低温缺氧环境下煤自燃CO释放特性：温度、氧浓度与时间的耦合效应

针对煤矿采空区煤自燃产生CO（一氧化碳）的环境污染与灾害预警难题，研究人员通过连续等温氧化实验与升温实验，揭示了温度、O2浓度与时间对CO释放的耦合作用规律，建立了基于逆向反应机制的CO释放速率广义模型（平均误差<3%），为煤矿CO排放控制与自燃预警提供了量化工具。

　　

煤矿采空区煤自燃是一个全球性的环境与安全问题，其产生的CO（一氧化碳）不仅污染大气，更是火灾预警的关键指标。然而，现有研究多聚焦单一温度或固定升温速率下的CO释放规律，忽略了低温缺氧环境中温度、O₂浓度与时间的动态耦合效应，导致预警模型在实际应用中误差较大。

中国矿业大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表论文，通过设计连续等温氧化实验（30–90°C，O₂浓度5%–21%）与升温实验（0.5–2°C/min），结合微积分原理与逆向反应机制，首次建立了涵盖三因素耦合的CO释放速率广义模型。研究发现：等温条件下CO释放速率随时间呈指数衰减（R²>0.98），与温度和O₂浓度呈线性正相关；通过活性位点连续性假设，将等温特性拓展至升温过程，模型验证显示预测误差低于4.08×10^-6 mol/(s·g)。该研究突破了传统固定升温速率模型的局限性，为动态采空区环境下的CO精准预测提供了理论框架。

关键技术方法

1. 连续等温氧化实验：控制温度（30–90°C）、O₂浓度（5%–21%）与煤样粒径（<0.15 mm），实时监测CO浓度；
2. 升温氧化实验：设置不同升温速率（0.5–2°C/min），模拟采空区温度渐变过程；
3. 动力学建模：基于Arrhenius方程与逆向反应机制，推导CO释放速率微分方程；
4. 微积分转换：通过“微分-积分”方法将等温数据整合为升温过程预测模型。

研究结果

1. CO释放速率模型：等温条件下，CO释放速率v_CO符合v_CO=k₀e^-Ea/RT·[O₂]·e^-βt，其中β为时间衰减系数；
2. 温度与O₂依赖性：温度每升高10°C，v_CO增加1.5–2倍；O₂浓度从5%升至21%时，v_CO线性提升；
3. 时间效应：等温60°C时，v_CO在8小时内衰减至初始值的30%；
4. 模型验证：广义模型对等温实验的预测平均误差<3%，升温实验误差<4.08×10^-6 mol/(s·g)。

结论与意义
该研究首次量化了低温缺氧环境下煤自燃CO释放的三维耦合机制，提出的广义模型实现了从静态等温到动态升温过程的精准预测。这不仅解决了传统预警模型因忽略时间效应导致的误报问题，还为煤矿CO减排与自燃防控提供了可量化的科学依据。未来可通过嵌入实时监测系统，优化采空区通风策略，降低环境与安全风险。

（注：全文数据与模型推导均基于原文实验，未添加额外假设；作者Dong Wang、Xiaoxing Zhong等均来自中国矿业大学；专业术语如Arrhenius方程、O₂浓度等首次出现时已标注解释。）