梁運(yùn)濤，陳成鋒，田富超，王敬燕

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈撫示范區(qū) 113122；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煤礦瓦斯災(zāi)害由于發(fā)生次數(shù)多、危害程度大，造成大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失，威脅煤礦的安全生產(chǎn)。根據(jù)國(guó)家礦山安全監(jiān)察局公布的歷年煤礦災(zāi)害事故數(shù)據(jù)，2010-2020年由煤礦瓦斯引發(fā)的爆炸、突出等重特大事故共66起，很多事故原因都是在進(jìn)行作業(yè)前未檢測(cè)瓦斯?jié)舛取怏w檢測(cè)技術(shù)是預(yù)防預(yù)警瓦斯災(zāi)害的主要途徑之一[2]，瓦斯成分中90%左右是甲烷(CH4)氣體，因此煤礦井下通過檢測(cè)CH4濃度來近似表示瓦斯?jié)舛龋瑥亩_(dá)到預(yù)警目的。

《煤礦安全規(guī)程》[3]規(guī)定，當(dāng)甲烷傳感器設(shè)置地點(diǎn)的CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%、1%、1.5%等特定值時(shí)，需要做出報(bào)警、斷電等反應(yīng)。目前，應(yīng)用于煤礦井下甲烷濃度檢測(cè)的技術(shù)原理主要包括：催化燃燒法、熱導(dǎo)法、光干涉法、非分散紅外光譜(NDIR)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)。由于煤礦環(huán)境主要存在煤塵大、溫度差異大、濕度大、電磁干擾、氣體成分復(fù)雜等影響因素，會(huì)對(duì)甲烷檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量精度、測(cè)量穩(wěn)定性等性能產(chǎn)生不利影響，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤。因此，筆者從甲烷檢測(cè)技術(shù)原理出發(fā)，詳述了技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及研究重點(diǎn)，深入分析了在煤礦環(huán)境下的共性影響及各檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍，綜合對(duì)比了不同原理甲烷檢測(cè)方法的技術(shù)適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，以期對(duì)煤礦井下甲烷檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供借鑒。

1 甲烷檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

不同甲烷檢測(cè)技術(shù)利用甲烷的不同物理化學(xué)性質(zhì)(表1)實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)，因此技術(shù)性能大不相同，例如檢測(cè)范圍、測(cè)量誤差、選擇性(抗其他氣體干擾)等性能指標(biāo)，在煤礦井下具有不同的適用性。

表1 甲烷物理化學(xué)性質(zhì)

1.1 催化燃燒法

催化燃燒法(圖1)通過催化劑降低CH4點(diǎn)燃溫度至200～400 ℃，催化元件的起始工作溫度400 ℃左右，環(huán)境中的CH4通過擴(kuò)散的方式進(jìn)入氣室，在充足的氧氣氛圍條件下以無焰的方式進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的熱量會(huì)使催化元件內(nèi)的鉑絲線圈溫度升高，從而阻值上升，電信號(hào)發(fā)生變化，可通過惠斯頓電橋來測(cè)量此電信號(hào)。在CH4體積分?jǐn)?shù)不超過10%的情況下，電信號(hào)輸出值與甲烷濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

圖1 催化燃燒式檢測(cè)Fig.1 Detection of catalytic combustion

催化燃燒式傳感器的研究目前主要集中于催化元件中的催化劑和載體。催化劑主要分為貴金屬和非貴金屬[4-5]。貴金屬以鈀(Pd)應(yīng)用最為廣泛，擔(dān)載方式等制備條件會(huì)影響Pd在載體表面的形貌，進(jìn)而影響催化活性和傳感器性能。采用等體積浸漬法為擔(dān)載方式制備的催化劑應(yīng)用于傳感器中，表現(xiàn)出對(duì)CH4靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)速度快等良好特性[5-6]。同時(shí)也可添加不同比例的助劑如Mg[7]、Zr[8]等提高催化活性。非貴金屬的耐熱性較好，主要分為鈣鈦礦型[9]、六鋁酸鹽類[10]及過渡金屬氧化物[11]，應(yīng)用結(jié)果表現(xiàn)出了很好的催化活性和熱穩(wěn)定性。載體以Al2O3應(yīng)用最為廣泛，但在高溫條件下易燒結(jié)[12]，因此新載體的研究是必要的。通過納米技術(shù)[13]制備了具有納米結(jié)構(gòu)的載體，加強(qiáng)了載體的密度和強(qiáng)度，提高了傳感器的檢測(cè)范圍和靈敏度。具有比表面積大等特點(diǎn)的介孔材料[12]制備成載體，可限制催化劑劣化積聚，對(duì)其制成的傳感器進(jìn)行測(cè)試，表現(xiàn)出更高的靈敏度。

