余吾煤业分布式光纤甲烷监测系统研究与应用_柴医芳.pdf

832023 年第 2 期柴医芳：余吾煤业分布式光纤甲烷监测系统研究与应用柴医芳：余吾煤业分布式光纤甲烷监测系统研究与应用余吾煤业分布式光纤甲烷监测系统研究与应用柴医芳（潞安化工集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046101）摘 要 针对余吾煤业矿井甲烷监测系统灵敏度与准确性差的问题，采用分布式检测原理进行甲烷监测系统升级优化。系统采用 1650 nmDFB 可调谐半导体激光发生器，通过 WDM 环形器完成调制频率扫描光分光，经信号转化、放大、调理和 AD 转化运算后显示甲烷实时监测浓度值。示值对比试验验证了甲烷浓度监测精度达到设计要求，重复性试验表明系统稳定性良好，现场应用精准实现矿井多系统融合联动联控功能。关键词 甲烷监测；分布式；分光器；激光甲烷中图分类号 TD712+.5 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.031Research and Application of Distributed Optical Fiber Methane Monitoring System in Yuwu Coal IndustryChai Yifang(Luan Chemical Group Yuwu Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Changzhi 046101)Abstract:In view of the poor sensitivity and accuracy of the methane monitoring system in Yuwu Coal Mine,the distributed detection principle is adopted to upgrade and optimize the methane monitoring system.The system uses a 1650 nmDFB tunable semiconductor laser generator to complete the modulation frequency scanning optical spectroscopy through WDM circulator.After signal conversion,amplification,conditioning and AD conversion operations,the methane real-time monitoring concentration value is displayed.The comparison test of indication value verifies that the monitoring accuracy of methane concentration meets the design requirements,and the repeatability test shows that the system has good stability,and the field application accurately realizes the multi-system integration and linkage joint control function of the mine.Key words:methane monitoring;distributed system;light splitter;laser methane收稿日期 2022-07-25作者简介 柴医芳（1983），女，山西长治人，2022 年毕业于山西大学，本科，助理工程师，研究方向：电气工程及自动化。柴医芳：余吾煤业分布式光纤甲烷监测系统研究与应用柴医芳：余吾煤业分布式光纤甲烷监测系统研究与应用1 概况余吾煤业位于山西省长治市，矿井面积 3.452 km2，设计生产能力为750万t/a，井田为侏罗系煤层。1105 工作面标高 844921 m，长度为 1124 m，最大倾斜角为11，位于+740 m二采区，煤层总厚度4.33 m，煤种主要为贫煤和瘦煤。余吾煤业矿井属于高瓦斯矿井，瓦斯浓度 0.13%0.36%，瓦斯相对涌出量 14.21 m3/t。余吾煤业矿井设置有瓦斯抽放系统，抽放的瓦斯直接对空排放。煤层回采阶段对瓦斯浓度的控制是安全作业的基本前提，甲烷监测系统的灵敏度、准确性以及在井下工况下的稳定性是系统的核心要求1。余吾煤业甲烷监测系统老旧，灵敏度和准确性已无法满足现代化生产作业安全需求，仅在 2021 年 3 月就发生了两次误报警，极大影响作业生产。基于智能化管理需求，采用分布式检测原理进行甲烷实时在线监测系统设计研究，解决当前系统存在的弊端，提升井下作业安全水平。2 分布式检测原理 系统的分布式检测功能主要是依靠分光衰减小、分光性能好且对工作波长范围宽的光分束器来实现2，通过激光发生器产生光源，经过光路控制，光分束器利用环形器光实现信号分布。为了降低分光后的信号衰减，光分束器采用的 WDM 选择的是1450 nm 的环形器3。