适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通防副总、通风科长、防灭火队长、束管化验员
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学矿山自燃火灾防治科研团队技术合作支持
一、行业痛点与法规监管：隐蔽自燃误判与火势失控危机
在煤炭开采过程中，煤自然发火（内因火灾）具有发生隐蔽、发展缓慢、突发爆发和扑灭难度极大的恶性特征。
在陕西榆林神木、府谷、彬长以及山西各矿区，煤自燃早期预警普遍存在“三大技术误区”：
- 单一依赖 $\text{CO}$ 绝对浓度极易误判：部分煤层在常温或放顶机械破裂时就会释放原生背景 $\text{CO}$（可达 $5 \sim 25\text{ ppm}$），若仅凭 $\text{CO}$ 绝对值超标就盲目封闭工作面，会造成数百万元无效停产损失；反之，若通风风量极大稀释了 $\text{CO}$，则会导致严重漏报隐患；
- 缺乏全温域特征标志气体指纹谱：未依据国家最新 GB/T 44819-2024 开展煤层程序升温原位测试，无法确定各开采煤层的“临界温度指标气体”（如乙烯 $\text{C}_2\text{H}_4$ 出现温度、乙炔 $\text{C}_2\text{H}_2$ 出现温度）；
- 安监“火灾隐患一票否决”与专项报告要求：国家矿山安全监察局《煤矿防灭火细则》与《矿安〔2026〕81号》明确要求：所有开采容易自燃和自燃煤层的矿井，必须建立煤自燃标志气体色谱分析指标体系，定期开展束管连续监测与格雷厄姆指数核算；未建立标志气体体系的矿井一律严禁生产。
工作面推进 / 采空区遗煤接触微量漏风供氧
↓ 煤低温氧化反应逐步加速（30℃ → 80℃ → 150℃ → 300℃）
传统监测仅看单一 CO 浓度 → 受风量稀释干扰大，漏报或误报频繁
↓ 落实国家最新 GB/T 44819-2024 国家标准
实验室程序升温色谱测定：建立 CO、C2H4、C2H6、C3H8 特征指纹谱
↓ 计算格雷厄姆指数 R 值（Graham's Index）与链烷比（C2H4/C2H6）
精准锁定隐患所处“潜伏期、自热期、加速期、燃烧期”，实现早期秒级精准防控因此，开展正规的 GB/T 44819-2024《煤自燃标志气体色谱测定方法》 专项化验，建立矿井专属标志气体指标体系与 Graham 指数预警模型，是总工程师精准掌控采空区火情演化、防范火灾失控的核心科技防线。
二、低温氧化热化学与气体动力学模型：自由基链式反应与Graham指数方程
煤的低温氧化是煤中活性含氧官能团（如羟基 $-\text{OH}$、羧基 $-\text{COOH}$、羰基 $\text{C}=\text{O}$）与氧分子发生的非均相链式自由基放热反应。
1. 煤自燃分级标志气体析出特征动力学
随着煤温梯级升高，煤体内部发生分子键裂解与脱氢反应，标志气体呈现特征规律性析出：
2. 格雷厄姆指数（Graham's Fire Ratio, $R$）计算方程
格雷厄姆指数 $R$（$\%$）表示生成的一氧化碳体积与消耗的氧气体积之比，它完全排除了通风风量大小与空气稀释的干扰，是国际公认最严谨的自燃状态评价物理量：
式中：
- $[\text{CO}]_{meas}, [\text{O}_2]_{meas}, [\text{N}_2]_{meas}$ 为采空区实测气样中的各气体体积分数（$\%$）；
- $[\text{CO}]_{fresh}$ 为新鲜进风风流中的一氧化碳背景浓度（$\%$）；
- $0.265 \cdot [\text{N}_2]_{meas}$ 为空气中初始氧氮比折算出的理论初始氧气量。
#### 格雷厄姆指数与链烷比状态判别标准表
| 预测判据指标 | 正常背景阶段 | 潜伏自热期 ($60 \sim 100^\circ\text{C}$) | 加速氧化期 ($110 \sim 180^\circ\text{C}$) | 明火燃烧期 ($>200^\circ\text{C}$) |
|---|---|---|---|---|
| 格雷厄姆指数 ($R$) | $R \le 0.4\%$ | $0.4\% < R \le 1.0\%$ | $1.0\% < R \le 3.0\%$ | $R > 3.0\%$（极度危险） |
| 主特征标志气体 | $\text{CO}$ 微量波动 | $\text{CO}$ 陡增，出现 $\text{C}_2\text{H}_6$ | 必须检测出乙烯 $\text{C}_2\text{H}_4$ | 出现乙炔 $\text{C}_2\text{H}_2$ |
| 链烷比 ($C_2H_4/C_2H_6$) | $0$ | $0$ | $0.1 \sim 0.8$ | $>1.0$ |
