在含气气氛中，压力释放过程中煤的孔结构与氧化放热耦合演化的机制

《Fuel》：Mechanism of coupled evolution of pore structure and oxidative heat release in coal during pressure-unloading in gas-containing atmosphere

孔隙结构演化与气体环境协同作用下的煤氧化热效应机制研究。

　　
本文聚焦深井开采中卸压煤体在气体环境下的孔隙演化规律及其对煤自燃的影响机制，通过多维度实验研究与理论分析，揭示了应力卸载与气体环境协同作用下的孔隙结构动态变化特征，为高应力深井煤矿瓦斯突出与煤自燃复合灾害防控提供了科学依据。研究团队以我国典型高瓦斯矿区鄂尔多斯神府煤田为样本源，针对埋深超千米、地应力峰值达45MPa的采空区煤体开展系统性研究。

在实验方法层面，创新性地构建了"三重耦合"研究体系：首先采用水钻定向取样技术获取原位应力状态下的煤岩样本，同步记录煤体卸荷过程中的应力梯度变化；其次建立低温氮吸附（LNA）动态表征平台，通过实时监测氮气吸附-脱附过程中的孔径分布演变，精准解析煤体孔隙结构的相变规律；最后开发多场耦合同步热分析（STA）系统，同步捕捉煤体氧化放热过程中的热力学参数动态变化。这种"原位取样-孔隙表征-热效应分析"三位一体的研究方法，突破了传统单一指标测试的局限性。

研究发现，初始应力加载与气体环境的复合作用诱导孔隙结构发生显著相变：卸荷过程中煤体经历"微孔增殖-中孔塌陷-大孔贯通"的三阶段演化，其中微孔（<2nm）体积占比从初始的18.7%激增至卸荷后42.3%，中孔（2-50nm）比例下降37.2%，大孔（>50nm）发育度提升2.8倍。这种孔隙结构的"梯度重构"导致比表面积（SSA）从原状煤的62.3m2/g跃升至卸荷后89.7m2/g，总孔容（TPV）增加15.6%，形成大量贯通式大孔与密集微孔的复合孔隙体系。

热力学分析揭示出氧化过程的重大转变：煤体在气体环境中的特征温度（Tc）从初始的387℃降至卸荷后的292℃，热平衡温度（Tet）下降54.3℃，而氧化焓变（ΔH）呈现双峰特征（峰值分别达-812kJ/mol和-645kJ/mol）。特别值得注意的是，煤体在CH4/N2O混合气体中（体积比1:1）的活化能（Ea）较纯氧环境降低21.8%，且表现出明显的"时间依赖效应"——氧化反应在初始30分钟内的表观活化能仅为纯氧环境的63.5%，随后迅速回升至接近正常值。这种动态变化机制与煤体孔隙结构中"氧扩散通道"的阶段性形成密切相关。

研究进一步发现，气体环境与应力状态的协同作用通过三个关键路径影响煤自燃进程：首先，卸荷产生的微裂纹网络（密度达1.2×10^5条/cm3）为气体分子（特别是CO2与CH4）的物理吸附提供了纳米级活性位点；其次，气体吸附引发煤体晶格畸变，产生局部应力集中（峰值达3.8MPa），促进有机质热解生成自由基；最后，形成的"孔隙-气体-自由基"三相耦合体系使煤体氧化达到准态反应特征，其表观反应速率常数（kapp）从纯氧环境的0.023s?1提升至混合气体中的0.047s?1。

在灾害防控应用方面，研究提出"时空双维"调控策略：在时间维度上，建立煤体氧化过程"冷启动-加速氧化-稳态燃烧"的三阶段预警模型，通过监测特征温度（Tc）与氧化熵变（ΔS）的时空演变，可提前72小时预测自燃风险；在空间维度上，针对不同应力卸荷速率（0.5-2.3MPa/h）设计的阻隔带布局方案显示，采用卸荷速率0.8MPa/h的梯度卸荷结构，可使采空区氧浓度稳定控制在15%以下，有效延缓氧化进程。

该研究突破传统认知中"应力升高抑制氧化"的单向作用理论，首次揭示出卸荷过程中"应力释放-孔隙重构-气体吸附-自由基增殖"的级联反应机制。特别在气体环境方面，创新性地提出"气体吸附诱导晶格应变"概念，发现当CH4浓度达到2.3%时，煤体晶格畸变率提升至38.6%，显著增强煤体吸附氧气的表面活性位点密度。这一发现为解释"瓦斯催化自燃"现象提供了新的理论视角。

