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无源光纤瓦斯监测应急系统(煤矿用,安标号:MFC130129)

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    一、系统概述
    针对我国高瓦斯煤矿分布较多,瓦斯事故频发的行业特征,针对目前全球采矿业对瓦斯的监测仍停留在电化学技术阶段的现状,为提升煤矿生产安全的技术装备水平,最大限度的保护矿工的生命,做为国家重大科技项目(国家自然科学发展基金重大项目),中国科学院物质研究院承担了煤矿瓦斯无源监测应急系统的研发,用最先进的激光技术取代沿用数十年的电化学技术提升了煤矿瓦斯监测技术装备水平,并于2009年获得科技部科技成果验收。
    2010年伊始,专门成立了安徽中科瀚海光电技术有限公司(以下简称公司)开始了该系统的产业化研制,经过三年多的攻关,生产出全球首套煤矿瓦斯无源监测应急系统,并于2013年取得了矿用产品安全生产标志(MA认证)。从而实现了该系统的产业化,进入了实际应用推广阶段。
    系统采用多路分时采集处理的方法实现了单套系统的多点监测,降低了激光产品单点检测的系统成本,实现了用于生产的可行性;系统主要由可调谐半导体激光器、激光器温度和电流控制电路、调制信号电路、井下多点光纤气体光感终端、多路模拟信号切换电路、系统自动控制和数据采集处理模块组成,除了光纤气体光感终端放置在井下各个监测点通过光纤传输光信号外,其他光电部分都集成到地面监控室的主系统中,实现了井下无需电源工作的本质安全。
    该系统置于井下的光感终端在无源状态下具备自动标定、自带温度补偿等功能,该系统具有良好的重复性和温湿度特性、监测灵敏度高,稳定性好,测量范围宽,兼容性强,免调效,使用寿命长,操作方便等优点。本系统可以对被监测的环境实现多个监测点气体浓度的连续在线测量与超检测线报警,便于系统安装和调整,能够满足煤矿井下多点甲烷浓度实时监测和预警的需要。

        二、系统原理
    可调谐半导体激光吸收光谱学,是利用半导体激光器的可调谐性进行光谱测量的一种技术,其中最核心的是可调谐半导体激光器的窄线宽和可调谐特性。本系统就是利用可调谐半导体激光器的线宽通常小于几十MHz的特性和甲烷气体分子对特定光谱单根线吸收的特性,实现甲烷气体浓度的探测。

    三、系统应用
    1、鉴于系统可在井下无需电源供应的状态下工作的特性,本系统首先是一套应急救援系统。可在瓦斯浓度超限井下断电的情况下井上仍能实时掌握井下瓦斯状况和分布,有利于应急调度指挥;尤其是当井下发生瓦斯事故,本系统可为井下救援提供救援方案的数据指导,有助于救援指挥人员正确决策和下决心。
    2、其次鉴于煤矿尾矿采空区亦是瓦斯事故隐患点,本系统可在采空区没有电源供应和无人的状态下长期稳定的监测瓦斯状况;
    3、在正常生产的情况下,本系统能对井下采掘工作面、回风巷道、机电硐室、煤矿尾矿采空区等对甲烷气体浓度进行连续、无源、远距离检测及报警。鉴于本系统的快速精确的特性,可使地面监测人员先于井下了解和掌握井下瓦斯状况,及时地进行调度指挥和调控。

    四、系统特点
    本系统产品设计的特点: 
    ①利用高分辨激光吸收光谱技术,消除气体交叉干扰,极大降低了误报率;
    ②利用波长调制光谱技术,提高系统检测灵敏度,极大的提高了测量精度和速度,为异常情况处理提供了宝贵的时间;
    ③利用激光频率稳定的特性,无需每周对传感器进行调校,大大减少了井下工作人员的数量;
    ④系统光感终端的使用寿命在10年以上,10年内无需更换,大大降低了实际使用成本;
    ⑤利用多波长耦合和分频调制技术实现多组分同时测量,实现了激光产品的产业化应用;
    ⑥通过激光收发光学设计和弱信号分析技术实现大范围远距离监测,解决了井下没有电源时的监测难题,彻底实现了本质安全;
    无源和远距离是本产品设计开发的最大特性,它可以深入甲烷气体区域,无源、远距离实时监控气体泄漏,是目前为止我国唯一的具有无源本质安全的甲烷气体远程监测产品。

    五、系统组成
    系统由矿用激光甲烷监测主系统、矿用光纤分路器、光纤和激光光感终端构成。系统分为井上与井下两部分。主系统放置在井上主控机房,通过矿用阻燃光缆与井下矿用光纤分路器连接,分路器将光信号进行多路均匀分光后将信号传送给激光光感终端,由光感终端完成甲烷监测任务。通过光缆构建光网络对各光感终端进行连接,形成井下无源 光学传感系统,系统本质安全。

    本系统是目前我国首套煤矿瓦斯无源监测应急系统,其唯一性和先进性居于国内之首。目前我国一些单位的产品虽然在原理上使用了最先进的激光光谱技术,但却无法摆脱依靠电能来进行信号传输与带动传感器工作的方式,这种方式与传统的电化学甲烷传感器的特点无大的区别,无法做到煤矿井下的本质安全,一旦井下断电,这些依靠电能驱动的传感器将全部瘫痪,无法执行甲烷气体持续监测。距实现产业化还有相当的路程。
    我公司产品很好地解决了这一问题,依靠光缆实现信号传输,不仅使井下部分真正实现无源监测,保证煤矿井下安全,避免井下断电等情况对甲烷监测的影响,同时以光网技术将各个独立的传感器串连起来,形成立体的监测网络,从而实现对井下不同位置(包括采空区)任何情况下(井下断电)对甲烷气体全程实时精确监测。在应急救援和煤矿尾矿甲烷气体的检测中,发挥独特的作用。


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