基于ReaxFF模拟的封闭火区煤自燃-熄灭-复燃演化特征及产气机制研究

为解决煤矿封闭火区启封时煤体快速复燃这一关键难题，研究人员通过XPS、13 C NMR和FTIR表征BNM煤样并构建分子模型，结合ReaxFF分子动力学模拟揭示了低氧条件下煤自燃-熄灭-复燃动态过程中活性基团转化规律与气体生成机制，发现冷却阶段形成的化学记忆结构是复燃前驱体，为火区安全启封提供理论支撑。

　　

煤矿火灾是威胁矿井安全的重大隐患，尤其在中国西部富煤地区，煤层自燃导致的封闭火区资源损失高达数百亿元。尽管启封火区是实现资源回收的必然选择，但煤体接触氧气后的瞬间复燃现象长期困扰着矿山防火技术。传统研究多聚焦于煤的二次氧化特性，而针对封闭火区特有的低氧环境下煤自燃-熄灭-复燃全周期动态过程及其分子机制仍存在认知空白。

中国矿业大学（北京）的Hao Lu、Bo Tan等研究人员在《Fuel》发表论文，通过多尺度实验与ReaxFF分子动力学模拟相结合，首次系统揭示了封闭火区煤体从自燃到复燃的完整演化链条。研究团队首先采用X射线光电子能谱（XPS）、核磁共振碳谱（¹³
C NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对新疆沙墩子煤矿的BNM煤样进行表征，构建了包含161个碳原子的煤大分子模型。通过分阶段设置氧浓度（仅需完全燃烧氧量的20%），利用ReaxFF模拟了300-3300K自燃、3300-600K冷却和600-1200K复燃三个典型阶段的化学反应动态。

关键实验技术
研究整合了表面化学分析（XPS）、固态核磁共振（¹³
C NMR）和红外光谱（FTIR）进行煤分子结构解析，基于ReaxFF力场开展分子动力学模拟，采用变温梯度（300-3300K）模拟实际火区温度变化，通过反应轨迹分析追踪H/C、O/C原子比和活性基团演变。

Characterization and analysis of the basic structure of coal macromolecules
通过元素分析和光谱测试构建C₁₆₁
H₁₃₁
O₃₂
N分子模型，发现BNM煤样脂肪族侧链占比达42.3%，芳香碳含量为57.7%，含氧官能团以羟基（-OH）和羰基（C=O）为主。

Schematic of the spontaneous combustion-extinction-reignition dynamic process of coal
模拟显示自燃阶段氧化与热解相互作用，焦炭含量锐减而H₂
O、CO浓度激增；熄灭阶段芳烃缩合反应主导，焦炭质量分数回升，CO和C₂
H₂
成为主要气体产物；复燃阶段残留的二烯型不饱和碳结构与烷基自由基引发自催化氧化，导致CO呈指数增长。

Discussion
动态分析揭示：自燃阶段脂肪族结构和活性官能团（-CH₃
、-COOH）起主导作用；冷却阶段形成的化学记忆结构（如共轭双烯）成为复燃前驱体；复燃时累积的自由基与不饱和结构协同作用，使煤体在启封后迅速达到着火点。

Conclusion
该研究首次完整描绘了封闭火区煤体三相演化机制：自燃期以链式氧化为主，熄灭期发生分子重构，复燃期呈现自由基链式反应特征。冷却阶段生成的不稳定中间体是导致火区启封高风险的关键因素，这一发现为制定针对性防复燃技术（如自由基淬灭剂注入）提供了分子级理论依据。研究建立的ReaxFF模拟方法为复杂地质条件下煤火灾害防控开辟了新研究范式。