以往关于水分对煤自燃影响方面的研究，主要基于水分含量、水浸时间以及矿井水酸碱度考虑，进入深部开采阶段后，部分学者围绕高地温环境影响煤自燃发火进程也开展了相关研究，以上研究均为深部开采煤自燃防控提供了一定借鉴。然而深部开采过程中，地温升高，地热水侵蚀煤体的氧化特性必然显著区别于室温水侵蚀。因此，本文在前人研究基础上，通过低场核磁共振、分子动力学模拟、力学测试及C600微量热实验，分析了热液侵蚀作用对煤体孔隙度、孔径分布、力学强度、氧化热特征参数的影响规律，探讨了热液侵蚀作用直接和间接诱发煤自燃机制，相关研究结果可为深部开采热液侵蚀煤体自然发火早期预测及防治技术提供理论依据。
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深部开采高温热液侵蚀煤自燃特性
煤炭在我国能源消费总量中占比超56%，作为我国的主体能源，煤炭资源的安全开采和高效利用将对保障国家能源安全起到重要作用。目前我国煤炭年产量超40亿t，事故起数和死亡人数逐年下降，但事故类型日趋复杂化和多元化。我国重点煤矿中约有55%的煤层存在自然发火风险，2000年以来发生的重特大煤矿事故中火灾事故占比高达60.5%。
长期大量开采致使浅部煤炭资源逐渐枯竭，深部开采已经成为我国煤炭开发的新常态。随着开采深度的不断增加，矿井火灾事故发生的隐蔽性、复杂性、耦合性也进一步凸显。据统计，河南、安徽、山东部分深部开采矿井煤岩温度已超50 ℃，河南省内平煤十矿地热水温度长期稳定在50～52 ℃。由此可见，深部开采面临更为复杂的地质环境条件，高温矿井水侵蚀不断改变煤体物化特征进而对其氧化反应的活性和进程产生影响，当煤体周围高温矿井水通过裂隙、抽采、探放等方式被排除后，煤的氧化以及自然发火特性必然发生改变，使得煤自然发火进程更加复杂、隐蔽。因此，亟需对热液侵蚀煤体的低温氧化特性及内在机制进行深入研究。
目前已有部分学者从矿井高地温、煤体水分含量、水浸作用影响煤自燃方面开展了相关研究。DENG等通过对煤热解和氧化过程的热物性参数进行分析，发现煤的热扩散系数随温度升高而减小。文虎等通过大型自然发火实验平台分析了环境温度对煤自燃的影响，对放热强度、耗氧速率与温度之间的关系进行了理论推导，发现环境温度的升高能够显著促进煤自燃进程。马砺、马东娟等从深部高地温影响煤氧化入手，分析了煤体在地温影响下的官能团变化，其中低阶煤更易受到地温环境影响，褐煤孔隙发育和气体衍生量增加更为明显。LÜ等研究了温度以及氧气体积分数对煤氧化放热特性的影响，发现存在一个与氧体积分数相关的临界温度，可以用来衡量煤自燃风险程度。
水对煤氧化蓄热进程的影响历来是煤自燃领域的研究热点。KADIOGLU等分析了含水煤在不同风干时间条件下的氧化特性，研究表明随着风干时间的增加，煤的自燃危险性增强。XI等发现烟煤在临界含水率9.4%以下时，自燃倾向性随水分的减少而增大。徐长富等研究发现促使煤自燃发生的最优含水率为12.01%。贾廷贵等通过激光导热仪对不同含水率煤体的导热系数进行表征，发现含水率的增加使煤的热传导能力降低。煤具有疏松多孔的结构特性，内部化学结构复杂，因此在经历长时间水浸泡后必然导致其发生一定的物理、化学变化，从而影响煤自燃特性。唐一博等分析了不同水浸时长下煤的氧化热释放量和表观活化能，发现随着水浸时长的增加，煤氧化的难易程度降低。在浸水过程中，水的酸碱性也对煤自燃具有重要影响，与蒸馏水相比，碱性水浸泡后煤的氧化放热能力更强。秦波涛、朱建国等分析了水浸作用对长焰煤自燃特性的影响，发现经过水浸后煤低温氧化的气体生成量和产生率更高，交叉点温度降低。PAN等通过微量热技术分析了浸水煤在升温过程的热释放特性，发现浸水煤在水分蒸发后热释放加速度更高。SONG、XU等对煤浸水过程中表面宏观孔隙以及微观自由基物质的量浓度的变化情况进行了研究，结果表明浸水过程增加了氧气与活性中心接触的可能性，使煤的氧化蓄热过程加快。LI等分析了水分对含黄铁矿煤自燃特性的影响，发现加水后煤氧化过程活化能降低，反应进程加快。