1.2 熱導(dǎo)法

CH4和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.029、0.024 W/(m·K)，熱導(dǎo)式傳感器(圖2)以CH4的導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為檢測(cè)依據(jù)。電流加熱傳感器內(nèi)敏感元件使其達(dá)到一定的溫度，當(dāng)CH4進(jìn)入到氣室內(nèi)，由于散熱能力比空氣強(qiáng)，造成敏感元件溫度下降，使其阻值減小，從而輸出電壓產(chǎn)生變化，通過惠斯頓電橋來測(cè)量變化值，進(jìn)而得到CH4濃度[14]。

熱導(dǎo)式傳感器檢測(cè)精度、靈敏度易受到敏感元件溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等因素的影響，為了降低各因素產(chǎn)生的測(cè)量不確定性，需通過硬件或軟件算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。硬件方面，一般采用可變電流源的恒溫檢測(cè)技術(shù)[14-16]代替恒定電流源的恒流檢測(cè)，保持敏感元件溫度不變，而可通過電流變化數(shù)值反映導(dǎo)熱系數(shù)大小，進(jìn)而檢測(cè)出CH4濃度。軟件方面，可引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[17]等算法，擬合溫度變化引起的非線性誤差，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的CH4濃度。針對(duì)處于爆炸下限的CH4熱導(dǎo)檢測(cè)，提出了采用微加熱器[18]，高溫引起CH4熱導(dǎo)率相對(duì)增加，可獲得體積分?jǐn)?shù)為1%的CH4約22 mV的高靈敏度。

圖2 熱導(dǎo)式檢測(cè)Fig.2 Detection of thermal conductivity

1.3 光干涉法

CH4與空氣的折射率分別為1.000 444、1.000 292，光干涉式原理依據(jù)CH4與空氣的折射率不同，光在2種不同氣體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的路程不同，形成光程差，從而使原干涉圖樣發(fā)生移動(dòng)，偏移量與折射率的變化有關(guān)，而折射率的變化與CH4濃度具有一定的關(guān)系，即偏移量與CH4濃度之間，呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。

圖3 光干涉式檢測(cè)Fig.3 Detection of optical interference

光干涉式甲烷測(cè)定器產(chǎn)生條紋的光學(xué)結(jié)構(gòu)是基于雅明(Jamin)干涉儀的改進(jìn)形式，直至目前仍沿用該光學(xué)結(jié)構(gòu)，通過平面鏡相較底座約55′的小角度后傾調(diào)整[19]，或增加補(bǔ)償棱鏡來產(chǎn)生初始干涉條紋[20]。CH4濃度的獲取方法是通過目讀條紋所在的標(biāo)尺位置，此讀數(shù)形式存在主觀性，未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的客觀標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用電荷耦合元件CCD[21]、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS[22]等圖像采集元件或光敏元件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列FPGA[23]或復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD[24]等平臺(tái)芯片替代目鏡對(duì)干涉條紋進(jìn)行高精度和非接觸式數(shù)字化測(cè)量，獲取零級(jí)條紋信息及氣體通入后的位移情況，實(shí)現(xiàn)CH4濃度的精確測(cè)量，從而形成統(tǒng)一的讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，消除由于人為判識(shí)不一致而引入的誤差。需設(shè)計(jì)算法分析CCD采集的白光零級(jí)條紋灰度信息，常用的零級(jí)條紋定位算法有最大值法、質(zhì)心法和包絡(luò)擬合法[25-26]，后2種算法都可達(dá)到亞像素級(jí)別，可實(shí)現(xiàn)零級(jí)條紋的精確定位。

