煤田地质与勘探

作者：丛琳,

关键词：煤矿井下钻孔, 可调谐半导体激光吸收光谱技术, 瓦斯浓度监测,

当前，煤矿井下钻孔作业时，瓦斯监测系统只能反映钻孔孔口处瓦斯抽采量，无法获得钻孔内某个区段的瓦斯抽采效果, 随着煤矿井下瓦斯抽采钻孔孔深增加，沿钻孔长度方向瓦斯抽采效果出现明显分区，不同孔深处有效抽采半径出现较大差异，导致煤矿井下瓦斯抽采钻孔布置难度较大，不确定性增加。针对此问题，设计一种煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器，该传感器基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)原理，可实现钻孔内多点同时在线监测，保证了孔内无源，实现了本质安全。首先，分析TDLAS瓦斯测量基本原理，从气体分子吸收光谱原理出发，介绍了激光光源的选择，并根据比尔−朗伯定律推算瓦斯气体浓度解算公式。然后，在此基础上进行瓦斯浓度监测传感器设计，包括光程设计、结构设计、保护工艺设计和孔中操作流程4方面。最后，从性能和可靠性2方面出发，进行相对误差测试、稳定性测试、响应时间测试、与非色散红外传感器性能对比和防水防尘测试。设计的瓦斯浓度监测传感器直径40 mm，长度80 mm，传感器本质安全，结构上能够很好地适用于煤矿井下钻孔内应用。性能测试中，传感器全量程最大相对误差2.8%，小于孔内瓦斯浓度±6%的监测标准；稳定性测试中，传感器数据的波动范围在0.015%，稳定性为0.28%，满足稳定性小于1%的要求；传感器的响应时间约为8 s，满足响应时间小于10 s的要求；与非色散红外传感器对比测试中，设计的TDLAS瓦斯浓度监测传感器的相对误差和响应时间都明显优于非色散红外传感器。可靠性测试中，传感器长时间处于高湿度环境中，其测量精度并未受到影响，保护工艺可有效防水。性能测试和可靠性测试结果表明，瓦斯浓度监测传感器能够很好地满足孔内瓦斯浓度监测需求，在煤矿井下孔中监测方面具有很好的应用前景。

来源：2022年第2期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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