| 烯烷比 ($C_2H_4/CH_4$) | $0$ | $0$ | $(10 \sim 50) \times 10^{-6}$ | $>100 \times 10^{-6}$ |
| 防灭火应急响应措施 | 正常通风与束管巡检 | 开启预防性埋管注氮 | 注阻化剂三相泡沫 + 压降低漏风 | 立即封闭工作面实施快速注胶注氮灭火 |
三、GB/T 44819-2024 标准实验室测定与气相色谱分析SOP
依据最新国家标准 GB/T 44819-2024，采用微型程序升温绝热氧化反应炉开展全流程测定：
SOP 1：原状煤样采集与微粉分选（井下新鲜煤壁密闭取样，分级筛分至粒径 $0.18 \sim 0.38\text{mm}$，称取 50g 装炉）
↓
SOP 2：恒定干燥空气吹扫与程序升温（以 $1.0^\circ\text{C/min}$ 线性升温速率，温度范围 $30^\circ\text{C} \to 350^\circ\text{C}$，供气流量 $100\text{ mL/min}$）
↓
SOP 3：多通路自动在线气相色谱采集（每升高 $10^\circ\text{C}$ 自动触发气动六通阀进样，TCD/FID 双检测器联动分析）
↓
SOP 4：微量烃类与含氧气体高精度定量分析（精准测定 $\text{O}_2, \text{N}_2, \text{CO}, \text{CO}_2, \text{CH}_4, \text{C}_2\text{H}_6, \text{C}_2\text{H}_4, \text{C}_2\text{H}_2$）
↓
SOP 5：标志气体临界出现温度与特征指纹提取（确定煤层 $\text{CO}$ 陡增温度、$\text{C}_2\text{H}_4$ 初始产生温度及临界 Graham 指数）
↓
SOP 6：编制矿井煤自燃标志气体技术规范报告（组织专家评审并出具国家法定 CMA 检验报告）
四、主要气相色谱检测仪器与化验室设备配置
| 设备系统名称 | 规格型号 | 核心测试功能 | 精度与检定标准 |
|---|---|---|---|
| 专用煤矿气相色谱仪 | GC-9890 矿用双检测器色谱仪 | 微升量级定量分析微量一氧化碳与烃类气体 | FID 检出限 $\le 1 \times 10^{-12}\text{ g/s}$（$\text{C}_2\text{H}_4 < 0.1\text{ ppm}$） |
| 程序升温绝热氧化装置 | ZRY-2024 智能升温炉 | 提供 $30 \sim 400^\circ\text{C}$ 高精度绝热/恒温氧化环境 | 升温控温精度 $\pm 0.1^\circ\text{C}$，空气流量精度 $\pm 0.5\text{ mL/min}$ |
| 多通道束管数据采集工作站 | KJ90-BG 束管在线分析系统 | 24 小时无人值守自动循环抽取井下 32 路气样 | 分析循环周期 $<60\text{ min}$，自动计算并绘制 Graham 曲线 |
| 标准参考混合标气气瓶 | 中国计量科学研究院二级标物 | 用于气相色谱仪每日各点多点浓度校准标定 | 气体组分浓度不确定度 $\le 1.0\%$ |
五、工程案例复盘与实战对账：陕北神木某特厚煤层矿井标志气体测定项目
以下结合神木市店塔镇某年产 300 万吨大型矿井（主采 2-2 煤层，容易自燃）的标志气体检测项目进行深度对账。
1. 委托项目与化验数据
- 委托单位：神木某矿业有限公司；
- 化验项目：2-2 煤层自燃标志气体色谱测定（GB/T 44819-2024）；
- 实测临界温度与气体指纹谱：
- 常温原生背景：$30^\circ\text{C}$ 时释放原生 $\text{CO} = 4.2\text{ ppm}$（证实不能以 $\text{CO}>0$ 作为唯一发火判据）；
- 缓慢自热期（$60 \sim 80^\circ\text{C}$）：$\text{CO}$ 突破 $35\text{ ppm}$，出现乙烷 $\text{C}_2\text{H}_6 = 1.2\text{ ppm}$，$R$ 指数达到 $0.52\%$；
- 临界加速期（$110^\circ\text{C}$）：首次检测出微量乙烯 $\text{C}_2\text{H}_4 = 0.45\text{ ppm}$，$R$ 指数突破 $1.15\%$；
- 剧烈燃烧期（$210^\circ\text{C}$）：首次检测出乙炔 $\text{C}_2\text{H}_2 = 1.8\text{ ppm}$，$R$ 指数达 $3.85\%$。
2. 项目造价与成套服务对账（合同金额：7.5 万元）
神木某矿 2-2 煤自燃标志气体测定与预警系统标定项目（合同总额：75,000 元）
├── 井下新鲜煤样密闭取样与工业分析化验（含全硫与水分测定）：15,000 元
├── GB/T 44819 标准程序升温绝热氧化色谱全谱测定（3 组平行样）：35,000 元