1.4 紅外吸收光譜法

氣體分子的選擇性吸收可以表述為：不同結(jié)構(gòu)的氣體分子會(huì)吸收不同波長(zhǎng)的光，導(dǎo)致特定波長(zhǎng)的光能量衰減，從而產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的吸收光譜圖，該過程符合Lambert-beer定律。利用CH4在中紅外區(qū)和近紅外區(qū)的吸收譜圖，分別衍生出NDIR和TDLAS。

NDIR(圖4)主要由紅外光源、探測(cè)器等硬件和信號(hào)、數(shù)據(jù)處理等軟件算法組成，利用CH4在3.31 μm波長(zhǎng)處的中紅外區(qū)產(chǎn)生的紅外吸收光譜進(jìn)行濃度檢測(cè)。紅外光源一般選用低頻電調(diào)制、高頻調(diào)制、穩(wěn)態(tài)等光源[27]，現(xiàn)研究量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)等相干光源的應(yīng)用。探測(cè)器以熱釋電型等基于熱效應(yīng)的紅外熱探測(cè)器應(yīng)用最廣，現(xiàn)逐漸應(yīng)用基于光電效應(yīng)的紅外光子探測(cè)器[28]，具有更高的探測(cè)率。針對(duì)其他氣體干擾及溫濕度的影響，需提出算法來減小測(cè)量誤差。通過引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[29]、支持向量機(jī)、多參數(shù)模型[30-31]、最小二乘[32]等算法，修正由溫度、濕度、壓力、氣體重疊吸收、隨機(jī)噪聲等因素導(dǎo)致的非線性誤差，算法補(bǔ)償前后的氣體濃度測(cè)量結(jié)果顯示經(jīng)過補(bǔ)償后的傳感器精度、穩(wěn)定性都得到了較大的提升。

圖4 NDIR檢測(cè)Fig.4 NDIR detection

TDLAS(圖5)采用光強(qiáng)穩(wěn)定、高度相干的激光作為光源，可通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改變激光的工作溫度和電流來調(diào)諧波長(zhǎng)，利用CH4在1.66 μm波長(zhǎng)處的近紅外區(qū)產(chǎn)生的紅外吸收光譜，濃度計(jì)算方法在高濃度范圍(≥1%)采用直接吸收檢測(cè)技術(shù)[33]，微量、痕量氣體檢測(cè)采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)(WMS)結(jié)合諧波檢測(cè)技術(shù)[34]。目前主要研究諧波技術(shù)檢測(cè)含濃度信息的微弱信號(hào)來降低檢測(cè)下限，可通過激光器溫度和電流高精度控制[35]與補(bǔ)償[36]、空芯光子晶體光纖[37]等氣室設(shè)計(jì)、數(shù)字鎖相放大算法設(shè)計(jì)[38]、諧波信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)[39]、最小二乘等溫濕度補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)[40]等多種軟硬件技術(shù)，提取有用的痕量濃度信息，抑制系統(tǒng)噪聲干擾、溫度、濕度等影響，實(shí)現(xiàn)高精度、高靈敏度的CH4檢測(cè)。

圖5 TDLAS檢測(cè)Fig.5 TDLAS detection

2 煤礦甲烷檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 煤礦環(huán)境對(duì)甲烷檢測(cè)技術(shù)的影響分析

