煤体自燃传播过程中影响气态产物释放的关键活性基团演化特征

为解决煤自燃(CSC)灾害防治中气态产物释放机制不明的问题，研究人员构建半封闭系统模拟煤火深层传播，结合原位红外光谱与灰色关联分析，揭示了不同煤层深度下甲基/亚甲基/羰基等关键活性基团的动态演化规律及其对CO/CH4 /C2 H4 释放的差异化影响，为煤自燃防控提供了新视角。

　　

煤炭作为全球能源体系的核心组成部分，其开采和储存过程中的自燃问题长期困扰着矿业安全。煤自燃(CSC)不仅造成资源浪费，更会释放CH₄
、CO等有毒气体，加剧温室效应和酸雨形成。尽管前人研究了煤氧化过程中的温度扩散规律和气体生成机制，但对不同深度煤层的活性基团动态演变及其与气态产物释放的关联仍缺乏系统认知。

来自陕西某高校的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表的研究中，创新性地构建了半封闭实验系统模拟煤火深层传播，结合原位傅里叶变换红外光谱(FTIR)和灰色关联分析，首次揭示了煤层深度梯度下关键活性基团的演化特征。研究发现：第四煤层因最佳蓄热条件成为自燃高风险层；临界温度至燃点过程中，主导气体释放的基团从甲基/醚键转变为亚甲基/羰基；高温下羰基断裂和分子间氢键通过改变孔隙结构间接促进气体释放。该研究为煤自燃的精准预警和分层防控提供了分子层面的理论依据。

关键技术方法包括：1）基于GB/T 477-2008标准制备7-10mm粒径的陕西汉家湾煤矿煤样；2）搭建半封闭系统模拟环境温压条件下的煤火传播；3）采用原位FTIR分析750-4000 cm^-1
波段的活性基团动态；4）运用灰色关联分析量化气体浓度与基团含量的相关性。

【Coal sample preparation】
实验选用汉家湾煤矿工作面煤样，经颚式破碎后筛选7-10mm颗粒，严格遵循中国国家标准GB/T 477-2008制备样品，确保模拟真实地层条件下的煤氧反应。

【Evolution of key active functional groups】
FTIR谱图显示，随着温度升高，浅层煤以脂肪烃氧化为主，深层煤达到燃点后出现剧烈氧化。灰色关联分析表明：临界温度阶段甲基(–CH₃
)和醚键(C–O–C)主导气体生成；燃点附近亚甲基(–CH₂
–)和羰基(–C=O)成为主要贡献者；高温条件下羰基断裂反应成为气体生成的主要途径。

【Conclusions】
研究得出三大结论：1）CO/CH₄
/C₂
H₄
浓度随自燃进程呈先指数增长后下降趋势，且峰值到达时间与煤层深度正相关；2）第四煤层因热滞留效应最易发生自燃；3）分子间氢键通过改变煤体孔隙结构间接调控气体释放。该成果不仅阐明了煤自燃传播的分子机制，更创新性地提出了基于活性基团演变的灾害预警指标，对开发分层阻燃技术具有重要指导价值。

讨论部分强调，该研究首次建立了煤层深度-活性基团-气态产物的三维关联模型，突破了传统研究仅关注温度或单一气体的局限。特别是发现氢键通过孔隙调控作用影响气体释放的新机制，为研发针对不同煤层的定向抑制剂提供了理论靶点。未来可结合量子化学计算进一步揭示基团反应的能垒特征，推动煤自燃防治从经验判断向分子设计转变。