煤自燃过程中烟尘颗粒排放特性的实验研究及其在高温火区温度诊断中的应用

为解决煤自燃监测中高温火区温度识别精度不足的问题，研究人员通过实验室模拟，系统研究了煤氧化升温过程中烟尘颗粒的释放规律及理化特性。研究发现，350–400°C温度区间内，烟尘颗粒释放量显著增加，其组成以含氧大分子有机物（占比91.6%）为主，且释放行为与煤变质程度密切相关。该研究为基于颗粒监测的煤自燃预警提供了新思路，拓展了传统气体监测技术的应用边界。

　　

煤炭作为我国主要能源，其开采过程中的自燃火灾事故占比高达85–90%，不仅造成资源浪费，还会释放CO、CO₂等有毒气体，甚至引发二次灾害。现有监测技术如束管气体法和温度传感器法存在监测盲区、信号滞后等问题，尤其在高温阶段（>250°C）精度显著下降。更棘手的是，传统小分子气体指标（如C₂H₄、C₂H₂）在100–300°C区间存在监测空白，而烟尘颗粒的释放特性与温度关联机制尚未被系统研究。

针对这一技术瓶颈，中国矿业大学的研究团队在《Fuel》发表论文，首次通过实验室模拟揭示了煤自燃过程中烟尘颗粒的释放规律与温度响应机制。研究团队搭建了烟尘颗粒采集系统，选取内蒙古平庄矿褐煤（PZ）、河北东庞矿烟煤（DP）和宁夏白芨沟无烟煤（BJG）作为样本，在250–400°C温度梯度下进行氧化加热实验。关键技术包括：1）采用聚四氟乙烯微孔滤膜（PTFE）捕获颗粒；2）结合扫描电镜（SEM）观察颗粒形貌；3）通过热重分析（TG）解析煤样燃烧特性；4）利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和气相色谱-质谱联用（GC–MS）表征颗粒化学组成。

3.1 烟尘颗粒的形态特征
SEM显示，烟尘颗粒包含1–20μm的球形液滴（气相冷凝产物）和不规则固体颗粒（焦炭碎片）。烟煤（DP）在400°C时颗粒密度最高，滤膜呈黑褐色；褐煤（PZ）在350°C开始释放淡黄色颗粒；无烟煤（BJG）则需400°C才出现轻微变色。能谱分析（EDS）证实颗粒中碳、氧元素占比超90%，钙等矿物元素伴随存在。

3.2 化学结构特性
FTIR分析表明，滤膜富集的有机物91.6%为酚类、醚类和酯类含氧结构（1000–1300 cm^?1），脂肪烃（2800–3000 cm^?1）仅占3.6%。极性大分子物质易与滤膜纤维发生物理吸附或化学键合，而低沸点小分子（如芳烃）因挥发性强难以富集。

3.3 颗粒组分测试
GC–MS检测到滤膜提取物中仅含少量酚类抗氧化剂（如2,2′-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)），总提取率不足5%。FTIR对比显示，二氯甲烷提取后滤膜含氧基团比例反升至95.5%，印证了高极性焦油类物质难以溶解的特性。

3.4 热动力学分析
TG曲线揭示，烟煤（DP）在325–400°C处于热解活跃期，表面开裂释放大量有机物；褐煤（PZ）在此温度已进入燃烧阶段，部分产物被氧化消耗；无烟煤（BJG）则因结构致密，400°C时仍处于缓慢氧化增重阶段。

研究结论指出，烟尘颗粒的释放具有显著温度依赖性：350–400°C是烟煤和褐煤的活性热解窗口，释放的颗粒以含氧大分子 condensable particulate matter（CPM）为主，其组成和释放量可作为高温火区（>250°C）的温度诊断指标。该成果突破了传统气体监测法的局限，为构建“气相大分子+固相颗粒”的多维监测体系奠定理论基础。

这项研究的创新性在于：首次系统阐明了煤自燃烟尘的生成路径（氧化-热解-冷凝三相耦合），揭示了含氧功能团的温度响应规律，并为井下隐蔽火区监测提供了可量化的颗粒特征谱库。未来，结合微型化颗粒传感器开发，有望实现煤矿采空区温度的实时精准预警。