根据《煤矿智能化建设指南（2021年版）》《煤矿防灭火细则》等文件指示，煤矿井下自燃火灾智能化监测建设作为煤矿智能化建设重要一环，需要建立火灾预警模型，实现火灾的超前预警。煤矿自燃火灾监测是指在煤层开采后，利用煤自燃过程中气体产物和温度变化，判识煤自燃状况，判断发火位置，实现对煤自燃火灾的实时在线监测预报预警。但因井下环境复杂、影响因素多，动态火情特征气体实时连续监测始终是难点。

矿用束管监测系统是目前煤矿内因火灾监测的重要方法之一，通过监测煤矿井下环境中的火灾指标性气体体积分数变化，判断封闭火区内煤自燃发展程度，为井下煤火防治提供重要数据支持，保障煤矿安全高效开采。但随着矿井开采深度逐渐增大，束管应用长度也随之加长，增加了其维护管理难度，长距离束管气体监测出现失真，并且存在系统可靠性差、稳定性差、实时性差、维护成本高、分析周期长等问题；长距离传输易因束管破损、折弯、水堵等情况，气样无法正常输送至井上，无法采集到真实有效的气体数据；束管采用负压输气，气样易污染，诸多因素影响对煤矿自燃火灾信息的准确掌握。

火灾超前预警的基础是相关指标性数据采集，为满足对超前预警的数据要求，笔者研发了基于微色谱技术的煤矿自燃火灾智能监测系统（简称煤自燃智能监测系统），可实现对煤矿火灾指标性气体实时监测，提高矿井对火灾超前预警的感知能力，实现无人化、智能化、精确化火灾监测。

文章来源：《智能矿山》2024年第2期理事会特刊“智能监控”专栏

第一作者：王泽瑶，工程师，现任淄博祥龙测控技术有限公司总经理助理，主要从事环境灾害治理、煤矿火灾防治、环境空气动力学方面的研究工作

通讯作者：白光星，高级工程师，现任淄博祥龙测控技术有限公司总经理，西安科技大学客座教授，主要从事煤矿灾害防治，  环境监测技术、系统可靠性方面的研究工作

作者单位：淄博祥龙测控技术有限公司

引用格式：王泽瑶，白光星，张琦，等.基于微色谱技术的煤矿自燃火灾智能监测 系统应用[J].智能矿山，2024，5（2）：84-88.

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煤自燃智能监测系统主要包括：矿用本安型煤矿自燃束管微色谱监测主站、井下正压输气系统、采样智能防护装置、防爆开关、数据传输网络、Web客户端、系统监控平台等。井下微色谱就近取样监测点气体、精确分析，在线监测H2、CO2、CO、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等气体的体积分数，以报表和谱图方式提供相应分析结果，并自动存入数据库系统。通过分析气体体积分数、烷烯比等数据的变化特征，预测预报煤自燃过程中的温度变化趋势。煤自燃智能监测系统架构如图1所示。

图1　煤自燃智能监测系统架构

（1）微型气相色谱检测

微型气相色谱检测模块主要包括微电子气体控制装置、微机械进样装置、微热导检测器3部分，微色谱检测系统原理如图2所示。

图2　微色谱检测系统原理

采用创新技术的载气电子压力控制系统，由压力传感器、电子压力控制阀（比例控制阀）和信号处理板组成反馈电路。当压力传感器测得气路实际压力与设定值不同，将电压输出到信号处理板，信号处理板响应并反馈新电压到比例控制阀，通过阀门调节开启面积来改变流量；高反馈频率实现稳定压力，并实时控制效果；空心毛细管柱进行样品分离时，在程序升温条件下，电子压力控制装置调节柱头压力满足恒定流量，实现精确控制样气的载气流量。

气样进样采用微机电系统将微进样系统整合到硅片中。通过内置微小采样泵，样品可以自动注入色谱仪定量管中，实现精确定量进样。目前，用于煤矿火灾监测的微型气相色谱仪通常由1～2个色谱通道组成（具体数量根据检测气体组分决定），具体步骤：①样气从前进样口进入仪器，然后分别进入各个通道；②开启真空泵（同时打开微进样阀），样气通过进样口被吸入各模块的微进样器内，冲洗出死体积并填满定量环；③真空泵停止工作，微进样阀关闭；④载气进入微进样器的定量环中，将样品气压推入色谱柱；⑤样品经过色谱柱分离后，按照相应程序进入微热导检测器进行检测；⑥微热导检测器放大检测到的信号，输出样品成分和色谱分离效果的色谱图和数据。

（2）束管正压输气

常规束管监测系统采用的负压输气技术存在2个问题：①负压输气过程中，管内压力小于管外压力，当束管破坏发生泄露时，环境气体受压力作用进入管内，导致管内试样气体与环境气体混合，检测结果产生偏差，无法有效指导煤矿火灾预测；②负压输气效率较低，检测结果不及时，不能实时预警火灾。

针对负压输气技术存在的问题，煤自燃智能监测系统采用正压输气的方式。正压输气采用专用束管输气泵站的进气端负压进气，连接主站采样智能防护装置；专用束管输气泵站的输气端为正压输气，连接微色谱监测主站。

