适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通防副总、防灭火队长、监控中心主管、安监科长

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｜中国矿业大学矿山火灾防治重点实验室技术合作支持

一、行业痛点与新国标实施背景：传统火灾监测误报与漏报危机

在陕西神木、榆林、店塔及山西、内蒙古等高强度开采矿区，煤层赋存厚度大、割煤遗煤多，采空区漏风供氧条件极易诱发煤炭自燃。长期以来，煤矿在防灭火预警方面普遍存在“三痛”：

  1. 单一指标误报率高：单纯依赖 $\text{CO}$ 绝对浓度报警，常因井下防爆柴油车尾气排放、火工品爆破炮烟及深部地热释放造成系统频发虚假警报，导致生产频繁无谓中断；
  2. 缺乏特征温度对应性：不清楚本矿煤层在多少度时开始释放烯烃（$\text{C}_2\text{H}_4$）和炔烃（$\text{C}_2\text{H}_2$），一旦井下检测出乙炔时往往已经发展为明火燃烧，错失了早期注氮阻化的黄金控火窗口；
  3. 新国标强制贯标压力：国家标准化管理委员会正式实施的 GB/T 44819-2024《煤层自然发火标志气体及临界值确定方法》，对标志气体优选流程、实验精度、背景值扣除方法提出了明确的法定技术标准。
煤炭开采遗留碎煤 + 采空区微漏风供氧
  ↓ 煤分子活性结构发生低温氧化（放热升温）
传统单一 CO 监测易受尾气/炮烟干扰（误报率高达 80%）
  ↓ 无法精准研判采空区内部真实温度与发展阶段
错失控温窗口 → 突然出现 C2H2 时已演化为明火燃烧
  ↓ 落实 GB/T 44819-2024 新国标
必须通过程序升温实验建立本矿专属的“多组分复合判据”与三级预警临界值

因此，开展本矿主采煤层的标志气体及临界值专项测定，是矿山防灭火安全质量标准化验收与束管监控系统精准调优的法定必做项目。

二、热化学与色谱动力学模型：煤氧复合热裂解与产气特征方程

煤自燃是煤分子中脂肪烃侧链、含氧官能团（羟基、羰基、羧基）与氧气在不同温度阶段发生物理吸附、化学吸附和热化学分解的连续反应过程。

1. 气体产率动力学演化方程

在绝热或程序控温恒定升温条件下，第 $i$ 种标志气体（如 $\text{CO}, \text{C}_2\text{H}_4, \text{C}_2\text{H}_2$）的绝对释放速率 $r_i(T)$ 遵循热分解动力学方程：

$$r_i(T) = \frac{d C_i}{d t} = k_{i0} \cdot [C_{O2}]^{m_i} \cdot \exp\left( -\frac{E_{a,i}}{R \cdot T} \right)$$

其中：$C_i$ 为气体浓度；$k_{i0}$ 为指前因子；$E_{a,i}$ 为该反应阶段的表现活化能（$\text{kJ/mol}$）；$R$ 为摩尔气体常数；$T$ 为煤体热力学温度（$\text{K}$）。

煤自燃升温程序温度测定与特征气体释放曲线图
图2：煤程序升温氧化过程中标志气体（CO、C2H4、C2H2）浓度与三级预警区间演化曲线

2. GB/T 44819-2024 推荐的多组分复合无量纲判据

为了彻底消除风量波动与背景尾气干扰，新国标推荐采用多组分比值判据：

  • 链烷比（Alkane Ratio, $R_{alkane}$）：
$$R_{alkane} = \frac{C_{\text{CH}_4}}{C_{\text{C}_2\text{H}_6}}$$
  • 烯烷比（Alkene Ratio, $R_{alkene}$）：
$$R_{alkene} = \frac{C_{\text{C}_2\text{H}_4}}{C_{\text{C}_2\text{H}_6}}$$
  • 格雷厄姆火灾系数（Graham's Fire Ratio, $I_G$）：
$$I_G = \frac{\Delta \text{CO}}{\Delta \text{O}_2} = \frac{C_{\text{CO}}}{0.265 \cdot C_{\text{N}_2} - C_{\text{O}_2}} \times 100\%$$

当 $I_G < 0.2\%$ 时处于正常状态；$0.2\% \le I_G \le 0.5\%$ 进入初期自热；$I_G > 1.0\%$ 预示严重自燃并即将爆发明火。