└── 标志气体分级预警阈值确定、束管监测报警值设定与出具 CMA 鉴定报告：25,000 元3. 指导现场防灭火实效
矿方将束管监测系统报警阈值由原单一的 $\text{CO}>24\text{ ppm}$ 调整为“$\text{CO}$ 趋势上升 + 出现 $\text{C}_2\text{H}_4$ + Graham 指数 $R \ge 0.8\%$”多参量组合预警，成功消除了以往因割煤放炮造成的 12 次虚假火警，并在 2203 综采面初次自热期提前 15 天发出精准预警，通过靶向注氮 48 小时安全化解了自燃险情。
六、矿长与总工防灭火迎检自查清单
总工程师在组织防灭火专项验收与安监局迎检时，必须核验以下 6 项核心指标：
- 法定 CMA 煤自燃标志气体色谱测定报告原件：具备国家认定资质检验检测机构依据 GB/T 44819 出具的正式报告。
- 矿井煤自燃分级预警指标体系与控制方案：包含 $\text{CO}, \text{C}_2\text{H}_4, \text{C}_2\text{H}_2$ 及 Graham 指数 $R$ 阈值表及总工批复文件。
- 束管监测系统 24 小时连续运行与色谱分析日报：各采空区测点气体浓度、格雷厄姆指数 $R$ 每日计算与异常预警单。
- 气相色谱仪定期检定证书与标气质检单：实验室色谱仪计量合格证与标气瓶有效期管理台账。
- 采空区防自燃注氮与注浆设施台账：地面制氮站、井下注氮管网与三相泡沫注入系统完好率 $100\%$。
- 火区封闭与启封应急管理规程：火区管理台账、气体连续采样化验记录及救护队应急预案。
- GB/T 44819-2024《煤自燃标志气体色谱测定方法》（国家最新强制标准）
- 煤矿防灭火细则（2021版），国家矿山安全监察局
- GB/T 20104-2006《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》
- 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
- AQ 1020-2006《煤矿井下自燃火灾防治技术规范》
- 矿安〔2026〕81号《国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿重大灾害精准治理与安全风险辨识评估的指导意见》
- 煤自燃标志气体色谱测定（GB/T 44819-2024）与 Graham 指数预警体系建立；
- 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法（GB/T 20104）与氧化动力学测定；
- 采空区注氮防灭火、三相泡沫灭火与均压通风防灭火工程总承包；
- 矿井瓦斯等级鉴定、通风阻力测定与重大灾害综合风险评估。
七、常见问题深度解答 (FAQ)
答： $\text{CO}$ 气体在常温低温下即可产生，且炸药爆破、柴油单轨吊运行和煤体机械破碎都会释放外来 $\text{CO}$，容易引起严重误报；而乙烯（$\text{C}_2\text{H}_4$）只有在煤温达到 $110 \sim 130^\circ\text{C}$（自燃加速临界点）时才会生成裂解，是判定煤炭进入“不可逆自热期”的铁证；乙炔（$\text{C}_2\text{H}_2$）必须在 $200^\circ\text{C}$ 以上极高温才会生成，是判定采空区已存在“明火或炽热焦炭”的决定性判据。
答： 采空区深部由于漏风量变化，氧气浓度和 $\text{CO}$ 浓度会随风流剧烈稀释或浓缩。单纯看氧气下降或 $\text{CO}$ 上升很容易被风量波动欺骗；而 Graham 指数通过数学除法将生成的 $\text{CO}$ 与实际消耗的 $\Delta \text{O}_2$ 建立比值，完全抵消了通风风量的稀释因子，能够真实反映遗煤氧化反应的“化学剧烈程度”，从而给出绝对客观的火灾状态评估。
答： 煤样送达实验室后，煤样制备与工业分析需 1 天，程序升温绝热氧化反应与多通道色谱分析需 2~3 天，数据回归建模、提取指纹谱与出具正式 CMA 盖章报告需 2 天，全流程通常在 5~7 个工作日 内完成并交付正式专家评审报告。
参考依据与标准规范
关于作者与中矿天智服务承接
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、府谷，山西及内蒙古各大煤矿企业。
检验检测与化验服务深度依托 中国矿业大学矿山自燃火灾防治科研团队，具备国家法定 CMA/CNAS 资质。
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声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井防灭火预警需结合各开采煤层程序升温实测数据专项制定。