煤矿井下的瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷（CH4），其次是二氧化碳（CO2）和氮气（N2），还含有少量或微量的重烃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）等。在瓦斯检测的过程中，后面的各种气体成分会形成对瓦斯检测的干扰噪声。开滦（集团）有限责任公司林南仓矿业分公司采用二次谐波调制的光纤激光完成在多成分气体的背景噪声中进行矿井瓦斯低浓度监测，实现矿井瓦斯的早期预警。

⑴原有煤矿瓦斯手段

煤矿瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患。瓦斯是1种有毒的混合气体，常产生在矿井之中，如遇明火即可燃烧，发生“瓦斯”爆炸，直接威胁着矿工的生命安全。煤矿重特大瓦斯爆炸事故时有发生，给人民群众生命财产造成了重大损失。现有的瓦斯监测仪器或检测手段，无论是开发的专用仪器还是自动化集成的监测系统，一般检测灵敏度不低于100ppm，很难实现更高的检测灵敏限。甲烷通常被当做有机气体的代表，而当前普通的红外甲烷分析器都无法从有机气体中分辨甲烷，只有在没有有机气体的情况下才可以定性定量甲烷的含量。只有傅立叶变换红外光谱仪或者激光光谱仪等才可以从有机混合气体中分辨出甲烷的含量。

⑵基于2f检测可调光纤激光痕量瓦斯检测

①波长可调的参铒光纤激光（TEDFL）。考虑到瓦斯成分甲烷（CH4）的检测会受到背景混合气体——二氧化碳（CO2）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）等气体噪声的影响，他们在这个项目的开展中尝试应用具有抗强噪声的二次谐波调制的光声光谱检测技术。该研究为常压、常温条件下检测。通过研究波长可调的参铒光纤激光（TEDFL）检测示意图、用于探测光声信号的波长可调的参铒光纤激光（TEDFL）发射谱范围，以及从HITRAN数据库查询的甲烷（CH4）吸收谱，正好在波长可调的参铒光纤激光（TEDFL）谱线内有 1条很不错的吸收线，中心吸收波长约λc=1530nm。

②近红外的参铒光纤激光（EDFL）。此研究采用的是近红外的参铒光纤激光erbium-doped fiber laser（EDFL），其激光输出功率可达500mW。当光纤激光的瞬时波长λ(t) 被1个交流信号调制，λ(t)=λc+acos（2πfmodt）(1)。式中，λc为探测气体的中心波长，也称特征波长；a为振幅，其数值大小与波长微调值λ(t)-λc相同；fmod为调制信号的调制频率。相应的检测信号为基于波长可调的二次谐波的光声信号，简称为2f-WMS光声光谱信号。S(λ) =FPl(λ) SmpΣnK=1ckαk(λ) (2)。式中，S(λ) 为特征波长处光声信号； Pl为探测激光TEDFL激光功（500mW）；Smp为光声传感器灵敏度；ck为被检测特征气体的浓度；αk(λ)为被检测特征气体的峰值吸收浓度。m为2f-WMS光声光谱信号的调制系数，其定义为m=α/λ(t)-λc(3)。实验证明，当 m=2.2时，2f-WMS光声光谱信号具有最强信号值（58.50μV）。

⑶检测结果与分析

他们利用波长可调的参铒光纤激光（TEDFL）对瓦斯主要成分甲烷（CH4）在其有效波长范围内进行2f-WMS光声信号线性测试。测试结果证明，利用具有很强噪声免疫力的2f-WMS光声光谱检测低痕量瓦斯具有很好的线性行为。瓦斯主要成分甲烷（CH4）检测曲线的校准与标定结果证明，1个检测灵敏限可达10ppb以上。

⑷结论

实验表明，如果能够细心选择甲烷（CH4）的吸收带，基于2f-WMS光声光谱可以实现大噪声低痕量高灵敏限的瓦斯甲烷（CH4）成分检测，其检测最低灵敏限可达 l0 ppb以上。由于波长可调的参铒光纤激光（TEDFL）设备体积小，完全可以开发为便携式瓦斯低痕量监测仪。该项目在矿井瓦斯低痕量检测与低限预警方面具有很好的应用前景和社会效益。                    

（李剑峰）