三、标准化测定SOP：实验室程序升温测试与现场束管标定全流程

中矿天智与中国矿业大学检测中心严格按照 GB/T 44819-2024 标准规范，执行标准化全闭环测定 SOP：

步骤 1：现场新鲜煤样采集与双层真空封装（井下新鲜暴露煤壁取样，每组 ≥5kg）
  ↓
步骤 2：实验室破碎筛分与煤质分析（选取 0.18~0.25mm 粒级煤样，测定工业分析水分灰分）
  ↓
步骤 3：程控恒速绝热升温氧化测试（常温 30℃ 以 0.5~1.0℃/min 均匀升温至 200℃ 以上）
  ↓
步骤 4：在线气相色谱连续高频色谱取样（每升温 10℃ 采集气样，高精度定量分析 8 种组分）
  ↓
步骤 5：背景干扰数据剔除与温度拐点特征提取（扣除柴油车尾气与地质本底，绘制特征谱图）
  ↓
步骤 6：三级预警临界值模型建立与束管主机软件写入（出具 CMA 盖章报告并指导现场配置）
井下回风巷束管监测系统与取样探头安装实景
图3：防灭火技术人员在井下回风巷安装多芯束管采样箱与防爆环境传感器

标志气体分级预警三级响应机制表

预警级别 特征温度区间 主导标志性气体与临界指标 伴随气体与复合比值 现场应急响应 SOP 处置措施
一级：注意（初期蓄热） $30^\circ\text{C} \sim 70^\circ\text{C}$ $\text{CO}$ 浓度突破背景值，达到 $15 \sim 30\text{ ppm}$ $\Delta \text{CO}/\Delta \text{O}_2 > 0.2\%$，$\text{CO}_2/\text{CO}$ 缓慢下降 增加束管巡检采样频次（由每日1次加密至每班1次），排查采空区微漏风通道
二级：警戒（快速自热） $70^\circ\text{C} \sim 130^\circ\text{C}$ 稳定检出乙烯 $\text{C}_2\text{H}_4 \ge 1.5\text{ ppm}$，$\text{CO} > 80\text{ ppm}$ 出现微量丙烷 $\text{C}_3\text{H}_8$，烯烷比大幅抬升 立即启动采空区注氮防灭火系统（注氮纯度 $\ge 97\%$），加快工作面回采推进速度
三级：危险（临近燃烧） $\ge 130^\circ\text{C} \sim 200^\circ\text{C}$ 稳定检出乙炔 $\text{C}_2\text{H}_2 \ge 0.5\text{ ppm}$，$\text{CO} > 200\text{ ppm}$ 伴随苯系物、烯烷比 $>0.35$，$I_G > 1.0\%$ 紧急实施采空区深孔注入高分子胶体阻化剂与三相泡沫，必要时实施采区局部密闭隔离

四、主要检测设备与实验室仪器配置标准

开展 GB/T 44819-2024 标志气体测定必须依托高精度科研仪器，确保测试数据经得起复核与监管追溯：

气相色谱仪与多通道束管气体分析仪特写
图4：实验室配备的安捷伦气相色谱仪、多通道束管进样分析系统与精密流量阀组特写
设备名称 仪器型号与规格 核心测试功能 精度与技术参数指标
气相色谱分析仪 Agilent / 岛津双通道色谱仪 定量分析 $\text{CO}, \text{CH}_4, \text{C}_2\text{H}_6, \text{C}_2\text{H}_4, \text{C}_2\text{H}_2, \text{O}_2, \text{N}_2, \text{CO}_2$ 检出限：$\text{C}_2\text{H}_2 \le 0.1\text{ ppm}$，$\text{CO} \le 0.5\text{ ppm}$
程序控温煤自燃实验箱 智能绝热数控程控温箱 模拟煤样在恒定供氧条件下的低温自燃蓄热过程 控温范围：常温~300℃，控温精度 $\pm 0.1^\circ\text{C}$
高纯标准气瓶组 国家二级标准物质认证标气 色谱仪日常多点线性校准与定量曲线绘制 不确定度 $\le 1.0\%$，包含多梯度烷烃/烯烃混合气
多通道气路切换控制柜 8路/16路自动进样恒流系统 配合井下束管多测点自动循环取样与标气冲洗 流量控制稳定性 $\pm 1\text{ mL/min}$，防交叉污染设计

五、工程案例复盘与造价对账：陕北典型煤矿标志气体测定项目

以下结合神木石岩沟煤矿及赵家梁煤矿三一煤井的技术服务合同与报价单进行明细解析。

防灭火专家组与总工程师火灾预警会审
图5：防灭火专家组与煤矿安全总监在矿区调度室审定标志气体临界值特征曲线

案例 1：神木市店塔镇某煤矿 4-3 煤标志性气体测定项目（17.0 万元）

  • 委托项目：神木市店塔镇石岩沟煤矿 4-3 煤层自然发火标志性气体及临界值测定（依据 GB/T 44819-2024 新国标）；
  • 测定周期：现场取样 3 天，实验室升温与色谱分析 6 天，数据反演与报告出具 4 个工作日；
  • 技术突破：
  1. 准确排除了井下柴油防爆胶轮车排放产生的 $12\text{ ppm}$ 基础 $\text{CO}$ 干扰；
  2. 确定该矿 4-3 煤自燃初期 $\text{CO}$ 临界报警值为 $24\text{ ppm}$，临界自热温度为 $76^\circ\text{C}$（此时首次析出 $\text{C}_2\text{H}_4$，浓度为 $1.2\text{ ppm}$）；
  3. 将测试成果直接导入井下 KJ95N 束管监控系统，彻底消除了长期存在的虚假火警，每年为矿方避免非计划停产损失数百万元。

