煤层自然发火标志性气体监测 · 音频解读
本文围绕水井渠煤矿3-1煤层，系统梳理煤层自然发火机理、标志性气体临界值的测定方法与智能预警体系构建，并结合现场应用案例进行成效评估与实践思考。
一、引言：煤矿自燃灾害的隐形杀手与技术挑战
在我国煤炭资源开采过程中，煤层自然发火一直是困扰煤矿安全生产的重大技术难题。据统计，煤矿火灾事故中约有90%由煤层自燃引起，每年造成数十亿元的经济损失，严重威胁矿工生命安全和矿山可持续发展。神木市大柳塔镇水井渠煤矿作为陕北地区典型的高瓦斯易自燃矿井，其3-1煤层自燃倾向性鉴定为Ⅰ类（容易自燃），自然发火期仅为30-45天，防治形势尤为严峻。
二、煤层自然发火机理与标志性气体产生规律
煤的自燃过程通常经历三个典型阶段：低温氧化阶段（30-70℃）、自热阶段（70-150℃）和燃烧阶段（＞150℃）。每个阶段都有其独特的气体产生特征：
在低温氧化阶段，煤氧复合作用产生CO、CO₂等气体，其中CO产生量逐渐增加，但绝对值较小，通常为5-50ppm；自热阶段除了CO、CO₂产量显著增加外，开始出现C₂H₄、C₂H₆等烃类气体；进入燃烧阶段后，除了上述气体浓度急剧上升外，还会出现C₂H₂、C₃H₆等高温裂解气体。
通过实验室程序升温实验和现场实测数据对比分析，我们发现水井渠煤矿3-1煤层的CO产生临界温度为55℃，C₂H₄产生临界温度为85℃，C₂H₂产生临界温度为135℃。这些临界温度点的确定为煤层自然发火早期预警提供了重要依据。
2.2 标志性气体的选择与灵敏度分析
选择适当的标志性气体是自然发火预警的关键。通过大量实验研究和现场验证，我们确定了适用于水井渠煤矿的标志性气体体系：
首选指标为CO及其派生指标（格雷哈姆系数、CO绝对生成量等），其灵敏度高，能够最早反映煤的氧化自热过程；辅助指标为C₂H₄/C₂H₆比值，该指标对煤温变化响应灵敏，且受风量变化影响较小；确认指标为C₂H₂，其出现表明煤温已达到燃烧阶段，需要立即采取灭火措施。
通过灵敏度分析，CO浓度变化的探测下限可达0.5ppm，能够识别出温度升高2-3℃的微小变化，为煤层自然发火的超早期预警提供了技术可能。
三、标志性气体临界值测定方法与技术创新
3.1 现场实测技术与方法
现场实测是获取第一手数据的关键环节。我们采用了多参数联合监测方法，在采空区、工作面回风巷等重点区域布置了12个测点，每个测点配备高精度气体采样系统，实现连续监测。
监测系统采用分布式布置方式，包括红外CO传感器（量程0-1000ppm，精度±1ppm）、光离子化烃类气体检测仪（可检测C₂H₄、C₂H₆等，检测下限0.1ppm）和多参数气象站（监测温度、湿度、风速等参数）。所有传感器均通过煤矿安全认证，具备高抗干扰能力和稳定性。
通过连续30天的监测，获得了超过2万个有效数据点，建立了完整的井下气体分布数据库，为临界值确定提供了充分的数据支持。
3.2 实验室测定与煤样特性分析
实验室研究是临界值测定的重要补充。我们在井下不同区域采集了28个煤样，采用程序升温氧化实验系统进行了系统的热特性研究。
实验系统包括温度程控装置、气体分析系统（气相色谱-质谱联用仪）和数据处理系统。实验温度范围从30℃到300℃，升温速率0.5℃/min，在每个温度点保温2小时并采集气体样品。
通过实验研究，获得了水井渠煤矿3-1煤层的以下关键参数：
交叉点温度（CPT）：145-158℃；耗氧速率：0.05-0.12mL/(g·h)（50℃时）；CO产生率：0.8-2.5μL/(g·h)（50℃时）；热释放强度：0.15-0.35W/g（100℃时）。这些参数为煤层自然发火倾向性评价和临界值确定提供了科学依据。
3.3 临界值确定方法与验证
基于现场实测和实验室研究数据，采用多方法综合确定了标志性气体的临界值：统计分析法、理论计算法与专家经验法相结合。最终确定的水井渠煤矿临界值体系为：CO预警值24/50ppm（回风巷/采空区）、C₂H₄预警值0.5ppm、格雷哈姆系数0.4、C₂H₄/C₂H₆比值2.0、C₂H₂确认值0.1ppm，现场应用误报率<5%，漏报率为0。
四、智能预警系统构建与技术创新
4.1 多源信息融合预警模型
系统采用三级预警机制：蓝色预警（CO或格雷哈姆系数超阈）、黄色预警（多指标同时越限或C₂H₄达到0.5ppm）、红色预警（出现C₂H₂或多指标急剧上升）。模型引入模糊逻辑，综合气体浓度、趋势与环境参数，提升准确性与鲁棒性。
4.2 实时监测与数据传输系统
部署24个固定监测点与8个移动点，束管监测与本安型无线节点结合，ZigBee网络上行，采样周期10分钟、传输延迟小于30秒，保障实时性与准确性。
4.3 预警信息管理与应急响应
B/S平台支持多终端访问，预警自动推送短信/微信，联动应急预案，记录闭环处理过程，为复盘与优化提供数据支撑。
五、现场应用效果与案例分析
5.1 预警系统应用效果
系统于2024年8月在206工作面成功实现隐患早期预警：8月15日CO由15ppm升至38ppm触发蓝色预警；8月17日CO达65ppm、C₂H₄ 0.3ppm、格雷哈姆0.52触发黄色预警；注氮处置后8月19日回落至25ppm并解除预警，钻孔测温最高87℃，避免事故发生。
5.2 经济效益分析
避免至少一次工作面封闭事故，直接经济损失超2000万元；系统运行年均成本约50万元，投入产出比>1:40。
5.3 社会效益评价
提升本质安全水平、形成技术示范、减少环境影响，支撑绿色开采与可持续发展。
六、技术难点与创新突破
6.1 关键技术难点
井下复杂环境监测误差控制（多级过滤、温度补偿、交叉敏感校正）；临界值区域差异性（现场-实验-理论综合）；多指标融合防误报与漏报（模糊逻辑与机器学习）。
6.2 主要技术创新
建立临界值测定方法体系；开发多源融合智能预警模型；构建监测-预警-处置一体化综合防治系统。
七、推广应用前景与发展方向
7.1 推广应用前景
面向陕西北部矿区及相似地质条件矿井具有良好推广性，也可扩展至其他灾害场景的监测预警。
7.2 未来发展方向
新型传感器、海量数据智能分析、AI预警模型优化、与其他灾害系统融合的一体化平台建设。
八、结论与建议
8.1 主要结论
建立临界值测定体系；开发多源融合预警系统；实现全过程管控。
8.2 相关建议
加强基础研究；完善技术标准；推进设备与系统创新；加强人才培养。