分布式检测原理如图 1，图中实箭头代表电路控制，虚箭头代表光路控制。图 1 中选用 188 环形器光分束器进行光信号分布，1-8 代表经过光分束器分布的 8 路光信号，1-8 代表光信号经过气室后返回的光路。无论是分842023 年第 2 期布光路还是返回光路，都相互独立。电控系统实现对光开关频率的控制，进而实现对分光光路控制。图 1 分布式检测原理图3 分布式光纤甲烷监测系统设计分布式光纤甲烷监测系统总结构示意图如图2。系统主要由激光发生模块、光路控制模块、电路控制模块和信号处理模块四部分构成。激光发生模块主要功能是为系统提供合格的激光信号，激光信号的扫描频率主要依靠电流调制器和温度控制器共同作用4；激光发生器发出的特定频率的扫描光通过光路控制模块中光分束器的 WDM 环形器完成 8 路分光，分别进入对应的反射式气室进行光反射，通过环形器后实现光电信号转化，经过微弱电信号放大和微分处理和调理后，将光信号转化后的微弱电信号调制成便于识别和处理并能参与控制的电信号，后经过 AD 转化器转化为数字信号后，通过电路传输通道被信号处理模块接收；信号处理模块对电信号进行运算对比，按照设定的程序输出系统动作信号，包括预警、报警、监测结果显示与系统通信状态等。图 2 分布式光纤甲烷监测系统总结构示意图3.1 激光发生器激光发生器参数需要根据被监测气体即甲烷的吸收线特征确定。DFB 激光器为 1650 nm 的可调谐半导体激光器，该型号激光发生器的可调谐范围下限为 1620 nm，上限为 1660 nm，能够很好适应电流调制器和温度控制器。3.2 气室结构气室作为传感器单元，是整个监测系统的关键结构，其主要作用是提供甲烷气体与激光作用场所5，既要保证甲烷气体能够充满整个气室，又要防止灰尘等含颗粒气体进入。系统气室由提供光反射、增加光路径的平行光管，具有气体过滤作用、防止颗粒物进入气室的粉末合金管和起到结构保护作用的保护套管三部分构成。平行光管中集成了准直器，光信号通过平行管的反射经过准直器进入到光分束器的 WDM 环形器中，进而实现光电转化。3.3 系统软件设计分布式光纤甲烷监测系统的软件设计主要实现以下功能：光信号转化为电信号后的分布式控制逻辑、信号调制与数据处理、通讯逻辑控制、联锁逻辑控制以及上位机显示控制等。系统的主程序控制逻辑图如图 3。图 3 系统的主程序控制逻辑图监测系统通电后，系统自动执行模块初始化程序，确保各功能模块功能正常；模块初始化完成后，系统根据监测气体特征对激光发生器的光信号进行调制，使激光发生模块产生的激光具有特定的频率特征；光信号通过多路 PIN-PD 探测器转换为电信号，并完成电调制；执行分布路数识别与判断，识别信号路数并对比信号处理路数范围，如果识别出的信号路数不在范围内，则系统自动返回模块初始化，如果识别路数在范围内，则对各路信号进行放大增益控制与处理，保证信号的零点位置；通过调用子程序对电信号进行解调后完成 AD 采集，将采集的数字信号送入到 DSP 中进行算法处理，将计算出的结果即甲烷的浓度信号通过传输系统上传到上位机和就地显示仪器的液晶板进行显示，同时程序852023 年第 2 期柴医芳：余吾煤业分布式光纤甲烷监测系统研究与应用柴医芳：余吾煤业分布式光纤甲烷监测系统研究与应用执行浓度对标指令，对浓度超出设定阈值的支路进行预警或报警，浓度未超出阈值的支路显示浓度监测结果正常。4 系统测试按照以上设计方案进行分布式甲烷监测测试系统搭建，检测系统的甲烷浓度监测浓度精度以及逻辑控制功能，测试系统主要包括了甲烷监测系统样机、甲烷气室、通风装置、金属转子流量计、调压阀门以及对标气体等。4.1 示值对比验证采用浓度分别为 0.55%、1.14%、2.26%、3.43%和 5.05%五种标准气体对甲烷浓度进行拟合，每种浓度的标气进行多次试验，将得到的数据进行数理统计，得出试验对应数据分别为 0、1302、3297、7231、11 162 和 14 934。采用线性拟合将气体浓度值增大处理，则 0.55%数值对应的是 550，以此计算得到的数值再进行缩小处理，即可算出对应的气体浓度。拟合曲线图如图 4。图 4 数据拟合曲线图根据拟合曲线得到拟合数学表达式为：y=2.91210-6x2+0.288 8x2+64.09 式中：方差为 63.65，准确度为 99.94%，气体监测浓度误差为 0.012%。在系统中导入拟合曲线表达式和曲线图，利用系统再次对五种标准气体进行浓度监测，对比监测浓度值与实际浓度值，以此确定系统的监测准确度。每次进行标准气体浓度监测时，要对气室进行清空后再充入被测气体，测试结果见表 1。表 1 系统示值对比试验结果表%序号标准气体浓度值监测结果浓度值10.5500.54821.1401.14132.2602.25943.4303.42755.0505.049通过试验结果可以看出，按照拟合曲线监测核算出的甲烷浓度与实际值最大偏差不超过 0.003%，浓度监测准确性能够保证，监测精度达到设计要求。4.2 重复性试验为了验证分布式光纤甲烷监测系统的监测结果稳定性，进行重复性试验6。在相同的试验条件下，即试验环境和充气速度均相同的状态下，选择一种稳定的标准气体进行浓度监测，理想试验结果是系统得出相同的浓度监测值，表明监测系统稳定性极佳7。选择 5.05%标准气体进行两轮、每轮 10 次的浓度监测试验，试验过程采用金属转子流量计控制气流速度，保证气体进入气室的速度略大于气体溢出速度。