１ 氧化碳气体进行实时监控。一旦出现异常能及 时报警，让煤矿根据系统采集的数据情况采取针 对性措施；同时还可以为各级管理部门提供一个 对现场监督、指挥、控制、协调的数字化平台，有效 地防止瓦斯事故的发生。监测地点瓦斯一旦超限， 系统能自动以短信形式将瓦斯超限信息发送到预 先设置的管理人员手机上。利用监测系统可以对 井下各作业地点的实时情况一目了然，及时掌握 通三防”信息，做到防患于未然。 “一［２］王玉田，刘瑾，杨海马．光纤光栅调制式光纤甲烷气体 传感器的研究［ＪＩ＿传感技术学报，２００３（３） ［３］蒋继平．光纤瓦斯气体传感器的发展［－Ｉ１．常州信息职 业技术学院学报，２００３（１） ［４］尚丽平，张淑清，史锦珊．光纤光栅传感器的现状与发 展［Ｊ］．燕山大学学报，２００１（２） ［作者简介］ 光纤瓦斯抽采监测技术在皖北煤电集团祁东 矿使用以来，对井上泵站正压管道及井下负压管 道进行了实时地在线检测，获取了大量的第一手 数据，为瓦斯监测手段的提升提供了有力的现场 数据支持，为井下瓦斯抽采监测提供了大量数据。 通过光纤气体监测系统的现场试验，可以看出光 丁国明（１９７２一），男，注册安全工程师，毕业于徐州煤 炭建筑工程学院，现任皖北煤电集团恒源股份有限公司通 纤气体监测系统具有响应快、精度高、免校准、长 距离检测等突出特点，充分证明了该系统比现有 防地测部安全监控主管，主要从事“一通三防”技术工作。 『收稿日期：２０１３—０７—０８］ （上接第１２５页） 表６单项指标煤层突出等级预测 斯压力均小于突出危险的临界值。依据《防治煤与 瓦斯突出规定》的规定，不能将７、８煤层鉴定为突 出危险煤层，但考虑到孔庄煤矿开采深度大，该矿 在石门、斜巷揭煤时，应采取石门、斜巷揭煤消除 突出危险性措施。 ［参考文献］ ［１］李志胜．孟津煤矿二 煤层突出危险ｌ生研究［Ｊ１．煤炭 根据《防治煤与瓦斯突出规定》，对照表５可 技术，２００９（１２）：１００—１０２ 认定，只有全部指标达到或超过其临界值时方可 划为突出煤层，因此，从单项指标来看，孑Ｌ庄煤矿 Ⅳ．采区一１ ０１５ ｍ以上的７煤层及其８煤层无煤 与瓦斯突出危险性。 ［２］张国枢．通风安全学［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版 社，２０００ ［３］同家安全生产监督管理局．防治煤与瓦斯突出规定 ［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２００９ ［４］生产监督管理局．煤与瓦斯突出矿井鉴定规 范［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２００６ ［作者简介］ ４结论 孔庄煤矿深部煤层突出危险性预测，由于煤 层顶底板存在含水层，很难准确测出煤层原始瓦 斯压力，但实测的煤层瓦斯含量和推算的煤层瓦 卫功柱（１９６８一），男，高级工程师，毕业于淮南矿业学 院，长期从事“一通二三防”技术和管理工作。 ［收稿日期：２０１３－０６—０７］
