《Powder Technology》：Investigation on the evolution of pore and fracture structures in different forms during coal spontaneous combustion and their influence on seepage characteristics
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煤自燃风险评估基于孔隙-裂隙结构形貌与三维CT重建及COMSOL模拟的关联性研究。采用CT扫描获取四组不同温度煤样的孔隙-裂隙三维模型，结合形状因子参数分析（ Feret直径及形貌特征）与COMSOL流场模拟，揭示200℃时形因子>1000的复杂裂隙网络（占比0.98）可形成110m/s峰值渗透速率，显著促进氧气迁移与煤氧化自燃。研究成果为工程实践中的煤自燃风险判别提供结构形态量化依据。
Fuqian Wan|Wei Liu|Tiannan Li|Yujun Zhou|Ruilin Li|Shiyang Peng
中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083，中国
摘要
空气在煤炭自燃过程中起着关键作用，然而煤炭内部不同孔隙-裂隙结构对空气渗透的影响机制尚不清楚。为了解决这一问题，本研究引入了形状因子参数，并提出了一种结合CT图像三维重建和数值模拟的方法，用于研究空气在孔隙和裂隙结构中的渗透特性。通过X射线CT扫描获得了四种不同温度条件下煤样的图像数据。利用AVIZO软件构建了三维孔隙-裂隙结构模型，对孔隙-裂隙特性（如Fretter直径和形状因子）进行了定性和定量分析。随后，开发了AVIZO-COMSOL数据接口来研究该模型的流动特性，揭示了不同孔隙-裂隙形态对煤炭内部流动模式的影响。研究结果表明：（1）在200°C时，形状因子大于1000的裂隙占主导地位，形成了复杂的相互连接的通道，促进了空气的快速传输，加剧了煤炭的氧化和自燃倾向；（2）在200°C时，煤炭的连通性达到最大值0.98，导致渗透速度达到110 m/s，为煤炭自燃创造了最佳氧气传输条件；（3）特征形状因子为3588.1的裂隙对渗透性贡献最大，显著增强了空气渗透和煤炭-氧气反应，从而加速了煤炭自燃。这些发现为通过评估裂隙形态来评估煤炭自燃风险提供了依据。
引言
煤炭作为一种重要的化石燃料，在全球经济和社会发展中发挥着关键作用[1,2]。在煤炭开采和储存过程中，采空区的残留煤炭会与空气发生缓慢的氧化反应，释放热量[3,4]。如果这些热量得不到有效控制并逐渐积累，可能会导致煤炭自燃，从而引发人员伤亡、财产损失和环境污染等严重后果[5],[6],[7]。同时，煤炭是一种复杂的天然多孔介质，包含各种空间分布的孔隙和裂隙结构[8,9]。在煤炭自燃过程中，氧化反应和水分挥发会改变内部孔隙的数量和形态[10,11]。孔隙-裂隙结构是气体在煤炭中储存和迁移的主要空间，其形状、大小和连通性特征直接影响气体的渗透行为和迁移机制，进而影响煤炭自燃过程。因此，研究孔隙和裂隙的形态和连通性特征对于理解煤炭自燃的发展至关重要。