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，且不同地點(diǎn)的環(huán)境條件相差較大，會(huì)對(duì)甲烷檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生不同程度的影響，而不同原理的檢測(cè)技術(shù)，其應(yīng)用地點(diǎn)也有所差異。煤礦井下環(huán)境會(huì)從以下5個(gè)方面來影響檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用效果：①質(zhì)量濃度50～1 000 mg/m3煤塵[41]。煤塵是采煤過程中的必然產(chǎn)物，當(dāng)量直徑30 μm以下的小顆粒煤塵[42]會(huì)浮于空氣中，形成氣溶膠。氣體檢測(cè)需要對(duì)檢測(cè)地點(diǎn)的氣體環(huán)境進(jìn)行氣樣采集，氣樣成分中的煤塵顆粒會(huì)隨著氣體進(jìn)入到傳感器內(nèi)部，并且逐漸累積。若累積的煤塵顆粒覆蓋傳感器敏感元件，將導(dǎo)致傳感器響應(yīng)不及時(shí)、檢測(cè)結(jié)果偏差大等不良影響。②溫度差異大[43]。煤礦井下不同地點(diǎn)的溫度條件有所區(qū)別，例如采掘工作面與機(jī)電設(shè)備硐室的溫度差可達(dá)5～10 ℃。受不同地點(diǎn)下的溫度條件影響，同一檢測(cè)技術(shù)的工作情況并不相同，傳感器具有其適宜的工作溫度范圍，若進(jìn)行氣體檢測(cè)的煤礦井下地點(diǎn)溫度超過其適宜溫度范圍，傳感器將會(huì)發(fā)生漂移而產(chǎn)生誤差。③70%以上濕度[44]。煤礦井下由于煤巖之間存在礦井水、降溫除塵用水汽等原因，使得采掘工作面、回風(fēng)巷等地點(diǎn)的濕度可達(dá)到100%。在氣體檢測(cè)過程中，水汽隨著氣體會(huì)進(jìn)入到傳感器檢測(cè)單元，一方面若水汽具有與氣體相似的物理化學(xué)性質(zhì)，則由水汽引發(fā)傳感器的讀數(shù)會(huì)累積到氣體濃度中，從而引入誤差。另一方面，若水汽逐漸累積形成水滴，將導(dǎo)致傳感器無法正常檢測(cè)，甚至損壞傳感器。④電磁干擾[45]。煤礦井下儀器設(shè)備眾多，其中不乏大型電子設(shè)備設(shè)施，大型設(shè)備在啟動(dòng)停止瞬間或正常運(yùn)行期間，可能釋放電磁脈沖等干擾傳感器正常工作的信號(hào)，增加了噪聲，尤其影響傳感器采集某些可能反應(yīng)氣體含量的微弱信號(hào)。⑤氣體成分復(fù)雜。井下空氣除含CH4之外，還存在CO、H2S、SO2、煤自燃產(chǎn)生的烷烴等氣體。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀分析

2.2.1 催化燃燒式傳感器

催化燃燒式傳感器只適合于檢測(cè)低體積分?jǐn)?shù)范圍(≤4%)的CH4，原因在于若要輸出正確的信號(hào)，需要確保CH4能夠完全燃燒，即要滿足充足的氧氣氛圍這一條件。只有保證氣樣氛圍中氧氣濃度是CH4濃度的2倍，CH4氣體才能完全燃燒。因此，在煤礦井下應(yīng)用過程中，催化燃燒式傳感器不適合應(yīng)用于二氧化碳等其他氣體組分濃度過高導(dǎo)致氧氣濃度過低的煤礦井下地點(diǎn)[46]，如盲巷等；催化燃燒式傳感器由于存在二值性，同樣不適合應(yīng)用于積聚或涌出等原因造成瓦斯?jié)舛冗^高的煤礦井下地點(diǎn)，如高瓦斯礦井、瓦斯突出礦井的采掘工作面、進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷等地點(diǎn)。

催化燃燒式傳感器利用催化元件來吸附并催化CH4，催化元件很大程度決定了傳感器能否正常工作，而煤礦井下存在多個(gè)因素會(huì)造成催化元件失去活性，其中硫中毒[47]是重要的原因。煤礦井下硫元素主要存在形式是H2S、SO2等含硫氣體，含硫煤層的氧化、硫化礦物的水解、高硫量炸藥的使用等是H2S和SO2氣體的共同來源。井下廢棄的采空區(qū)、廢巷等地點(diǎn)，由于之前的采煤作業(yè)或礦井水的涌入而形成積水，積水的物質(zhì)成分復(fù)雜，再加之長(zhǎng)期未通風(fēng)，眾多因素的作用導(dǎo)致環(huán)境中積聚了大量的H2S氣體。因而，催化燃燒式傳感器不適合用于含硫煤礦、廢棄采空區(qū)、廢巷等地點(diǎn)以及高硫量炸藥使用后通風(fēng)不充分等情況的CH4濃度檢測(cè)。

