吳文巧

（貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550025）

1 某煤礦安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目概況

位于山西省中部的某煤礦是典型的深井煤礦，年產(chǎn)煤量約450 萬(wàn)t，最大開(kāi)采深度達(dá)750 m，煤層厚度平均為2.5 m，主要煤質(zhì)為無(wú)煙煤和褐煤，具有較高的瓦斯?jié)舛萚1]。過(guò)去5 年中，該煤礦通過(guò)技術(shù)改造，特別是安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從傳統(tǒng)升級(jí)至自動(dòng)化、智能化，引進(jìn)低功耗紅外甲烷傳感器等先進(jìn)技術(shù)，安全監(jiān)測(cè)覆蓋瓦斯、地壓、通風(fēng)等多個(gè)方面，重點(diǎn)強(qiáng)化瓦斯監(jiān)測(cè)。同時(shí)，煤礦配備大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和預(yù)警，顯著提高了其應(yīng)對(duì)突發(fā)瓦斯超限事件的能力。

2 煤礦安全監(jiān)測(cè)中的常見(jiàn)問(wèn)題

煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面臨諸多問(wèn)題。第一，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)如催化燃燒式甲烷傳感器，在高濕度或超40 ℃環(huán)境下性能不佳，誤差率超10%，且在緊急情況下響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（30～60 s），影響及時(shí)預(yù)警。第二，熱導(dǎo)式甲烷傳感器在高溫高濕和多塵環(huán)境下檢測(cè)誤差增加5%～10%，環(huán)境適應(yīng)性不足[2]。第三，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能還受極端環(huán)境的負(fù)面影響，如高塵環(huán)境會(huì)導(dǎo)致傳感器精度下降20%，高溫和高濕度環(huán)境會(huì)降低傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。第四，數(shù)據(jù)處理和管理方面存在顯著不足，如有限的數(shù)據(jù)處理能力導(dǎo)致實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和預(yù)警延遲，缺乏有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理機(jī)制影響了歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)分析，不利于事故預(yù)防和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。綜上所述，煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具備高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和強(qiáng)適應(yīng)性的技術(shù)解決方案，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的挑戰(zhàn)，滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)安全監(jiān)測(cè)的需求。

3 低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器的工作原理

GJG10H 型紅外甲烷傳感器采用先進(jìn)的非色散紅外（Non-Dispersive Infrared，NDIR）氣體分析技術(shù)，用于測(cè)量低濃度甲烷氣體。它基于朗伯-比爾定律，根據(jù)甲烷氣體特有的紅外線(xiàn)特征吸收波長(zhǎng)（3.33 μm）檢測(cè)甲烷濃度[3]。當(dāng)紅外光通過(guò)甲烷氣體時(shí)，特定波長(zhǎng)的光被吸收，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)度的減少，計(jì)算甲烷的濃度。GJG10H 型傳感器的工作溫度為0～40 ℃，相對(duì)濕度不高于98%（非冷凝），工作壓強(qiáng)為80～116 kPa，風(fēng)速不高于8 m·s-1。傳感器的設(shè)計(jì)兼顧了便攜性與耐用性，體積小，質(zhì)量輕。傳感器外殼采用不銹鋼材質(zhì)，具有較強(qiáng)的防爆性，可在惡劣環(huán)境下安全使用。此外，傳感器前后蓋的合縫處采用橡膠密封，具有防塵、防水功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了其在礦井等環(huán)境中的適用性，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 GJG10H 型紅外甲烷傳感器外形結(jié)構(gòu)

GJG10H 型傳感器還包括一個(gè)紅色數(shù)碼管顯示窗，方便工作人員準(zhǔn)確檢測(cè)低濃度的甲烷氣體。此外，傳感器的甲烷氣體檢測(cè)元件與限制擴(kuò)散式氣室安裝在下部，使得對(duì)低濃度甲烷氣體的檢測(cè)更敏感，能夠提供連續(xù)、精確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?？傮w來(lái)說(shuō)，GJG10H 型紅外甲烷傳感器的設(shè)計(jì)考慮了高效能、精確度、耐用性及安全性，適合在煤礦等復(fù)雜環(huán)境中使用。

4 低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器的技術(shù)特征及優(yōu)點(diǎn)

4.1 技術(shù)特征

GJG10H 型紅外甲烷傳感器在其設(shè)計(jì)和性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)。該傳感器的測(cè)量范圍廣泛，能夠檢測(cè)0.00%～100.00%的甲烷氣體濃度，具備±0.06%CH4的高精度基本誤差[4]。對(duì)于甲烷濃度的最小分辨率，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)0.01%CH4的細(xì)致判別。這種分辨率精度對(duì)于礦井中微小濃度變化的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。傳感器的響應(yīng)時(shí)間T90優(yōu)異：對(duì)于A 類(lèi)傳感器和B 類(lèi)傳感器，響應(yīng)時(shí)間不大于25 s；對(duì)于C 類(lèi)傳感器，響應(yīng)時(shí)間控制在50 s 以?xún)?nèi)。這一快速響應(yīng)特性使其能夠及時(shí)反饋甲烷濃度的變化，增強(qiáng)了安全預(yù)警的時(shí)效性。GJG10H型紅外甲烷傳感器測(cè)量精度如表1 所示。

