近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光機所張志榮研究員團隊在煤礦安全氣體監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)研究成果《基于混疊激光吸收光譜解調(diào)方法的復(fù)雜環(huán)境有害指標氣體濃度原位檢測》已發(fā)表于安全科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Safety Science。該研究攻克了復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中多組分氣體精準監(jiān)測的行業(yè)難題，為煤礦自燃火災(zāi)預(yù)警提供了創(chuàng)新解決方案。
 

　　研究聚焦煤礦自燃初期產(chǎn)生的關(guān)鍵指標氣體一氧化碳(CO)和乙烯(C?H?)，這兩種氣體在煤礦、油氣、燃氣等行業(yè)具有重要預(yù)警價值。針對傳統(tǒng)檢測手段的局限性——電化學(xué)傳感器易受溫濕度干擾、氣相色譜法難以實時監(jiān)測等問題，團隊創(chuàng)新性地構(gòu)建了雙波段激光檢測系統(tǒng):采用2326nm和1626nm可調(diào)諧激光器配合長光程多通池，將檢測靈敏度提升至亞ppm(百萬分之一)級別。
 

　　針對多組分氣體光譜混疊這一世界性難題，團隊首創(chuàng)光譜自適應(yīng)變換非負最小二乘算法(SAT-NNLS)。該技術(shù)通過智能校正光譜漂移，結(jié)合創(chuàng)新的插值降噪方法，成功突破了高濃度甲烷(CH?)背景干擾，實現(xiàn)CO檢測誤差≤0.1ppm、C?H?誤差≤0.61ppm的突破性精度。在烏蘭煤礦的煤樣高溫氧化實驗中，系統(tǒng)精準捕捉到CO和C?H?隨溫度、時間變化的釋放規(guī)律，為火災(zāi)預(yù)警提供了可靠數(shù)據(jù)支撐。
 

　　目前該技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，自主研發(fā)的全激光氣體監(jiān)測裝置在安徽、新疆等地十余個煤礦完成部署。實際運行數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)可提前2-3天預(yù)警潛在自燃風(fēng)險，顯著提升了煤礦井下安全防護水平。這項突破不僅推動了激光光譜檢測技術(shù)的發(fā)展，更為我國礦山安全生產(chǎn)提供了重要的技術(shù)保障。
 

　　安光所博士后王前進為論文第一作者，張志榮研究員為論文通訊作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2023YFB3211003)、國家自然科學(xué)基金(62175105, 61875086, 11874364)、安徽省杰青項目(2408085J001)等項目的資助。
 

傳感器系統(tǒng)示意圖
 

煤炭高溫氧化實驗過程CO和C2H4濃度隨(a)時間和(b)溫度的變化曲線
 

煤礦安全監(jiān)控裝置