全光型煤矿瓦斯远程监测技术研究

Considering complex environment of the mine, accidents of safety in production happening in coalmine frequently, and low reliability of the gas monitoring and controlling system, monitoring coal-mine gas rapidly and accurately is extremely necessary for developing the safety of coal-mining industry effectively. the major detecting method is currently simple equipment based on gas sensors and gas safety monitoring system, however, its properties, including low forecast ability, low degree of intelligence and low reliability, make it impossible to achieve mine safety production. Therefore, a new technique with optical-actuated flexible grating and gas pump –“Methane Gas Monitoring Based on Infrared Absorption Spectrum” is presented in this project. This method has the advantage of detecting the coal-mine gas rapidly and accurately, the mine without power source, and eliminating the short circuit and open circuit. The detection principle of this new technique and the influence of various factors on the detecting accuracy are ascertained. And a monitoring system will be built to validate the proposed principle and method, which lays a solid foundation for the practical application. The proposed research with high detection accuracy, high reliability and low cost will overcome the drawbacks of the current mine gas detection methods (Low degree of intelligence and low accuracy). The study provides theory basis for the application of the low-cost and advanced method in coal-mining industry and other related industry. And hence, it is of great theoretical and practical significance.

煤矿工业面临着矿井工作环境复杂、瓦斯安全事故频发的现状。目前，瓦斯监测技术还存在预警能力弱、智能化程度低、准确度低和系统可靠性低等缺点，严重制约着煤矿工业向安全、绿色和高效方向发展。针对煤矿工业的现实需求，本项目提出研究一种“基于柔性光栅与柔性驱动的全光型煤矿瓦斯红外吸收光谱检测”新思想。项目将研发光驱动柔性光栅变形进行光谱扫描检测、光驱动微泵等新技术，最终实现矿井下瓦斯浓度全光型、远程、快速、准确探测。该技术方案中矿井下仅有光学器件，无电源等电子器件，消除了电路短路、放电等故障对矿井安全的潜在威胁。项目将探明这种新思想的检测原理和方法、各种影响因素对检测精度的影响规律，最终建立一套远程、全光型的瓦斯实时监测系统的原型样机。该新方法具有检测精度高、系统稳定可靠、成本低等优势，适于大面积应用，将为煤矿工业等危险行业提供一种廉价、先进的检测方法和技术，具有重要的理论和实际意义。

针对煤矿开采过程中瓦斯事故频发的现状和煤矿产业绿色高效发展的需求，本项目探索研究一种“井下全光型”的瓦斯气体远程监测的新原理和新技术。项目采用基于石墨烯复合材料的光驱动柔性光栅，来作为监测系统的分光元件，用近红外光驱动复合材料薄膜，利用其变形来调谐柔性光栅，从而实现有害气体浓度的全光型、实时、远程在线测量。项目提出的采用光驱动柔性光栅作为分光元件的方案，完全避免了气体监测过程中电子电路短路断路等危险情况的发生，极大地提高了监测系统的安全性。项目研究了光驱动复合材料对近红外光响应的机理和规律，开发了光驱动复合材料薄膜的制备工艺，并理论和实验研究了预拉伸力大小、石墨烯质量百分比等因素对光驱动性能的影响规律。设计加工了光驱动柔性光栅，并研究了驱动时间等因素对光栅调谐性能的影响规律。设计了用于调谐柔性光栅的驱动结构，开发了用于瓦斯气体远程监测的光学系统、微弱光强信号检测的光强调制技术、纳瓦量级光强测量的光电检测电路、以及控制与数据分析系统。项目利用所开发的系统对不同浓度甲烷气体进行了实验测试研究，对起始波长进行了标定，并实验研究了吸光度与甲烷浓度的关系。本项目研究的原型测量系统实现了光驱动复合材料薄膜3 s内达到最大形变，柔性光栅栅距变化达到180 nm，以及0.68 nm的系统光谱分辨率等性能。所研究的系统成功实现了全光型、远程实时瓦斯浓度测量，验证了本基金所提新测量原理和方案的正确性和可行性。项目所研究的测量原理以及建立的原型系统和实验研究结果、经验，为将来的实际应用研究打下了良好基础。本项目的研究为煤矿瓦斯监测提供了一种新思路，具有全光型、远程实时监测、安全、成本低等优点，为将来进一步的实用化和工程化研究提供了理论及实践的经验和依据，具有较重要的理论和实际意义。.项目研究过程中发表了9篇学术论文（其中SCI论文7篇），申请了7项发明专利（其中已授权专利6项），获得了完全的知识产权，并培养了多名博士、硕士研究生。