综合报告

研究背景与作者信息

本文是由 Bobo Song、Xiaowei Zhai、Teng Ma、Bo Wang 等学者共同完成的研究，主要隶属于 Xi’an University of Science and Technology 的 School of Safety Science and Engineering，以及 Mine Emergency Rescue Innovation Team。这篇论文发表在《Energy》期刊第 274 卷（2023），DOI 为 10.1016/j.energy.2023.127449。文章在线发表日期为 2023 年 4 月 5 日。

文章的研究主题为分析不同变质程度烟煤在水浸处理中的孔隙结构变化及其对煤自燃倾向的影响。这一研究通过实验揭示了水浸处理对煤孔隙形态及参数的影响，也系统性地探讨了这些变化在煤低温氧化和微观结构转化中的意义。

研究背景与目的

煤层自然发火是中西部多层煤矿中常见的灾害之一，特别是在停滞水被排干后，长时间水泡后的残煤在干燥后容易发生自燃现象。为了解决这一问题，学界关注水分作用对煤自燃行为的关键影响。

基于过往研究，水分对煤氧化反应具有双重作用。一方面，水分可能通过增强自由基活性或形成过氧化物复合物加速氧化；另一方面，水分的存在可能阻碍氧气进入，延迟氧化。近年来，“干燥-水浸煤（Dried Water-Immersed Coal，DWIC）”成为研究热点，因为这类煤在去水干燥后其自燃倾向明显高于未处理煤。这些现象背后的核心原因，即水浸对煤微观孔隙结构的改性效应，仍未得到充分揭示。尤其，目前研究尚缺少系统地以煤变质程度为变量，分析水浸对孔隙结构转化的综合研究。因此本研究旨在深入揭示水浸过程对不同煤变质程度孔隙结构及分形维数的影响规律，完善对 DWIC 自燃灾害机理的认识。

研究方法与实验流程

1. 样品制备

研究采用了八种不同变质程度的烟煤，包含长焰煤（Yanghuopan），不粘煤（Selian），弱粘煤（Wangwa），气煤（Luning），肥煤（Yitian），主焦煤（Huainan），瘦煤（Xiayukou），瘦长焰煤（Cilinshan）。这八种煤按变质程度从低到高排列，分别简称为 YHP、SL、WW、LN、YT、HN、XYK、CLS。实验对煤样进行了以下处理：
- 去除表面氧化层后，将煤样研磨至小于 200 目颗粒。
- 各煤样分为两组，一组保存为原煤（Raw Coal，RC），另一组在室温下水浸 30 天后过滤干燥，作为 DWIC 的代表样本。处理后样品在真空干燥箱中以 30°C 干燥 72 小时，共制备 16 组样本。

2. 低温氮气吸附实验

实验采用 ASAP2020 比表面积和孔隙分析仪（Micromeritics, Norcross GA, USA）。为排除影响因素，样品预处理包括多阶段控温加热脱气（最高加热至 110°C），之后采用 77 K 氮气注入样品，测试不同压力下样品的氮气吸附/脱附等温线，描述孔径分布特征。

3. 分形维数计算

基于氮气吸附数据，应用 Frenkel-Halsey-Hill (FHH) 模型计算孔隙的分形维数 d，其分为表面分形（d₁，压力范围 0–0.45）和结构分形（d₂，压力范围 0.45–1.0）。研究选择切线斜率和方程方法（d = a + 3）计算维数参数，并对低压与高压区域分别回归分析。

研究结果与解读

1. 孔隙吸附机制

RC 和 DWIC 的氮气吸附等温线均表现为从微孔填充到单层、多层吸附以及毛细冷凝的转变。数据显示：
- RC 和 DWIC 的吸附能力随变质程度的增加先降低后增加。
- 水浸煤的氮气吸附能力普遍低于 RC，表明水浸降低了比表面积，从而减弱吸附能力。

从等温线形状看，煤孔隙具连续孔道系统，其结构从纳米级孔至大孔无明显断层。增长速率较慢、磁滞回线宽度较小的煤样孔隙形态较封闭，而增长速率均匀且回线清晰煤样，表明其孔隙具有较好开放性。

2. 煤孔隙参数变化

水浸对孔隙结构的影响总结如下：
- 比表面积：RC 的比表面积范围为 2.0036–2.9350 m²/g，而 DWIC 为 1.5700–2.6889 m²/g，表明水浸减少比表面积。
- 总孔隙体积：DWIC 的总孔体积大于 RC（0.003824–0.02097 cm³/g），水浸使更多孔隙联通。
- 平均孔径：水浸导致平均孔径增加，以中等变质程度煤增幅最显著（DWIC：9.78233–18.00935 nm）。

这表明水浸一方面溶解煤中溶质并生成新孔，另一方面通过孔隙膨胀引发孔径增大，使微孔减少且联通性改善。这种变化可能增强煤中气体迁移的扩散性，加速氧化过程，增加矿井燃气排放风险。

3. 分形维数分布规律

• 表面分形 d₁：随变质程度先增加后降低，表明低变质煤表面粗糙性中等变质煤最高。
  
• 结构分形 d₂：随变质程度先降低后升高，高变质煤内部形成更复杂结构。
  
• 水浸对分形维数影响体现了复杂性，将低、高变质煤表现为表面粗糙度降低，内部结构复杂性增加，而中级变质煤的分形变化方向相反。

4. 水浸作用特性

新生成的孔隙（尤其是溶解作用下的）推动 d₁ 增加，而膨胀带来的孔隙结构修正提升 d₂，从而产生上述复杂变化。

研究价值与意义

本研究系统揭示了八种变质程度煤样在水浸处理后孔隙特性变化规律，这是首次综合分析水浸对煤孔隙参数与分形维数双重作用的研究。研究不仅完善了煤微观孔隙结构理论，同时为煤矿自燃危险预测及气体迁移控制提供了理论依据。特别是对于涉水煤矿灾害分析设计和防治策略制定具有重要指导意义。

研究亮点

1. 首次系统性比较了水浸对不同变质程度煤在孔隙结构和分形参数上的影响。
   
2. 展现了中等变质煤孔径变化最显著的规律，补充变质程度与自燃风险的内在联系。
   
3. 提出了一种综合实验方法，将氮吸附曲线数据与分形维数模型计算紧密结合，揭示了煤孔内部复杂非线性特性。
   

结语

本研究对煤变质程度与水浸改性机制具有理论与应用的双重价值，为理解煤微孔结构在矿井灾害演变过程中的复杂动力学提供了新的视角。