瓦斯抽排对煤炭自燃过程的影响：来自电学、气体学及表面微观分析的多尺度研究视角

《Fuel》：Gas drainage-induced evolution of coal spontaneous combustion: A multi-scale insight from electrical, gaseous, and surface microscopic analysis

煤瓦斯抽采诱发自热机理及表面电位预警研究 摘要：通过绝热自加热测试、FTIR和AFM分析，揭示瓦斯抽采导致煤体表面电位突变（65-72°C、130-140°C、205-213°C）及官能团（-OH、C=O、-COOH）浓度变化规律，证实孔隙粗糙度（Ra、Rq）显著增加，表明抽采负压诱发煤体氧化多尺度演化，表面电位可作为早期自热预警指标。

　　

张一楠|王恩远|刘晓飞|李中华|程建伟|孔彪|张国伟|张晓龙

中国矿业大学瓦斯与火灾控制重点实验室，江苏省徐州市221116

摘要

瓦斯抽排会在钻孔周围引入自燃风险。本研究通过绝热自热试验（气体产物和表面电位）重新评估瓦斯抽排后煤的行为，并结合FTIR分析表面化学成分和AFM分析表面形态及电位特性。结果表明，对电位信号进行多重分形分析可以识别出三个转变区间：65-72°C、130-140°C和205-213°C，这些转变比气体指数（ΔL/ΔT ≤ 1°C）更早地反映了低温氧化过程中的阶段变化。长时间瓦斯抽排后，–OH、C=O和–COOH基团分别增加了8.95%-14.5%、4.15%-6.9%和13.15%-21.5%，同时平均粗糙度（R_a）和均方根粗糙度（R_q）也显著增加，表明氧化作用加剧且多尺度孔隙-裂隙演化显著。在钻孔周围形成了氧化区、自热区和惰性区。自热区具有最高的危险性，并且有扩张趋势，因此需要动态跟踪其边界。表面电位的振荡和突变变化源于电子的重新分布和定向迁移，反映了微观结构演化与表面电化学活性之间的耦合。总体而言，表面电位提供了一种敏感且基于机制的指标，可用于早期识别风险。这些结果为开发基于表面电位的早期预警系统提供了支持，以更安全地管理采矿过程中的瓦斯-火灾耦合灾害。

引言

煤炭是中国最重要的能源来源。过去十年中，中国的年煤炭产量平均超过30亿吨[1]。随着浅层资源的枯竭，中国的煤炭开采逐渐向更深的地层进行，带来了更高的技术挑战和安全风险。开采深度的增加导致地应力增大、地热梯度升高以及煤炭碎裂加剧，从而降低了渗透性并加剧了与瓦斯相关的灾害和自燃风险[2]、[3]、[4]、[5]。随着煤层渗透性的降低，瓦斯抽排难度增加。提高抽排负压和延长抽排时间可以有效减少采空区的瓦斯排放和工作面的瓦斯积聚。然而，抽排引起的负压也会加剧通过裂隙的空气泄漏，从而促进煤炭氧化和自燃[6]。瓦斯抽排引起的自燃会显著降低抽排效率并威胁矿井安全。为了确保开采效率并有效预防自燃，有必要阐明抽排如何诱发煤炭自热和自燃的机制。

目前关于瓦斯抽排与煤炭自燃耦合灾害的研究主要集中在采空区的瓦斯抽排方案上。采空区的自燃通常是由空气泄漏条件下的残余煤炭氧化引起的。基于现场调查，潘等人将采空区划分为三个区域：富氧区（距工作面0–14米）、氧化区（14–86米）和惰性区（>86米）[7]。项等人利用澳大利亚161个瓦斯抽排钻孔的现场数据建立了一个概念模型，进一步根据气体成分的变化将氧化区细分为缓慢氧化区、加速氧化区和热量积聚区[8]。褚等人利用CFD模拟分析了不同抽排速率对采空区自燃区的影响，结果显示较高的抽排速率虽然降低了气体浓度，但由于空气泄漏增加而扩大了氧化区的宽度[9]。文等人指出，尽管减少气流和密封残余煤炭可以抑制采空区的自燃，但这些措施会阻碍瓦斯抽排并可能增加瓦斯爆炸的风险[10]。总之，现有的关于瓦斯-火灾耦合灾害的研究主要集中在宏观气体迁移行为和采空区内三个自燃区的空间分布上。尽管在理解瓦斯抽排下的采空区自燃方面取得了实质性进展，但对于抽排钻孔附近煤炭的自燃发展过程关注较少。具体而言，在受控负压和规定抽排时间条件下，抽排钻孔附近煤炭的自热演化过程仍不清楚。