表1 GJG10H 型紅外甲烷傳感器測(cè)量精度 單位：%CH4

在環(huán)境適應(yīng)性方面，GJG10H 型傳感器表現(xiàn)也十分突出。它能在-40～60 ℃的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，滿(mǎn)足多變的礦井環(huán)境要求。在防爆性能方面，GJG10H 型傳感器符合礦用本質(zhì)安全型要求。它的防爆標(biāo)志為“ExibI”，可確保其在易燃易爆的煤礦環(huán)境中能夠安全可靠運(yùn)行。此外，GJG10H 型傳感器采用數(shù)字信號(hào)輸出方式，傳輸速率為1 200～9 600 b·s-1，電平不小于3 V，支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和智能化監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)接。這些特征使得GJG10H 型紅外甲烷傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，成為煤礦安全監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵設(shè)備。

4.2 優(yōu)點(diǎn)

GJG10H 型紅外甲烷傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，成為煤礦安全監(jiān)測(cè)中的重要工具。第一，該傳感器采用的非色散紅外技術(shù)確保了高精度和高可靠性。它能夠精確測(cè)量甲烷氣體的濃度，減少誤報(bào)和漏報(bào)的可能。第二，GJG10H 型傳感器具備快速響應(yīng)能力，能在數(shù)秒內(nèi)檢測(cè)到甲烷氣體濃度的變化，為礦井安全提供了及時(shí)預(yù)警。第三，該傳感器在設(shè)計(jì)上考慮了惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，能夠在高濕度、高塵埃、極端溫度等復(fù)雜條件下穩(wěn)定運(yùn)作。它的防爆設(shè)計(jì)符合煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)，能夠在易燃易爆環(huán)境中安全使用。第四，傳感器的低功耗特性也是其一大優(yōu)點(diǎn)，不僅降低了能源消耗，還延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了維護(hù)成本。

5 低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)化

5.1 智能化數(shù)據(jù)分析與預(yù)警

在該煤礦安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，采用低功耗GJG10H型紅外甲烷傳感器與先進(jìn)的智能化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)高度自動(dòng)化和智能化的煤礦安全監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且通過(guò)集成的人工智能算法能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和模式識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常情況的早期預(yù)警。

該智能化數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)名為礦安智能預(yù)警系統(tǒng)。礦安智能預(yù)警系統(tǒng)集成了多種數(shù)據(jù)分析技術(shù)，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)以及時(shí)間序列分析等，能夠處理和分析大量的傳感器數(shù)據(jù)[5]。系統(tǒng)通過(guò)深入分析歷史甲烷濃度數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)甲烷濃度預(yù)測(cè)模型。該模型能夠根據(jù)當(dāng)前的礦井作業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)甲烷濃度的變化趨勢(shì)。礦安智能預(yù)警系統(tǒng)的核心功能之一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)接收來(lái)自GJG10H 型紅外甲烷傳感器的數(shù)據(jù)，分析每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，判斷是否存在異常波動(dòng)或趨勢(shì)。一旦檢測(cè)到甲烷濃度超過(guò)預(yù)設(shè)的安全閾值1%，礦安智能預(yù)警系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)預(yù)警程序。預(yù)警機(jī)制包括初級(jí)預(yù)警、中級(jí)預(yù)警和高級(jí)預(yù)警3 個(gè)層級(jí)，對(duì)應(yīng)甲烷濃度的不同危險(xiǎn)等級(jí)。例如：當(dāng)甲烷濃度達(dá)到1.5%時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)中級(jí)預(yù)警；當(dāng)濃度超過(guò)2%時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)高級(jí)預(yù)警。預(yù)警信息通過(guò)多種方式傳達(dá)給相關(guān)人員，包括短信、電子郵件、應(yīng)急廣播系統(tǒng)和礦區(qū)內(nèi)部的發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）顯示屏。此外，礦安智能預(yù)警系統(tǒng)與礦井的通風(fēng)和瓦斯抽放系統(tǒng)自動(dòng)連接，能夠在檢測(cè)到高級(jí)預(yù)警時(shí)自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，增加甲烷抽放量，從而快速降低甲烷濃度，避免事故的發(fā)生。

