安光所技术实现煤矿多组分气体亚ppm级安全精准预警

近日,中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所张志荣研究员团队在煤矿安全气体监测技术领域取得重要突破。相关研究成果《基于混叠激光吸收光谱解调方法的复杂环境有害指标气体浓度原位检测》已发表于安全科学领域顶级期刊Safety Science。该研究攻克了复杂工业环境中多组分气体精准监测的行业难题,为煤矿自燃火灾预警提供了创新解决方案。

研究聚焦煤矿自燃初期产生的关键指标气体一氧化碳(CO)和乙烯(C₂H₄),这两种气体在煤矿、油气、燃气等行业具有重要预警价值。针对传统检测手段的局限性——电化学传感器易受温湿度干扰、气相色谱法难以实时监测等问题,团队创新性地构建了双波段激光检测系统:采用2326nm和1626nm可调谐激光器配合长光程多通池,将检测灵敏度提升至亚ppm(百万分之一)级别。

针对多组分气体光谱混叠这一世界性难题,团队首创光谱自适应变换非负最小二乘算法(SAT-NNLS)。该技术通过智能校正光谱漂移,结合创新的插值降噪方法,成功突破了高浓度甲烷(CH₄)背景干扰,实现CO检测误差≤0.1ppm、C₂H₄误差≤0.61ppm的突破性精度。在乌兰煤矿的煤样高温氧化实验中,系统精准捕捉到CO和C₂H₄随温度、时间变化的释放规律,为火灾预警提供了可靠数据支撑。

目前该技术已实现产业化应用,自主研发的全激光气体监测装置在安徽、新疆等地十余个煤矿完成部署。实际运行数据显示,系统可提前2-3天预警潜在自燃风险,显著提升了煤矿井下安全防护水平。这项突破不仅推动了激光光谱检测技术的发展,更为我国矿山安全生产提供了重要的技术保障。

安光所博士后王前进为论文第一作者,张志荣研究员为论文通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划(2023YFB3211003)、国家自然科学基金(62175105, 61875086, 11874364)、安徽省杰青项目(2408085J001)等项目的资助。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925753525000943?dgcid=author

传感器系统示意图

煤炭高温氧化实验过程CO和C₂H₄浓度随(a)时间和(b)温度的变化曲线

煤矿安全监控装置

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