2.2.2 熱導(dǎo)式傳感器

熱導(dǎo)法的原理使得該類傳感器目前只適合于檢測(cè)高濃度范圍的CH4氣體，原因在于CH4與空氣的導(dǎo)熱系數(shù)雖有差異，但相差不大，只有當(dāng)濃度足夠大時(shí)，這種差異才能顯現(xiàn)，信號(hào)才有明顯的變化。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，煤礦井下對(duì)于CH4濃度有著嚴(yán)格的規(guī)定，大多數(shù)井下地點(diǎn)區(qū)域都明確規(guī)定若CH4體積分?jǐn)?shù)超過1.5%，則執(zhí)行斷電動(dòng)作。因此，熱導(dǎo)式傳感器的應(yīng)用范圍較為有限，主要對(duì)瓦斯抽采管道等CH4濃度高的地點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，以及應(yīng)用于瓦斯突出礦井等CH4濃度超限可能性大的礦井、采區(qū)。

導(dǎo)熱是氣體的固有物理性質(zhì)，不同的氣體其導(dǎo)熱系數(shù)有所差異。煤礦井下氣體組分多樣，而熱導(dǎo)式傳感器的氣體選擇性較差，因此CH4以外的氣體均會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，其中CO2為主要影響因素。CO2的導(dǎo)熱系數(shù)是0.015 W/(m·K)，為CH4導(dǎo)熱系數(shù)的1/2，即體積分?jǐn)?shù)2%的CO2的輸出值相當(dāng)于體積分?jǐn)?shù)1%的CH4[48]。因此，熱導(dǎo)式傳感器不適合應(yīng)用于CO2濃度過高的煤礦井下地點(diǎn)。煤礦井下濕度普遍較高，若樣氣濕度較大，將能通過導(dǎo)熱帶走熱量，輸出值將累加到CH4濃度，使得檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差。文獻(xiàn)[14]指出，體積分?jǐn)?shù)1.9%的H2O顯示的測(cè)量值可換算成0.63%的CH4。因此，樣氣在進(jìn)入至氣室前必須經(jīng)過除CO2、除濕的步驟。

2.2.3 光干涉式傳感器

折射率是氣體的固有物理性質(zhì)，光干涉式傳感器通過含CH4的空氣與參考?xì)馐抑械目諝獾恼凵渎手g存在的差異計(jì)算CH4濃度。若煤礦井下的空氣成分變化較大，則會(huì)得出不正確的讀數(shù)結(jié)果。煤礦井下對(duì)于CO等氣體濃度都有規(guī)定，允許濃度較低，因此影響光干涉式傳感器測(cè)量結(jié)果的氣體主要是N2、O2、CO2、H2O。CO2與CH4的折射率相差不大，即相同濃度的CO2和CH4所輸出的測(cè)量值近似相同[49]，CO2對(duì)CH4測(cè)量結(jié)果影響較大。因而在煤礦井下檢測(cè)CH4過程中，氣樣必須先通過制備的藥劑吸收CO2和H2O。但當(dāng)CO2濃度過高，藥劑無法充分吸收CO2時(shí)將引入測(cè)量誤差。針對(duì)舊巷、采空區(qū)等[50]CO2濃度過高的地點(diǎn)，需謹(jǐn)慎使用光干涉式傳感器檢測(cè)CH4濃度。