研究团队还建立了多物理场耦合的煤体氧化数字孪生模型，通过融合地质应力场、气体浓度场和温度场的三维数据，成功预测不同卸荷路径下煤体氧化行为的演化规律。数值模拟显示，在典型深井地质条件下（埋深1500m，应力梯度2.1MPa/m），采用分阶段卸荷（先快速卸荷至30MPa，再缓慢卸荷至10MPa）可使煤体氧化风险降低42.7%，同时减少瓦斯涌出量35.2%，为现场灾害防控提供了可操作的工程参数。

该成果在理论层面构建了"应力-气体-孔隙"三元协同作用模型，在实践层面开发了基于物联网的智能监测系统，通过布置于采空区的高精度传感器阵列（采样频率达1Hz），实时监测煤体温度梯度（±0.5℃/m）、瓦斯浓度波动（±0.1%）和应力动态变化（±0.1MPa），当监测到特征温度（Tc）下降速率超过0.8℃/min且瓦斯浓度突破临界值（CH4>1.5%，N2O>0.3%）时，系统自动触发"卸荷-注浆-惰化"三位一体应急措施，成功将自燃风险指数从初始的0.87降至0.32以下。

研究特别关注深井条件下CO2/N2O的协同效应，发现当混合气体中CO2占比超过60%时，煤体氧化反应的活化能呈现非线性衰减特征（Ea=6800-152CO2%），导致氧化反应速率出现"突变点"。基于此提出的"气体组分阈值控制法"，在山西晋城某深井试验中取得显著成效：通过调节采空区气体组分，使CO2浓度稳定在62%以上，成功将煤自燃发火期从传统认知的180天延长至589天，瓦斯突出频率降低73%。

在工程应用方面，研究团队研发的"应力-气体耦合调控装置"已通过国家矿安装备认证中心检测（证书号：CNAM17-0897）。该装置集成三向应力传感器（量程0-50MPa）、多组分气体分析仪（检测精度0.01%）和温度光纤阵列（响应时间<0.5s），可实时生成采空区地质-气体-温度场耦合演化图谱。现场应用数据表明，在鄂尔多斯某年产1200万吨的智能化矿井中部署该系统后，煤自燃事故发生率下降89.3%，瓦斯突出事故减少76.5%，单次事故经济损失降低至传统防控模式的1/17。

研究还创新性地提出"孔隙重构-气体吸附-氧化放热"的链式反应阻断机制。通过向采空区注入纳米改性黏土（粒径50-100nm）与高分子吸附剂（官能团密度>0.8mmol/g），成功实现煤体孔隙结构的定向调控：使微孔（<2nm）体积占比从初始的18.7%降至6.3%，同时增加中孔（2-50nm）比例至41.2%。这种调控使煤体氧化反应的表观活化能提升至7.8kJ/mol，显著延缓氧化进程。工程试验显示，注入体积分数达2.5%的改性材料后，采空区煤体氧化发火指数从初始的0.45降至0.12，达到国际安全生产标准。

该研究对深井煤矿安全开采具有里程碑意义：首次建立"应力-气体-孔隙"三元协同作用理论框架，突破传统单一因素控制认知；创新开发智能监测与调控技术体系，实现灾害风险的主动防控；提出的孔隙重构调控技术已形成国家标准化指导文件（GB/T 38475-2022）。研究团队正基于此成果开展"深井复合灾害防控"国家重点研发计划（项目编号：2022YFC1900203），计划在5年内实现深井开采煤自燃防控技术体系的全面升级。

未来研究将重点突破三个技术瓶颈：一是建立深部地应力场与气体运移场的耦合反演模型，实现采空区地质-气体-温度场的精准预测；二是开发基于机器学习的孔隙结构演化预测系统，将预测精度提升至92%以上；三是研制新型复合防控材料，在有效吸附气体（CO2/N2O）的同时，形成致密化保护层，将煤体氧化放热速率降低至安全阈值以下。这些创新成果将为我国深井煤炭安全开采提供核心技术支撑，助力实现"双碳"目标下煤炭清洁高效利用的战略需求。