可多点同时监测的钻孔内瓦斯浓度监测传感器研制成功- 工业快报

　　瓦斯抽采监测系统是评价抽采是否达标的重要手段。近日，中国煤科西安研究院丛琳基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术，设计了一种孔内瓦斯浓度监测传感器，通过多芯光缆可同步并联多个，实现钻孔内多区段同时在线监测，并同时保证孔内无源，最大限度的保证了人员的生命安全。相关研究成果于11月2日以《煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器研制》为题在《煤田地质与勘探》进行了网络首发。

　　现阶段，瓦斯监测大多在汇流管出气端安装监测设备，对群孔（百个钻孔或多个钻场）的抽采效果进行监测，或在孔口布置监测系统，对单钻孔进行瓦斯抽采效果整体监测。这种监测方式只能反映整个孔或者群孔的瓦斯抽采效果，已经无法满足实际的应用需求。

　　若能够孔内对整个孔中任意区间的瓦斯抽采效果进行监测，利用这些数据可以判断钻孔每百米的瓦斯贡献，进而为钻孔的最佳长度、位置的布置与钻进工艺等参数的确定提供科学依据。

　　丛琳通过分析TDLAS瓦斯测量基本原理，确定瓦斯气体吸收谱线中心波长在1653.722nm附近吸收线的吸收较强，在该波长处吸收谱线重合较少，且所处波长接近光通讯光纤的低损耗区（1550nm），因此选用该波段作为激光光源，并进一步推算了瓦斯气体浓度解算公式。

　　瓦斯浓度传感器的核心结构为气室，考虑到瓦斯气体吸收系数较大，设计采用GRIN气室结构，但GRIN气室总光程较小，考虑到孔内传感器尺寸限制，为了不影响瓦斯抽采效率，将GRIN气室一端的透镜改为反射镜，变为反射式GRIN气室，可增加一倍光程。

　　反射式GRIN气室主要包括单芯光纤、耦合器、自聚焦透镜、镀金反射镜、气体吸收池和保护膜。

气体吸收池外表面均匀布置透气孔，两端对称布置自聚焦透镜和镀金反射镜，并对透镜和反射镜进行定位，使得返回光信号尽量最大，光耦合效率最高，定位后利用环氧树脂黏合剂将透镜、反射镜与气体吸收池固定。输入光源通过自聚焦透镜变为平行光，经过气体吸收池后到达反射镜，光通过反射可增加吸收光程，反射光到达自聚焦透镜，再通过耦合器到单芯光纤传出。

　　瓦斯浓度监测传感器结构

传感器光路传输

　　为了保护传感器不被井下恶劣环境损坏，研究人员将传感器外管采用钢管封装，前端采用三层保护膜可进气。保护膜最外层采用150μm不锈钢多层烧结网，中层采用50 μm不锈钢粉末冶金片，两层防护可有效针对大粉尘颗粒进行隔离，内层采用高分子滤膜，可以阻挡小于1微米的粉尘通过，具有较高过滤能力，同时起到有效的防水效果，整体传感器实物如图所示，封装后传感器直径40 mm，长度80 mm，满足钻孔内小尺寸应用需求。

　　瓦斯浓度监测传感器实物

　　井下钻孔中应用时，多个瓦斯浓度监测传感器采用并联的形式分布于多芯铠装光缆的多个测量位置，形成孔中传感部分，孔中传感部分利用中空钻杆送入孔内，到达预定位置后，光缆底部的孔底装置固定锁紧，另一端在孔外连接孔口解调仪。使用时，孔口解调仪通过调制激光器注入电流，使激光波长周期性地扫描，覆盖瓦斯气体的特征吸收谱线，光源通过多芯铠装光缆传输到孔内各个传感器，孔口解调仪同时接收从多个孔中传感器返回的光信号，通过分析吸收光谱的强弱变化即可实现对孔内多个区段瓦斯浓度的实时监测。

　　为了满足煤矿安全的应用需求，研究参照AQ 6211—2008《煤矿用非色散红外甲烷传感器》对传感器的性能进行测试，发现：

　　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。

　　责任编辑：宫在芹

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