案例 2：赵家梁煤矿三一煤井 4-3 煤一通三防综合防灭火项目（24.5 万元）

  • 项目明细分解：
  1. 4-3 煤层最短自然发火期测定（数学模拟）：3.5 万元；
  2. 4-3 煤层注水可注性鉴定（4处取样）：4.0 万元；
  3. 4-3 煤层标志性气体与临界值测定（GB/T 44819-2024）：17.0 万元；
  4. 合计金额：24.5 万元（含税包干价）。

六、总工程师火灾预警迎检决策自查清单

总工程师在组织矿井防灭火系统标定与安监迎检时，必须核对以下 5 项关键资料：

  • GB/T 44819-2024 专项检测报告：具备 CMA/CNAS 资质机构出具的盖章检测报告原件，明确列出本矿主采煤层的标志气体临界阈值表。
  • 束管监测系统报警参数配置表：安全监控调度大屏上各测点 $\text{CO}$、$\text{C}_2\text{H}_4$ 报警阈值与检测报告结论完全一致的配置截图与审批记录。
  • 现场取样台账与影像记录：井下各煤层新鲜煤样采样点坐标、封存照片、快递单及交接单。
  • 色谱仪定期检定与标气台账：井下及地面色谱分析仪计量检定证书，以及在有效使用期内的标准气瓶充装合格证。
  • 防灭火应急专项预案与注氮台账：基于标志气体三级预警模型编制的注氮阻化、三相泡沫及均压防灭火应急联动操作规程。

    • 七、常见问题深度解答 (FAQ)

    Q1：为什么必须依据 GB/T 44819-2024 重新测定标志气体？

    答： 传统方法多采用单点固定升温测试，容易受煤样粒度、供氧量与背景气体影响导致临界值偏差巨大。GB/T 44819-2024 规范了多梯度连续程控升温、背景值校正与多组分无量纲比值模型，测定结果更具科学性与法律效力，是应对国家矿山安监局防灭火精准专项检查的权威支撑。

    Q2：乙烯（$\text{C}_2\text{H}_4$）和乙炔（$\text{C}_2\text{H}_2$）在煤自燃监测中分别代表什么意义？

    答： 乙烯 $\text{C}_2\text{H}_4$ 是煤进入快速氧化自热阶段（通常为 70℃~120℃）的特征产物，此时煤体尚未着火但温度正急剧爬升，是实施注氮控火的关键窗口；而乙炔 $\text{C}_2\text{H}_2$ 是煤分子裂解必须达到 130℃~200℃ 高温 才会出现的特征产物，一旦检出即意味着采空区内部已经处于临近明火燃烧或明火阶段。

    Q3：测定过程中，如何有效扣除井下柴油机车尾气的 $\text{CO}$ 干扰？

    答： 实验与现场采用“差值法 + 烯烷比校验”：① 在进风侧无氧化区域设立环境背景测点，实时扣除进风风流中的本底 $\text{CO}$ 浓度；② 结合 $\text{C}_2\text{H}_4/\text{C}_2\text{H}_6$ 比值及 $\text{CO}/\Delta \text{O}_2$ 产生率进行多参数交叉校验，尾气排放通常不伴随特征温度的烃类气体同步非线性增长。

    Q4：标志气体测定周期通常需要多少天？

    答： 采集新鲜煤样送达实验室后，煤样工业分析制备需 1~2 天，程序升温气相色谱连续测试需 3~4 天，数据处理、曲线拐点提取与报告编制需 3~4 天，常规全流程在 7~10 个工作日内可完成并出具正式报告。

    参考依据与标准规范

    1. GB/T 44819-2024《煤层自然发火标志气体及临界值确定方法》
    2. GB 40880-2021《煤矿瓦斯等级鉴定规范》
    3. GB/T 20104-2006《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》
    4. KA/T 1068-2008《煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法》
    5. AQ 1020-2006《煤矿井下自燃火灾防治技术规范》
    6. 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》

    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。

    检验检测与技术服务依托 中国矿业大学安全生产检测检验中心 及矿山火灾防治科研团队全面支撑，具备国家法定 CMA/CNAS 资质。

    承接业务范围：

    • 煤层自然发火标志气体及临界值测定（GB/T 44819-2024 新国标专属定制）；
    • 煤自燃倾向性鉴定与最短自然发火期模拟测定；
    • 矿井瓦斯等级鉴定与煤尘爆炸性、注水可注性测试；
    • 采空区束管监测系统设计、管网调试与火灾三级预警模型集成。

    矿方下一步行动指引

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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，具体矿井火灾指标需结合本矿煤质与开采条件专项测定。