主站采样智能防护装置与束管分路箱相连，两者之间设置有冷凝泄压装置，避免井下气体分析时产生误差。冷凝泄压装置连接排水装置，将管道内水气冷凝，并通过排水装置排出。井下待检测气体通过主站采样智能防护装置负压进入束管输气泵，经正压输送至煤矿自燃束管微色谱监测主站，数据分析处理后，经数据传输网络传输至地面系统监控平台，完成井下气体动态实时监测。

煤自燃智能监测系统一般在靠近工作面的联络巷或变电所内安装矿用本安型煤矿自燃束管微色谱监测主站、矿用隔爆兼本安型直流电、矿用隔爆型电控箱、煤矿井下束管输气泵站、矿用本安型气体水分过滤器、矿用本安型以太网交换机。部署后，依据煤矿相关规定，一般在工作面进风隅角、回风隅角处设监测点。系统通过束管正压输气泵站，将井下煤层监测点气体输送至矿用本安型井下火灾监测主站中，运用微色谱核心监测模块，对采集气体组分体积分数进行检测，并通过分析气体体积分数的变化趋势，判断井下自燃程度，从而为煤矿的安全生产提供科学依据。相较传统的束管监测系统，本系统的应用实施，使得煤矿井下火灾防治工作在监测性能、智能化水平、降本增效等方面取得了显著成效。

（1）“高效、可靠、准确”，监测效果全面提升

基于微色谱技术的煤矿自燃火灾智能监测系统与传统的束管监测系统相比性能显著提升，输气和分析效率全面提高，系统性能稳定，符合井下使用要求。

煤自燃智能监测系统监测精度可达到1×10-6，可有效保证火灾监测的准确性，在自燃火灾早期可识别和预警火灾。甲烷标气采集试验数据表明：①在长度为1000m的管路中，正压输气效率为负压输气效率的2.1倍，且随管路长度增加，二者差距逐渐增大；②在标准气体输送情况下，正压输气流量最高为负压输气的10～20倍；③进样标准偏差1.54%，相对精度为1.0%。使用可变体积或大体积进样器时，相对标准偏差小于1%；使用固定体积进样器时，相对标准偏差<0.2%，试验数据及相对标准偏差见表1。

表1　试验数据及相对标准偏差

（2）煤矿火灾智能预警，助力矿山智能化建设

煤自燃智能监测系统围绕火灾预警的无人化、智能化目标，开发配套的分站控制平台，用户可在井上调度室配置井下监测分站，远程实现用户管理、数据分析、趋势分析、超限报警等多项功能，利用井上系统管理平台设定色谱监测分站运行参数后，经井上系统管理平台远程控制，将束管采样的井下气体依次分别通过色谱仪进样分析，并将结果通过数据传输网络发送至井上系统管理平台。分站控制系统界面如图3所示。

图3　分站控制系统界面

地面操控室实时监控井下微色谱监测系统的分布位置、运行状态、采集的数据情况，井上系统管理平台接入煤矿智能防灭火平台，深度分析实时数据，根据分析结果进行多级预警，提前消除潜在火灾风险。井上系统管理平台界面如图4所示。

图4　井上系统管理平台界面

（3）切实降低火灾风险，减人增效提升效益

煤自燃智能监测系统已在鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司龙王沟矿井、内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司不连沟煤矿、中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司银星二号煤矿（图5）等300余座矿井部署实施，实现了多次火灾超前感知，通过提前预警，对火灾进行提前干预，有效降低了火灾风险，并减少了井下安全巡检人员数量，累计减少高风险岗位1000余人。

图5　银星二号矿现场应用

下一步，基于微色谱技术的煤矿自燃火灾智能监测系统将根据煤矿实际需求，从以下4个方面进行完善和技术迭代。

（1）随着各大矿井对火灾监测要求的不断提高，对丙烯、丁烷气体的精确监测需求逐步增大，煤自燃智能监测系统将实现2类气体的监测。同时，将进一步提高响应效率，单次进样分析周期由现有的3min缩短至2min以内，将提高检测效率30%以上。

（2）煤矿微色谱束管监测系统与其他智能化设备和系统深度融合，通过无线传输、云计算、大数据分析、数字孪生等技术，煤自燃智能监测系统可以实现远程监控、数据共享、智能巡检等功能，大幅提高煤矿安全管理的效率和精确性。

（3）煤自燃智能监测系统与智能个人防护装备和自动化控制系统等设备无缝连接，形成更加智能化的煤矿安全管理体系。

（4）深入分析历史数据和实时监测数据，建立气体浓度变化模型，并利用机器学习算法进行预测，助力煤矿企业更好地识别潜在安全风险，采取相应的措施，降低事故发生概率。

基于微色谱技术的煤矿自燃火灾智能监测系统有效地解决了现有传统束管监测的痛点问题，并满足煤矿火灾监测的实际需求。系统结合微型气相色谱监测技术，利用微型热导检测器灵敏度高、稳定性强等特性实现气体的准确监测；利用束管正压输气技术解决了负压输气带来的气体运动速度慢和被检气体易污染等问题；利用计算机远程控制实现了24小时无人值守监测。通过应用煤矿自燃束管微色谱监测系统，实现煤矿井下火灾隐患早发现、早预警。为煤矿相关管理人员提供科学的监测数据和合理的治理手段，为前期火灾隐患治理提供充足时间和空间，将有效减少或避免火灾事故及其带来的损失，显著煤矿提升火灾防治与监测技术水平，从而提高煤矿安全生产测控管技术水平。