深部高温煤层自燃氧化微观特征与气体生成规律研究——以巨野矿区为例

针对深部高温煤层自燃风险防控难题，研究人员通过液氮吸附、压汞测试和程序升温实验，结合原位红外光谱与灰色关联分析，揭示了Juye矿区三种煤样的孔隙特征、气体产物演变规律及关键官能团转化路径，为深部矿井火灾防控提供了分子层面的理论依据。

　　

煤炭作为全球主要能源之一，在我国能源供给与经济建设中占据重要地位。然而，在煤炭开采、储存和运输过程中，自燃灾害频发，不仅造成资源浪费，还会释放有害气体，引发严重的环境污染。巨野煤田3号煤层作为典型的深部高温矿井，原始煤温高达42-50°C，加之高地压和高温环境，使得煤层自燃概率显著升高。目前针对浅部煤层的研究已形成较完善的技术体系，但深部高温煤层的自燃特性与浅部存在显著差异，其更高的自燃起始温度和更复杂的反应机制亟待深入探究。

为揭示深部高温煤层自燃氧化的微观机制，来自中国的研究团队以巨野矿区唐口、新巨龙和赵楼煤矿的3号煤层煤样为研究对象，通过多尺度表征手段系统分析了煤分子结构特征与气体生成规律。研究发现，三种煤样均富含微孔结构，孔隙体积随孔径增大呈阶段性变化；氧气消耗速率与CO、CO₂生成趋势一致，而CH₄、C₂H₆和C₂H₄浓度与温度呈正相关；羟基和甲基/亚甲基含量分别呈现"先降后升"和"先升后降"的转化特征。该成果发表于《Fuel》，为深部矿井自燃防控提供了重要的理论支撑。

研究主要采用四项关键技术：1）液氮吸附与压汞联用表征孔隙结构；2）程序升温实验模拟自燃过程；3）原位红外光谱(FTIR)追踪官能团转化；4）灰色关联分析量化功能基团与气体产物的相关性。

孔隙特性分析
通过氮气吸附-压汞联用技术发现，所有煤样微孔占比最高（<10nm），其中唐口、新巨龙煤样符合H₃型滞后回线（以狭缝孔为主），赵楼煤样则显示H₄型特征（含丰富开放孔）。压汞曲线显示赵楼煤样汞侵入量最低但滞后环最宽，表明其开放孔连通性最佳。

官能团转化规律
红外光谱拟合显示：羟基在唐口、赵楼煤中呈"先降后升"趋势（30-80°C因水分蒸发减少，后期氧化生成增加），而新巨龙煤则呈现"升-降-升"独特模式，与其特殊的分子内氢键结构相关。甲基/亚甲基含量均在80-120°C达到峰值后下降，反映脂肪烃的氧化消耗过程。芳香烃C=C和含氧基团（C=O、C-O-C）含量随温度持续上升，其中赵楼煤的含氧基团增幅最大，与其开放孔促进氧接触有关。

气体释放特征
程序升温实验表明：CO和CO₂在80°C后显著增加，与O₂消耗速率变化同步；CH₄在120°C后呈指数增长，赵楼煤产量最高（开放孔结构促进气体扩散）；C₂H₆和C₂H₄分别在80°C和140°C后快速释放，赵楼煤的C₂H₆出现温度最早（100°C），体现其脂肪烃的高反应活性。

灰色关联分析
定量评估显示：唐口、新巨龙煤的含氧基团与CO/CO₂关联度最高（γ>0.7），而赵楼煤则以芳香-CH和取代芳烃相关性最强（0.68-0.72）。对于烃类气体，含氧基团在唐口、新巨龙煤中主导作用（γ>0.73），而赵楼煤仍以芳香结构关联性最显著。

该研究首次系统阐明了深部高温煤层自燃过程中孔隙-官能团-气体产物的协同演化机制，建立了微观结构特征与宏观氧化行为的定量关联模型。特别揭示了赵楼煤因特殊孔隙结构导致的芳香烃主导反应路径，与传统脂肪烃氧化路径形成鲜明对比。这些发现不仅深化了对煤自燃分子机制的理解，更为深部矿井差异化防灭火技术的开发提供了科学依据，对保障矿山安全生产和减少温室气体排放具有双重意义。