关于封闭火区中热分解煤的自燃特性及控制氧化方法的研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Study on spontaneous combustion characteristics and controlled oxidation method of thermal decomposition coal in closed fire area

本研究通过低温氧化实验探究热解煤的自燃特性，提出控制氧化法抑制密封火区煤的快速氧化。实验表明，热解煤的活性位点生成使临界点燃温度降低5℃，控制氧化法在23%空气和77%二氧化碳环境下使煤芯自升温降低64.85%，机制涉及活性位点消耗及二氧化碳覆盖作用。为火区安全解封提供理论支撑。

　　

杨洋|杨永亮|李金虎|王国勤|张一凡|高凯阳

中国矿业大学安全工程学院，徐州221116，中国

摘要

火区复燃通常归因于闷烧煤炭的重新氧化，但热分解煤炭（TDC）的快速氧化也构成重大危险。本研究通过低温氧化实验研究了TDC的自燃特性。基于此，提出了控制氧化方法（COM）来抑制火区密封后发生热分解的煤炭的快速氧化。结果表明，热分解过程会产生活性位点，使20克褐煤的交叉点温度（CPT）降低了5℃。在密封的火区内，也存在热分解过程，这会使得解封后快速氧化和复燃的可能性增加。为了解决这一问题，COM方法旨在逐渐消耗这些活性位点，从而降低复燃的可能性。控制氧化实验表明，23%的空气和77%的CO?构成了控制氧化方法最合适的气体氛围。在这种氛围下，煤芯的自燃温度升高幅度降低了64.85%。其机制涉及O?逐渐消耗活性位点以及CO?掩盖活性位点，从而减少反应性官能团并减缓氧化过程。研究结果阐明了密封火区复燃的关键机制，并为防止熄灭的TDC复燃提供了理论支持。

引言

中国在全球煤炭生产和消费中起着关键作用，预计煤炭在未来可预见的时间内仍将是该国的主要能源（Deng等人，2025年；Yu等人，2026年）。目前，煤炭资源的重点正逐渐向西部地区转移，这带来了新的挑战，如应对大规模煤炭火灾和确保密封火区的安全解封（Deng等人，2025年；Xu等人，2024年；Zhan等人，2025年）。针对煤炭自燃（CSC）事件，常见的策略是密封受影响区域以抑制火灾。一旦火区达到规定的解封标准，就会进行解封（Hao等人，2025年；Lu等人，2025年）。然而，解封后火灾常常会重新燃起，导致火区再次关闭。这严重影响了矿山的持续生产，造成了巨大的经济损失，甚至可能造成人员伤亡（Tang和Wang，2019年；Xu等人，2022年）。

研究人员专注于研究密封火区复燃的机制，并探索有效的策略以防止解封后的复燃。目前的共识是，煤炭仍处于闷烧状态，尚未完全熄灭。当区域解封时，由于氧气重新供应，火灾会再次发生（Su等人，2025年；Zhang等人，2025年）。解决复燃的一个核心挑战在于准确定位火区。为此，已经开发了几种检测技术来精确定位火区，例如电磁法、氡测量法和声学方法（Kong等人，2018年；Wang等人，2025年；Zhou等人，2018年）。值得注意的是，处于闷烧状态的煤炭会释放大量CO，这可能会阻碍解封标准的达成（Ma等人，2023年；Wang等人，2026年）。一些研究人员观察到这些气体在火区内迁移，可能导致解封指标的失真（Bai等人，2024年）。作为回应，研究人员改进了检测方法以提高定位精度（Kong等人，2025年；Yuan等人，2025年）。然而，除了闷烧煤炭的重新氧化外，还需要进一步研究熄灭的煤炭在解封后是否会再次自燃的可能性。这一可能性需要进一步研究，以全面解释复燃行为并制定更可靠的缓解措施。