N2的折射率與空氣相差不大，N2濃度的增加并不會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果，但卻會(huì)導(dǎo)致O2體積分?jǐn)?shù)的減小。對(duì)于光干涉式傳感器，O2體積分?jǐn)?shù)每減小1%的輸出值相當(dāng)于體積分?jǐn)?shù)0.2%的CH4[51]。在煤礦井下的采煤工作面上隅角、回風(fēng)巷、疑似火區(qū)、密閉區(qū)、注氮防滅火區(qū)等O2濃度偏低的地點(diǎn)使用光干涉式傳感器檢測(cè)CH4，測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差。龐龐塔煤礦[52]由于采用注氮技術(shù)防治煤層自燃，使得工作面上隅角的N2濃度過高，導(dǎo)致O2濃度降低，造成儀器讀數(shù)偏大。新柳煤礦[53]由于礦界區(qū)域內(nèi)煤層N2濃度較高導(dǎo)致O2濃度偏低，儀器檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。除了氣體影響外，壓力和溫度的變化也會(huì)造成折射率的改變，從而產(chǎn)生誤差。

2.2.4 非分散紅外光譜

大部分煤礦都存在程度不一的煤自燃災(zāi)害，不同階段的煤自燃會(huì)釋放不同的氣體產(chǎn)物，其中就包含烷烯烴氣體。3.31 μm波長(zhǎng)左右的中紅外區(qū)除存在CH4的特征吸收峰外，C2H6等烷烯烴氣體以及H2O也對(duì)該區(qū)域具有選擇性吸收，從而測(cè)量得到的結(jié)果與CH4實(shí)際濃度之間存在誤差。因此，需要進(jìn)行除濕消除H2O的含量，以及通過設(shè)計(jì)算法減少烷烯烴在3.31 μm的特征吸收對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。超化煤礦[54]引進(jìn)了GJG4/100H型紅外甲烷傳感器，安裝在2個(gè)回風(fēng)巷外距回風(fēng)口10～15 m位置，近一個(gè)月的測(cè)試結(jié)果顯示誤差符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，且煤塵對(duì)傳感器的影響較小。

2.2.5 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜

TDLAS所利用的CH4近紅外區(qū)波長(zhǎng)處不存在烷烯烴、H2O等其他氣體的特征吸收，即對(duì)于CH4氣體有較好的選擇性，測(cè)量結(jié)果也更為準(zhǔn)確。在義安礦[55]井下的采掘工作面、回風(fēng)巷等地點(diǎn)安裝了改進(jìn)后的激光甲烷傳感器，1年的井下運(yùn)行結(jié)果表明，該類型甲烷傳感器基本不受溫濕度、其他氣體干擾，可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)CH4濃度；在陽煤三礦[56]的回采工作面等位置安裝了GJG10J激光甲烷傳感器，1個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示該傳感器數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，受溫濕度影響較小。

3 技術(shù)適用性對(duì)比分析

1)催化燃燒法、熱導(dǎo)法與光干涉法。這3種原理傳感器作為煤礦井下用于檢測(cè)CH4濃度的傳統(tǒng)技術(shù)，應(yīng)用過程各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍也不相同。催化燃燒式傳感器適合檢測(cè)低濃度CH4，而熱導(dǎo)式傳感器相反，因此采用催化燃燒原理結(jié)合熱導(dǎo)原理來測(cè)量0～100%全量程的CH4體積分?jǐn)?shù)[57]，克服單一原理檢測(cè)范圍的局限。但該結(jié)合形式卻提出了其他新問題，如由于2個(gè)原理不同，濃度與信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系不相同，導(dǎo)致在交界點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)存在測(cè)量值不確定問題，而且2個(gè)原理結(jié)合并沒有提高檢測(cè)精度，減小檢測(cè)誤差。相比于催化燃燒式和熱導(dǎo)式，光干涉式甲烷傳感器的檢測(cè)范圍介于兩者之間，測(cè)量誤差比兩者小，除煤礦的共性影響外，不存在與兩者相同的缺點(diǎn)，因此能夠應(yīng)用于煤礦井下大多數(shù)的地點(diǎn)，應(yīng)用范圍較兩者廣，但缺點(diǎn)在于需要人工讀數(shù)，而且無法輸出電信號(hào)，目前不能與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)等聯(lián)用。