关于煤炭内部孔隙和裂隙结构的研究主要采用三种方法。第一种是流体注入法，即在特定压力下向煤样中注入二氧化碳、液氮或汞等流体[12,13]。根据吸附-解吸理论，毛细力会在吸附曲线和解吸曲线之间产生“滞后环”。Xu等人[14]通过低温氮吸附发现，由微波辅助氧化产生的次级裂隙容易被矿物碎屑堵塞，这导致微孔体积、比表面积和分形维数D?同时减小，表明氧化过程简化了原始孔隙网络。第二种方法是微观观察技术，如扫描电子显微镜（SEM）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）等设备，可以直接观察孔隙和裂隙的二维形态[15,16]。Li等人[17]利用SEM评估了微波辅助氧化对煤炭物理结构的影响，发现氧化后的煤表面变得更加多孔，并形成了交织的裂隙。第三种方法是X射线和光谱技术，如CT扫描和小角X射线散射（SAXS）[18],[19],[20]。Wang等人[21]利用CT扫描重建了煤炭裂隙的三维结构，并根据形状因子（球形、管状、通道状、裂缝状和平坦裂隙）将裂隙分为五类，并系统地确定了它们的直径参数。
目前，许多研究人员已经研究了具有不同特性的孔隙和裂隙对渗透行为的影响。Ni等人[22]结合零值法和MATLAB软件计算了多尺度裂隙的渗透性，表明它们对煤层渗透性的贡献顺序为毫米级裂隙、微裂隙和渗透裂隙。Li等人[23]使用盒计数方法量化了微裂隙网络的复杂性，分析了不同类型煤裂隙对渗透性的影响，并确定长度为498.26 μm的裂隙是煤炭中的主要流动通道。Liu等人[24]根据孔隙率分形维数、喉部曲率分形维数和最大孔径等结构参数表征了煤炭的微观孔隙结构，强调最大孔径是控制渗透性的关键因素。Hou等人[25]通过脉冲气体压裂有效提高了低渗透性煤炭的孔隙率，从而提高了其渗透性。尽管上述研究在微观和介观尺度上对流动通道影响渗透性的机制进行了深入分析，但基于真实煤炭孔隙-裂隙结构的进一步研究，系统地整合不同孔隙和裂隙形状与渗透性之间的关系仍有所欠缺。
在这项工作中，我们引入了形状因子的概念，并利用AVIZO 3D重建技术来表征煤炭自燃过程中孔隙-裂隙结构、Fretter直径和形状因子的变化。随后，基于AVIZO 3D重建得到的连通孔隙-裂隙模型进行了COMSOL渗透模拟，系统分析了不同孔隙-裂隙形态对煤炭体内渗透模式的影响。这些研究成果可以应用于工程实践中，通过评估裂隙形态来评估煤炭自燃倾向，为煤炭火灾预防和控制提供参考。
部分摘录
CT扫描和图像处理
实验使用了来自中国山东省东滩煤矿的烟煤样品。煤样的工业分析结果见表1。通过钻孔和砂纸抛光制备了直径为5 mm、高度为10 mm的圆柱形试样，用于X射线CT扫描。选择了四个最佳的煤样，并在60°C的真空条件下干燥48小时以完全去除水分。冷却至室温（25°C）后，将样品密封并储存
孔隙-裂隙连通性评估
从CT图像重建的三维裂隙模型及其截面图如图5所示。在使用“体积渲染”对孔隙和裂隙进行三维体积渲染时，相邻的连通区域以相同的颜色显示。因此，孔隙-裂隙的连通性在三维图像中得到体现：给定区域内相邻孔隙和裂隙被相同颜色覆盖的面积越大，连通性越好。如图5所示，在200°C时
讨论
上述研究表明，在煤炭自燃过程中，当煤体温度达到200°C时，其孔隙率、协调数和最大Fretter直径都达到最大值。这表明在该温度下，煤体的孔隙-裂隙结构发展更为显著，连通性得到增强。这极大地促进了流体（如氧气）的迁移，从而加剧了煤炭自燃（图18）。
结论
在这项工作中，利用CT三维重建技术研究了煤样中孔隙-裂隙结构、Fretter直径和形状因子的演变。基于连通孔隙-裂隙结构模型，使用COMSOL流体流动模拟软件来表征不同孔隙-裂隙形态对煤炭内部流动行为的影响。主要结论如下：
- (1)
随着温度的升高，煤炭的孔隙率和最大Fretter直径
CRediT作者贡献声明
Fuqian Wan：撰写——原始草稿，概念构思。Wei Liu：撰写——审阅与编辑，监督，方法论。Tiannan Li：方法论。Yujun Zhou：撰写——审阅与编辑。Ruilin Li：方法论。Shiyang Peng：方法论。
利益冲突声明
我们声明与提交的工作没有任何可能代表利益冲突的商业或关联利益。
致谢
作者感谢国家重点研发计划（编号：2019YFC0810801-1）的财政支持。