暴露在高温、缺氧的热分解环境中会导致煤炭的物理化学结构发生显著变化（Niu等人，2024年；Shi等人，2018年），进而影响其自燃倾向。Jiang等人从自由基演化的角度研究了热解对CSC的影响（Jiang等人，2024年）。他们观察到，当热解温度达到150℃时，自由基浓度显著增加，增强了煤炭的氧化活性。在相关研究中，Yu等人通过活化能分析研究了岩浆侵入对煤炭自燃特性的影响（Yu等人，2025年）。他们的结果表明，受侵入的煤炭在低温氧化过程中表现出更低的活化能和更高的热量释放，表明其更容易自燃。基于低温氧化（LTO）实验的氧化参数，Wang等人在氮气氛围下进行了LTO实验，并得出结论：热处理的褐煤具有更强的氧化和自燃倾向（Wang等人，2022年）。支持这些发现的是，Wang等人在温度程序实验的初始阶段报告了热分解煤炭样品更高的氧气消耗量，进一步证实了热降解促进了二次自燃（Wang等人，2021年）。基于这些一致的研究结果，普遍认为热分解增强了煤炭的自燃特性。封闭火区内也存在高温和低氧环境，但专门针对封闭火区内煤炭自燃特性的研究仍然有限，需要进一步系统研究。

根据现有假设，即密封火区的复燃是由于闷烧煤炭重新获得氧气所致，学者们提出了多种安全解封火区的技术。Qin等人通过模拟采空区内的氧气和温度分布，快速定位了火源，评估了液氮注入的效果，并最终成功抑制了火灾并实现了安全解封（Qin等人，2016年）。Ma等人利用高级钻孔和灰色关联分析识别了隐藏的自燃区域（Ma等人，2024年）。通过综合管理技术，他们有效地诊断了密封区域内的隐蔽CSC隐患并完成了解封。Mei引入了一种适用于高瓦斯煤炭的双驱动灭火技术，并成功解封了一个火区（Mei，2023年）。同样，Wu等人提出了一种氧气注入监测方法，以确保火区能够成功解封，即向火区注入8-12%的O?，确保火区完全熄灭后监测两周再解封。实际应用证实了这种方法的有效性（Wu等人，2022年）。上述大多数解封火区的方法都是基于煤炭处于闷烧状态的假设。然而，对于已经熄灭的热分解煤炭的复燃，仍缺乏有效的解决方案。这一关键问题需要进一步深入研究。

封闭火区内熄灭的热分解煤炭的自燃特性尚未得到充分理解，有效的防止其复燃的策略也仍然缺乏。在本研究中，通过低温氧化实验研究了原始煤炭和热分解煤炭的交叉点温度（CPT）。基于这些发现，提出了控制氧化方法来降低密封区域内熄灭煤炭的复燃风险。通过室温氧化（RTO）实验确定了该方法的最佳气体比例。此外，还通过多组分吸附突破（MAB）实验、FTIR和ESR实验分析了控制氧化方法抑制火区复燃的机制。本研究旨在研究封闭火区内热分解煤炭的自燃特性，并补充现有的解封后复燃机制。基于此，提出了控制氧化方法来抑制封闭火区内热分解煤炭的复燃，为火区的安全解封提供了理论支持。

章节片段

煤炭样品

实验使用了来自王家塔、唐家汇、青龙寺和马底梁煤矿的四种不同煤炭样品。它们的近似分析结果总结在表1中。样品分别标记为WJT、TJH、QLS和MDL。每个样品均从工作面采集后，立即用塑料薄膜密封以防止氧化。然后将其均匀破碎并筛分至0.069–0.178毫米。随后，所有样品在40℃下干燥48小时。

低温氧化实验分析

从LTO实验得出的CPT是煤炭自燃倾向的直接指标（Niu等人，2024年；Xi等人，2025年）。图2显示了这些实验中煤芯温度的变化。结果表明，热分解煤炭的CPT显著低于原始煤炭，表明热分解后其自燃倾向增强。

结论

目前，缺乏有效的策略来防止火区解封后的煤炭复燃。在本研究中，我们通过低温氧化实验系统地比较了原始煤炭和热分解煤炭的自燃特性变化。基于这些发现，提出了控制氧化方法来降低火区煤炭的复燃风险。

未引用的参考文献

(Deng等人，2025年；Lu等人，2025年；Niu等人，2024年；Wang等人，2016年；Wang等人，2024年；Xu等人，2024年)

CRediT作者贡献声明

杨洋：撰写——初稿、方法论、概念化。杨永亮：撰写——初稿、方法论、概念化。李金虎：撰写——审阅与编辑、可视化、研究。王国勤：撰写——初稿、可视化、研究。张一凡：撰写——初稿、可视化、研究。高凯阳：撰写——初稿、可视化、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了“国家自然科学基金（编号52574293）”和安徽省教育厅优秀青年基金（2408085Y027）的支持。