利用3D X射线CT重建技术对煤颗粒破碎后的形态参数及孔隙渗流特性进行定量分析

《Powder Technology》：Quantitative analysis of morphological parameters and void seepage characteristics of coal particles after crushing using 3D X-ray CT reconstruction

煤自燃过程中应力破碎对颗粒堆积体结构及气体渗透特性的影响研究。采用CT扫描与三维重建技术，定量分析了不同应力水平（0-15MPa）下煤颗粒堆积体的孔隙率、颗粒体积/表面面积及尺寸分布演变规律，揭示了应力破碎导致颗粒细化、孔隙连通性降低及渗透率下降的机理，为深部矿井煤自燃防控提供理论依据。

　　在当前全球能源需求不断上升的背景下，煤炭作为重要的化石能源，依然在许多国家的能源结构中占据着重要地位。特别是在中国，煤炭不仅是主要的能源来源，还在工业和民生领域发挥着不可替代的作用。然而，随着煤炭开采深度的不断增加，开采过程中产生的各种地质灾害问题也日益突出，其中煤炭自燃（Coal Spontaneous Combustion, CSC）被认为是最具破坏性的灾害之一。自燃不仅会导致煤炭资源的严重浪费，还会产生大量有毒气体和粉尘，对矿区环境和人员安全构成威胁。此外，自燃还可能引发一系列生态问题，如土壤侵蚀、地表下沉以及环境污染等。因此，深入研究煤炭自燃的机制及其影响因素，对于保障煤矿安全、优化开采技术以及推动可持续发展具有重要意义。

在煤炭开采过程中，采空区（goaf）是煤炭自燃风险的主要来源之一。采空区内的残留煤炭在长期受地应力和开采扰动的影响下，其物理结构会发生显著变化。这些变化不仅包括煤炭颗粒的破碎，还涉及颗粒体积、颗粒尺寸分布以及颗粒间孔隙的流体渗透特性。这些参数的改变直接关系到煤炭自燃的发生与发展过程。目前，已有大量研究关注于应力条件下煤炭自燃的宏观特性，例如温度升高、氧化反应速率变化以及气体释放模式等。然而，对于采空区中煤炭颗粒结构和孔隙网络的微观变化，以及这些变化如何具体影响自燃过程，仍然存在诸多未知。因此，有必要通过先进的实验技术和分析方法，对采空区煤炭颗粒的结构特征进行深入研究，以揭示应力对煤炭自燃机制的具体作用。

本研究以深部应力环境下采空区煤炭自燃为背景，重点探讨在不同应力加载条件下，煤炭颗粒的结构形态及其孔隙渗透特性的变化规律。通过采用计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）技术与三维重建方法，研究人员成功地对煤炭颗粒的积累体进行了高精度的结构重建。CT扫描技术能够提供非破坏性的高分辨率图像，从而为后续的结构参数分析奠定了坚实的基础。通过对不同应力条件下煤炭颗粒的CT图像进行处理，研究人员能够清晰地观察到颗粒破碎的过程，并定量分析其结构参数的变化。研究结果表明，随着应力的增加，煤炭颗粒的数量显著上升，而平均颗粒尺寸则呈现出逐渐减小的趋势。特别是在应力达到6 MPa之前，颗粒的破碎现象尤为显著，导致所有结构参数发生剧烈变化。而在6 MPa以上，颗粒破碎趋于稳定，参数变化开始放缓。

值得注意的是，煤炭颗粒的破碎不仅改变了其物理形态，还对颗粒间的孔隙结构产生了深远影响。随着颗粒的破碎，颗粒间的孔隙体积逐渐减少，而孔隙数量则有所增加。这种孔隙结构的变化直接影响了气体在颗粒间的流动路径和渗透特性。研究发现，随着应力的增加，孔隙体积与渗透率均呈现出指数级下降的趋势。这表明，在较高的应力条件下，颗粒间的孔隙结构变得更加致密，从而降低了气体的流动能力。此外，颗粒的表面积和比表面积也随之发生变化。虽然单个颗粒的体积和表面积逐渐减小，但整体颗粒的表面积和比表面积却呈现出上升的趋势。这种变化对煤炭自燃过程具有重要影响，因为更大的表面积意味着更多的氧化反应界面，从而可能加快自燃的发生和发展。

在实际应用中，理解这些结构参数的变化对于预测和预防煤炭自燃具有重要意义。通过分析不同应力条件下煤炭颗粒的结构变化，可以更准确地评估采空区的自燃风险，并为制定有效的防治措施提供科学依据。此外，研究还揭示了颗粒破碎与自燃过程之间的复杂关系。例如，较小的颗粒虽然数量较多，但其质量比例较低，这可能导致自燃过程中释放的热量相对较少。然而，由于颗粒表面积的增加，这些小颗粒可能更容易与氧气接触，从而促进氧化反应的进行。因此，颗粒尺寸的分布变化对自燃过程的影响需要综合考虑。

为了更全面地了解应力对煤炭自燃的影响，研究人员还对颗粒间的气体流动进行了模拟分析。通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法，他们能够可视化气体在颗粒间的流动路径，并分析其渗透特性。研究发现，气体流动的路径和速度在不同应力条件下发生了显著变化。随着应力的增加，颗粒间的孔隙结构变得更加复杂，气体流动受到更大的阻碍，从而影响了自燃过程中氧气的供应和热量的传递。这种现象可能对自燃的发生和蔓延速度产生重要影响，因此，深入研究气体流动的规律对于理解自燃机制至关重要。

本研究的创新之处在于，它首次通过CT扫描和三维重建技术，对煤炭颗粒的结构形态和孔隙网络进行了系统性的定量分析。这种方法不仅能够提供高精度的结构信息，还能揭示颗粒破碎过程中的微观变化，为后续研究提供了新的视角和工具。此外，通过结合实验数据与数值模拟，研究人员能够更全面地分析应力对煤炭自燃的影响机制，从而为相关领域的理论研究和工程实践提供支持。

总的来说，本研究通过对不同应力条件下煤炭颗粒的结构变化进行深入分析，揭示了应力对煤炭自燃过程的多方面影响。研究结果表明，应力不仅会引发煤炭颗粒的破碎，还会改变颗粒的尺寸分布、体积、表面积以及孔隙结构，这些变化共同作用于自燃过程，影响其发生和发展。未来，随着对煤炭自燃机制研究的不断深入，相关技术的应用将有助于提高煤矿安全水平，减少煤炭资源浪费，并降低对环境的负面影响。同时，这些研究成果也为其他类似地质灾害的研究提供了参考价值，具有重要的理论和实践意义。