热风流侵蚀下煤二次氧化机制实验研究：揭示深井采空区煤自燃风险调控新规律

为解决深井高温采空区残煤在热风流侵蚀下的二次氧化自燃(CSC)风险问题，研究人员通过温度程序实验装置系统研究了不同流速(50-200 mL min?1)和温度(35/65 °C)热风流作用下煤样的O2消耗率、碳氧气体生成率、放热强度(q)及表观活化能(Ea)。发现65 °C热风流处理可抑制后期氧化阶段的CSC风险，而35 °C处理在低流速(50-150 mL min?1)下会加剧自燃倾向，为深井煤自燃防治提供了理论依据。

　　

在煤炭开采不断向深部推进的背景下，深井高温环境使得采空区残煤的自燃风险显著增加。随着开采深度达到1000-2000米，围岩温度可达35-60°C，这种高温环境会改变煤的氧化特性，加之采空区漏风强度变化带来的热风流侵蚀，使得煤的二次氧化行为更加复杂。然而，现有研究多聚焦原始煤样的自燃特性，对热风流作用下二次氧化煤的自燃机制认识不足，这给深井煤自燃防控带来了巨大挑战。

山西煤炭进出口集团左云东古城煤业公司的研究人员通过温度程序实验装置，系统研究了不同热风流条件对二次氧化煤自燃特性的影响。研究选取典型褐煤样品，分别在35°C和65°C油浴中处理30天模拟热风流侵蚀，随后采用四组空气流速(50/100/150/200 mL min^?1)进行二次氧化实验。通过气相色谱分析O₂消耗率和碳氧气体生成率，结合Arrhenius方程计算表观活化能(E_a)，并基于CO和CO₂生成热计算放热强度(q)。

3.1.1. O₂消耗率分析
研究发现：在200 mL min^?1高流速下，热风流处理煤样(R_C)的O₂消耗率显著低于原始煤样(T₃₅/T₆₅)，170°C时降幅达112.95-592.88%；而在50-150 mL min^?1低流速下，35°C处理煤样在后期氧化阶段O₂消耗率反超原始煤样，表明中等流速热风流会加剧二次氧化风险。

3.1.2. 碳氧气体生成率分析
实验确定了临界温度(60-90°C)和干裂温度(110-140°C)两个特征点。65°C热风流处理显著抑制CO生成，但在低流速下35°C处理会促进后期CO₂生成，170°C时CO₂生成速率较原始煤样提高2650.91%。

3.1.3. 表观活化能分析
将氧化过程分为表面氧化(I)、自氧化(II)和加速氧化(III)三阶段。发现在I阶段，200 mL min^?1流速下原始煤样E_a较热风流处理煤样低24.29-66.53%，表明更易发生氧化；而在50-150 mL min^?1流速下，热风流处理煤样E_a降低10.62-56.27%，反应能垒减小。

3.1.4. 放热强度分析
65°C处理煤样在所有流速下均表现出最低的q值，而35°C处理煤样在低流速下后期q值最高，170°C时达峰值，证实35°C热风流在特定条件下会显著增强煤的放热能力。

该研究首次系统揭示了热风流侵蚀下二次氧化煤的自燃动力学规律，发现65°C高温处理可有效抑制煤自燃风险，而35°C中等温度处理在低流速(50-150 mL min^?1)下会加剧后期氧化阶段的危险性。这一发现为深井采空区煤自燃的精准防控提供了重要理论依据，建议在实际防控中应重点关注中等温度热风流与低流速耦合条件下的自燃风险。研究通过建立氧化动力学参数与热风流条件的定量关系，为开发深井煤自燃预警模型奠定了科学基础，对保障深部煤炭资源安全开采具有重要意义。论文发表在《RSC Advances》期刊。