综上所述，国内外学者已从地温、水分、水浸等角度对煤低温氧化及自然发火特性开展了系统研究，然而基于深部开采矿井水高温特性以及热液侵蚀煤体物化特性演变对煤自燃的影响研究未见相关报道，因此无法为深部开采热液侵蚀煤体的自然发火高效防治提供理论依据。针对这一研究现状，笔者将从高温矿井水侵蚀的角度入手，研究高温热液侵蚀作用对煤体孔裂隙结构、力学强度以及氧化特征参数的影响，分析高温热液侵蚀作用诱发煤自燃特性，为深部开采煤自燃防控工作提供理论参考。
深部开采过程中，矿井水温度显著高于浅部煤层，高温热液侵蚀作用影响着煤体物化特征，进而对其自然发火特性产生影响。为研究深部开采热液侵蚀作用下的煤自然发火特性及其影响机制，通过低场核磁共振、分子动力学模拟、力学测试及C600微量热实验，分析了热液侵蚀作用对煤体孔隙度、孔径分布、力学强度、氧化热特征参数的影响规律，并结合相关性分析，定量描述了各个参数间的相关度。研究结果表明：热液侵蚀煤体受热应力和溶胀作用的双重影响，内部孔隙结构发生显著变化，热液温度与煤体总孔隙度之间存在显著正相关关系，相关系数为0.97；随着热液温度的升高，煤体总孔隙度由0.24%增长至1.35%，微孔占比由69%以上降至60%以下，中孔、大孔占比增大。
煤体孔隙大小显著影响着氧气的扩散系数，随着煤体孔隙宽度的线性增加，氧气扩散系数呈指数增加；受高温热液侵蚀作用影响，煤体孔隙发育以及部分有机质的溶解显著降低了煤体的力学强度，从原煤到80 ℃热液侵蚀煤体，其抗压强度均值由23 MPa降低至11.6 MPa，降低了50%；相较于原煤，热液侵蚀煤体的放热强度更高，放热量更大，TH40、TH50、TH60、TH70、TH80放热量分别增加了12.61%、16.63%、17.32%、19.36%和25.02%，热液温度与煤氧化放热量间相关系数为0.92。高温热液侵蚀作用显著影响着煤的孔隙度及氧化过程，随着热液温度升高，煤体孔隙度增大，力学强度减弱，氧化过程耗氧量及氧化速率加快，放热量增加。高温热液侵蚀煤具有更高的自燃危险性，且热液温度越高，风险越大。
图 1 主要实验流程
图 2 煤大分子结构及狭缝模型
图 3 C600 微量热测试系统
图 4 热液侵蚀煤体孔隙度演变
图 5 煤的 T2 谱图与孔径分布关系
图 6 热液作用下煤体的孔径分布变化
图 7 氧气在煤体不同孔隙中的扩散系数
图 8 热液作用下煤体力学特性演变
图 9 热液侵蚀煤体单轴压缩过程总能量变化
图 10 热液作用下煤体力学特征参数变化
图 11 热液作用下煤氧化放热强度曲线
图 12 热液作用下煤体氧化放热差异
图 13 吸热量和放热量变化
图 14 热液侵蚀作用下煤自燃参数相关性系数
图 15 热液侵蚀诱发煤自燃机制
潘荣锟，男，博士，教授，博士生导师，河南理工大学安全科学与工程学院副院长，煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心副主任。河南省高校科技创新团队带头人、河南省杰出青年基金获得者、河南省高层次人才、全国煤炭青年科技奖获得者、河南省教育厅学术技术带头人、河南省高校青年骨干教师；《煤炭学报》青年编委、《煤矿安全》《煤炭科学技术》青年专家学术委员会委员、全国消防工程专业教学指导委员会委员、中国消防协会学术工作委员。
研究方向
火灾防治理论与应急技术
主要成果
长期针对煤炭资源开发中的热动力灾害防治相关技术难题，尤其是在深部开采煤自燃特性、采动煤体力学劣化与煤氧化损伤互馈机制、煤自燃无线监测与高效防灭火材料研发方面的相关研究取得重要进展，形成了系列的研究成果，有力推动了煤矿行业科技进步和高质量发展。主持国家自然科学基金、国家重点研发项目子课题等国家级省部级项目8项，以及企业攻关项目30余项。研究成果进行鉴定11项，研究成果达到国际领先6项；获得省部级科技进步一等奖1项、二等奖5项、三等奖3项；获得授权发明专利15项，成果转化2项，出版著作3部，发表论文80余篇，其中SCI、EI收录50余篇，高被引和热点论文3篇；主持河南省高等教育教学改革项目3项、省一流课程1项，获教学成果二等奖2项，出版规划教材2部。
来源：
潘荣锟，胡代民，贾海林，等. 深部开采高温热液侵蚀煤自燃特性[J]. 煤炭学报，2024，49(4):1906−1916.