记录系统上位机和就地显示屏结果，绘制图 5。通过分析试验结果可以看出，重复性试验监测的甲烷浓度值曲线重合性好，表明系统稳定性良好。图 5 重复性试验结果曲线图5 应用效果余吾煤业对优化后的井下分布式光纤甲烷监测系统进行运行效果测试，选取矿井 1105 工作面010302 风巷为甲烷浓度监测试验区，进行系统准确性和连锁动作功能测试。对试验区域 4#甲烷传感器通入 1.0%和 1.5%浓度标准甲烷气体，上位机监控画面中 4#传感器实时监测数据分别显示 1.000%和 1.499%，均能满足系统设计精度。监测甲烷浓度超过设定安全值后，井下当前区域声光报警和应急广播系统开启，井上监控室声光报警器启动，同时矿井多个安全系统融合联动，精准实现巷道通风设备动作、井下供电安全控制等系统联控功能。截至2022 年 6 月，系统已经正常运行一年，期间监测浓度超标两次。经核实当时监测区域甲烷浓度真实超标，通风系统增大通风量，未有瓦斯超标事故发生。862023 年第 2 期供了设备和技术支撑。实践表明，1009 辅运顺槽快速掘进单进提升到 560 m/月，单进水平提升了40%，实现了快速掘进的目标。（2）监测结果表明，在快速掘进过程中，1009 辅运顺槽巷道围岩变形在安全范围内，且要好于之前不采用快速掘进技术的巷道状况。快速掘进过程中顺槽瓦斯涌出保持在安全值范围内，说明快速掘进过程中采取的瓦斯防治方案有效。黄陵一号矿煤巷快速掘进技术的实践应用取得显著效果，在掘进效率大幅提高的情况下，巷道围岩基本保持稳定，瓦斯涌出量处于安全值内。6 结语针对井下工况以及甲烷浓度范围设计了分布式光纤甲烷监测系统，重点对浓度监测的准确性、系统的稳定性和灵敏性进行了测试，并在现场得到应用。（1）采用 1450 nm 环形器的 WDM 光分束器对调制后的激光进行光路分布，经过光电信号转化、放大和调理后，经 AD 转化器转化为数字信号，通过信号处理模块运算后输出监测结果。（2）通过示值对比试验验证系统监测甲烷浓度与实际值最大偏差不超过 0.003%，通过两轮二十次重复性试验绘制的甲烷浓度值曲线重合性好，系统稳定性良好。【参考文献】1 王恩元，李忠辉，李保林，等.煤矿瓦斯灾害风险隐患大数据监测预警云平台与应用 J.煤炭科学技术，2022，50（01）：142-150.2 张国玉，郑光辉，刘炳权，等.KJ90X 安全监控系统在赛蒙特尔煤矿的验收测试 J.煤炭技术，2021，40（07）：178-180.3 刘统玉，王兆伟，李振，等.激光/光纤传感技术研究及其在煤矿安全监测预警中的应用 J.激光与光电子学进展，2021，58（13）：233-243.4 潘瑞.无线传感器网络在煤矿井下环境监测中的应用 J.山西化工，2021，41（03）：141-144.5 赵章.井下突发状态监测与人员紧急救援协同系统的研究 J.煤矿现代化，2021（01）：48-51.6 赵任栋，高志誉.基于 ZigBee 无线传感器的煤矿监测管理系统设计与实现 J.电脑编程技巧与维护，2020（10）：95-96+109.7 袁亮.煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术 研 究 进 展 J.煤 炭 学 报，2020，45（05）：1557-1566.两排玻璃钢锚杆进行支护。采用的玻璃钢锚杆长度为 2.0 m，直径为 25 mm，第一排锚杆与顶板间距为 0.5 m 且以 15仰角布置，锚杆排距为 1.0 m，间距为 2.0 m。4 结语截至 2021 年 12 月 14 日，302 工作面已回采至575 m 处，工作面已顺利通过断层区。在回采过程中顶煤未出现垮落，最大端面距控制在0.3 m以下，端面顶板下沉、离层现象得到了有效控制，煤壁片帮深度低于 0.6 m，保证了工作面回采安全。（上接第 79 页）（上接第 82 页）【参考文献】1 景晋兵.破碎围岩预掘回撤通道围岩支护技术研究 J.煤，2022，31（07）：79-80+85.2 韩国杰.综采工作面端面冒漏区围岩支护技术 J.机械管理开发，2022，37（04）：111-112+115.3 郭洪臣.综采工作面大断面切眼围岩支护技术 J.江西煤炭科技，2021（02）：71-73.4 张瑞鹏.综采工作面巷道围岩支护及矿压规律分析 J.当代化工研究，2019（10）：45-46.5 孔德志.综采工作面巷道围岩支护及矿压规律研究 J.内蒙古煤炭经济，2018（09）：25+47.【参考文献】1 孙延峰，吴涛.黄陵一号煤矿危险、有害因素的辨识与评价分析 J.河南科技，2014（19）：57-59.2 丁志超，田小龙.黄陵一号煤矿瓦斯抽采系统优化 研 究 J.山 东 煤 炭 科 技，2021，39（02）：124-126+131.3 王虹.我国综合机械化掘进技术发展 40aJ.煤炭学报，2010，35（11）：1815-1820.4 王国法，杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向J.煤炭科学技术，2019，47（01）：1-10.5 袁建平.黄陵一号煤矿薄煤层综采工作面智能化控制系统的研究 J.山东煤炭科技，2014（11）：198-200.