煤田地质与勘探

作者：张雷林, 李婉婷, 文辰辰,

关键词：煤自燃, 孔隙结构, 官能团, 标志性气体, 特征温度点, 煤矿采空区,

目的针对深部矿井采空区火区治理中低氧与惰化技术存在的科学盲区——经高温、低氧或惰性气体作用后的煤体易引发复燃的防控瓶颈问题，系统探究不同气氛热处理条件下煤体物理化学结构演化对自燃活化行为的影响机制，为采空区火区治理与安全启封提供理论支撑。方法以安徽省朱集东煤矿气煤为研究对象，通过傅里叶变换红外光谱、比表面积与孔径分析、导热性能测试及热重分析等手段，系统研究了13% O2、N2和CO2 3种气氛热处理煤的化学官能团演化与孔隙结构变化特征，结合低温氧化实验，监测CO、C2H4等指示气体释放规律、耗氧速率及放热强度，并通过动力学参数反演定量评估煤体自燃活化能变化。结果和结论红外光谱分析显示，不同气氛热处理后的煤样，―OH含量明显降低，C―O和C=O的含量显著增加，其中CO2气氛下的官能团重构效果最为突出，分别增加5.93%和2.89%。孔隙结构分析显示，热处理煤样的孔体积和微孔比表面积明显增加，提升至1.56 m2/g，孔隙连通性改善。特别地，CO2气氛处理组在2~50 nm孔径范围内的孔隙发育最为显著，微孔体积增加了0.3 μL/g，比表面积达到1.56 m2/g，N2处理组次之，13% O2处理组最小。热物性和低温氧化特性测试结果显示，处理后煤样的导热性能普遍提升，低温氧化活性明显增强。具体表现为CO和C2H4的体积分数显著升高，耗氧速率加快，热释放强度增大。动力学分析表明，13% O2、N2和CO2 3种气氛热处理后的煤样表观活化能分别降低了8.3%、17.6%和21.6%。热重分析进一步证实，处理后煤样的活性温度t3降低2~11 ℃，t3~t5阶段的质量损失率依次为CO2处理组>N2处理组>13% O2处理组。研究表明，惰性气氛热处理(尤其CO2)虽能短期抑氧，却会增强煤体自燃倾向。工程上建议采用N2或N2-CO2协同注入，并辅以温控、隔热和抑火剂措施，构建多元防复燃防控体系，以提升采空区火区治理的安全性与长期稳定性。

来源：2025年第11期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

查看煤田地质与勘探杂志2025年第11期