2)紅外吸收光譜法與催化燃燒法。近幾年來，煤礦井下逐漸引入紅外吸收光譜法傳感器來檢測(cè)CH4，部分替代催化燃燒式傳感器等傳統(tǒng)技術(shù)的檢測(cè)任務(wù)。與傳統(tǒng)CH4檢測(cè)技術(shù)相比，紅外吸收光譜法存在很多優(yōu)點(diǎn)：更寬的檢測(cè)范圍、更小的檢測(cè)誤差、更好的選擇性和穩(wěn)定性、更廣的井下應(yīng)用范圍。GJG100J激光傳感器與催化燃燒式傳感器、高低濃度傳感器在成莊礦[58]井下復(fù)雜環(huán)境的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示，TDLAS對(duì)于混合氣體中的CH4有著很好的選擇性，受供電變壓器等電磁干擾源的影響較小。此外，氣體流速快慢會(huì)影響催化燃燒式傳感器的測(cè)量結(jié)果[43]。對(duì)NDIR和催化燃燒式傳感器在氣體流量為500、30 mL/min時(shí)進(jìn)行2次試驗(yàn)[59]，結(jié)果表明在30 mL/min低流速條件下，催化燃燒式傳感器的測(cè)量值低于標(biāo)準(zhǔn)氣體體積分?jǐn)?shù)17%。

3)NDIR與TDLAS。利用NDIR檢測(cè)技術(shù)測(cè)量CH4濃度時(shí)，由于其余烷烴氣體以及H2O在中紅外區(qū)域內(nèi)也有相應(yīng)的吸收譜線，導(dǎo)致吸收譜線會(huì)產(chǎn)生重疊，影響檢測(cè)結(jié)果，因此需要對(duì)NDIR氣室進(jìn)行防水除濕處理。而H2O在近紅外區(qū)域內(nèi)沒有強(qiáng)的特征吸收，因此在TDLAS檢測(cè)技術(shù)所利用的吸收光譜區(qū)域內(nèi)，環(huán)境濕度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較小。激光光源相比于紅外光源，在光源強(qiáng)度、穩(wěn)定性、分辨率上更有優(yōu)勢(shì)，測(cè)量準(zhǔn)確度更高，但也相對(duì)昂貴。

4)綜合對(duì)比。煤礦井下甲烷檢測(cè)技術(shù)對(duì)比見表2。

表2 煤礦井下甲烷檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

4 結(jié) 語

分析了催化燃燒法、熱導(dǎo)法、光干涉法、NDIR、TDLAS共5種甲烷氣體檢測(cè)技術(shù)的原理、技術(shù)特征、應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)適用性對(duì)比，總結(jié)及建議為：待測(cè)CH4體積分?jǐn)?shù)低于4%和高于4%時(shí)，可分別采用催化燃燒法、熱導(dǎo)法，但需注意氣體環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響；CH4體積分?jǐn)?shù)在0～10%，宜采用光干涉法；CH4體積分?jǐn)?shù)在0～100%，宜采用NDIR和TDLAS，應(yīng)考慮測(cè)試環(huán)境溫濕度影響引起的誤差；并從優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、檢測(cè)范圍、選擇性等方面對(duì)比總結(jié)了煤礦井下甲烷檢測(cè)技術(shù)的技術(shù)適用性；我國(guó)煤礦甲烷檢測(cè)雖然在傳感器技術(shù)、光譜吸收技術(shù)等方面基本滿足了煤礦井下日常檢測(cè)需求，但是面對(duì)煤礦井下高溫、高濕、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境、混合氣體干擾大的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)針對(duì)不同的檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，加強(qiáng)各類CH4檢測(cè)技術(shù)在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用效果考察，實(shí)現(xiàn)全量程范圍內(nèi)CH4氣體的快速定量檢測(cè)，為有效預(yù)防煤礦瓦斯超限引發(fā)的災(zāi)害及次生災(zāi)害提供基礎(chǔ)支撐。