自礦安智能預(yù)警系統(tǒng)部署以來(lái)，煤礦管理層對(duì)瓦斯超限事件的響應(yīng)能力得到了顯著提升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦引入礦安智能預(yù)警系統(tǒng)后，瓦斯超限事件的平均響應(yīng)時(shí)間從30 min 縮短到18 min，效率提高了40%。通過(guò)系統(tǒng)的智能分析和預(yù)警，過(guò)去一年內(nèi)瓦斯超限事件的發(fā)生次數(shù)比前一年下降了30%，顯著提高了礦井的安全水平。礦安智能預(yù)警系統(tǒng)還具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘和分析能力，能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)識(shí)別出瓦斯超限的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，為礦井管理和安全預(yù)防措施的優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)歷史事故數(shù)據(jù)的分析，礦安智能預(yù)警系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)瓦斯超限事件與特定作業(yè)條件、通風(fēng)狀態(tài)和季節(jié)變化之間的相關(guān)性，幫助管理層制定更精準(zhǔn)的安全策略和預(yù)防措施。整體上，通過(guò)引入低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器和礦安智能預(yù)警系統(tǒng)，該煤礦安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不僅提高了甲烷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，而且通過(guò)智能化數(shù)據(jù)分析與預(yù)警顯著提升了煤礦的安全管理水平，為保障礦工安全和礦井穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

5.2 應(yīng)對(duì)復(fù)雜礦井環(huán)境的策略

煤礦安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目引入GJG10H 型紅外甲烷傳感器，重點(diǎn)針對(duì)礦井內(nèi)部的高濕度、高塵埃、溫度變化等復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。它獨(dú)特的防爆、防塵、抗?jié)裥阅埽沟闷湓跇O端環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)性能。例如，該傳感器在連續(xù)監(jiān)測(cè)期間，面對(duì)濕度達(dá)到98%和溫度波動(dòng)在-5～40 ℃的惡劣環(huán)境，性能未見(jiàn)明顯下降，甲烷檢測(cè)誤差控制在±0.1%以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]。除了高濕度和溫度波動(dòng)，礦井內(nèi)部的高塵環(huán)境對(duì)甲烷傳感器的挑戰(zhàn)也尤為嚴(yán)峻。在深井作業(yè)中，GJG10H 型傳感器利用先進(jìn)的防塵設(shè)計(jì)，有效防止了塵埃粒子的侵入，確保了傳感器內(nèi)部的清潔，從而保持了長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行性能。實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，即便在煤塵濃度達(dá)到1 500 mg·m-3的環(huán)境中工作，該傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確度和響應(yīng)時(shí)間仍能滿(mǎn)足安全監(jiān)測(cè)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了進(jìn)一步提高煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和精確度，煤礦安全監(jiān)測(cè)采用了環(huán)境適應(yīng)性調(diào)節(jié)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境條件（如溫度、濕度、煤塵濃度等）自動(dòng)調(diào)整傳感器的工作參數(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜多變的礦井環(huán)境。例如，該技術(shù)幫助GJG10H 型傳感器在突發(fā)的高溫高濕環(huán)境下，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部測(cè)量算法快速適應(yīng)環(huán)境變化，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

為了全面提升煤礦安全監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確度，煤礦還開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了綜合監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅整合了GJG10H 型紅外甲烷傳感器的甲烷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還包括溫度、濕度、煤塵等其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)高級(jí)數(shù)據(jù)分析模型，全面評(píng)估和預(yù)警礦井內(nèi)部的安全狀況。在投入應(yīng)用后的煤礦作業(yè)中，綜合監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)成功預(yù)測(cè)了一次由于甲烷濃度突然升高和煤塵積聚導(dǎo)致的潛在安全事故，及時(shí)啟動(dòng)了預(yù)警機(jī)制，避免了事故的發(fā)生。通過(guò)對(duì)GJG10H 型紅外甲烷傳感器在復(fù)雜礦井環(huán)境中應(yīng)用策略的深入分析可以看出，它不僅在單一性能上表現(xiàn)出色，而且通過(guò)與其他技術(shù)和系統(tǒng)的整合應(yīng)用，極大地提升了煤礦安全監(jiān)測(cè)的全面性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。這些策略和技術(shù)的成功應(yīng)用，有效提升了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和安全性，為保障礦工安全和礦井穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持，展現(xiàn)了GJG10H型紅外甲烷傳感器在煤礦安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景和重要價(jià)值。

6 結(jié)語(yǔ)

低功耗GJG10H 型紅外甲烷傳感器具有精度高、響應(yīng)快速以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在煤礦監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。智能化數(shù)據(jù)分析與預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)合，顯著提升了瓦斯超限事件的處理效率，降低了安全事故的發(fā)生率。同時(shí)，傳感器設(shè)計(jì)考慮了礦井復(fù)雜環(huán)境的挑戰(zhàn)，如高濕、多塵、溫度波動(dòng)等，保證了其在惡劣條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。可見(jiàn)，GJG10H 型紅外甲烷傳感器在提高煤礦安全性、優(yōu)化監(jiān)測(cè)效率方面展現(xiàn)了顯著優(yōu)勢(shì)，為煤礦安全監(jiān)測(cè)提供了一種有效的技術(shù)解決方案。