清晰理解控制煤炭自热进展的主要因素对于有效预防自燃灾害至关重要。传统的机制研究主要考察了单一因素（如孔隙结构、粒度和含水量）及其对自热行为的影响[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。然而，随着开采深度的增加，自燃越来越成为一个多场耦合过程[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。特别是，深部开采引起的应力重分布和瓦斯抽排负压会改变孔隙-裂隙网络，从而影响氧气扩散和反应动力学[21]、[22]、[23]。同时，较高的地热梯度和水分渗透会改变煤炭的热湿状态和热传递，可能促进反应性官能团的转化[24]、[25]、[26]、[27]。类似地，瓦斯抽排过程中的负压会导致煤炭收缩和结构松动，重新打开封闭的裂隙并闭合微裂纹[28]。这些变化不可避免地会影响氧气传输模式和氧化热释放，从而改变煤炭自燃的进展[29]。然而，现有研究主要关注宏观气体流动和自燃行为的演化。为了减轻抽排钻孔周围煤炭的自燃，需要进行多尺度研究，重点关注孔隙结构演化、热生成行为和反应机制。

煤炭自燃的预防和控制主要依赖于监测和早期预警。围绕抽排钻孔监测自燃最常见的指标是温度和特征气体。基于温度的方法直接测量煤炭温度，并在温度超过预设阈值时触发警报[30]、[31]。基于气体的方法分析提取气体的成分以评估燃烧风险[32]。然而，在低温氧化的早期阶段，煤炭产生的热量很小，且抽排压力引起的被动气流可能会带走微量的氧化热[33]。来自抽排设备或管道的局部加热也会干扰热场，掩盖煤炭的真实自热状态[34]。气体监测还受到人为活动和周围气体来源等外部因素的影响。研究表明，即使在抽排钻孔中检测到超过10 ppm的CO浓度，这些CO也可能来自预先存在的吸附气体而非氧化作用，因此无法反映真实的燃烧进展[35]。总体而言，在瓦斯抽排环境中，气流扰动和气体混合会降低传统基于温度和气体的监测的可靠性，经常导致煤炭自热风险的遗漏或延迟检测。为了及时监测抽排钻孔周围的自燃风险，需要新的地球物理指标。这种新的指标不应作为燃烧强度的间接代理，而应基于反应机制，并能够直接表征煤炭自热的强度。

煤炭在低温氧化过程中产生的热量主要来自表面活性官能团的氧化[36]。最近的研究表明，电负性官能团的变化会改变煤炭的表面电学性质。何等人研究了不同煤阶表面电位与官能团之间的关系，发现煤炭在中观尺度上呈电中性，而在纳米尺度上带负电荷[37]。这一结论得到了后续研究的进一步验证[38]、[39]。张等人报告称，煤炭氧化过程中表面电位的演化与煤阶密切相关[40]。瓦斯抽排在钻孔周围的煤炭上施加了持续的负压边界条件，这可能会引起应力重分布和微观结构演化（如微裂纹的开闭和孔隙连通性）。这些变化会改变氧气传输和反应性表面官能团的可用性，从而影响低温氧化行为。重要的是，上述研究表明，电负性官能团的演化预计会改变煤炭的表面电学性质。因此，表面电位监测可以直接表征煤炭自热的强度，同时比传统的基于温度或气体的方法对气流扰动和气体混合的敏感性更低。将宏观氧化行为与微观结构（如活性官能团和孔隙网络）和表面电位表征相结合，可以明确抽排钻孔周围的自热机制，并为开发新的监测指标提供理论基础。

大多数关于瓦斯抽排和煤炭自燃的研究都强调了宏观气体迁移和采空区三个经典区域的空间分布。然而，抽排如何在钻孔周围触发煤炭自热的微观机制很少被探讨。此外，传统基于温度和气体的指标灵敏度有限，这凸显了需要利用基于煤炭自热基本化学原理的地球物理信号来扩展监测工具箱的必要性。

本研究旨在系统研究瓦斯抽排对煤炭自燃特性的影响。通过程序化加热实验，研究了不同抽排条件下煤炭样品的表面电位响应，并分析了电信号与常规气体指数之间的相关性。探讨了使用表面电位作为自燃指标的可行性。此外，还研究了瓦斯抽排对表面官能团和微观结构的影响，以阐明控制钻孔周围煤炭燃烧行为的物理化学机制。这项工作为开发新的基于表面电位的自燃监测技术提供了科学基础。研究结果还为改进瓦斯抽排策略和减轻瓦斯-火灾耦合灾害提供了理论指导。

部分摘录

样品制备和表征

采样来自山西省红阳煤矿的高瓦斯、易自热的煤层。在抽排之前，收集了未受影响的原始煤炭（A）；由于初始裂隙和氧气渗透有限，抽排对自热的影响很小。在抽排的中后期阶段，在距离抽排钻孔1米、2米和3米处分别进行了二次和三次采样，分别标记为M1-M3和L1-L3。所有样品均立即密封在塑料容器中。

基于气体产物的煤炭自热阶段特征

在煤炭的低温氧化过程中，不同阶段会产生多种特征气体。其中，CO可以在相对较低的温度下被检测到，是最广泛使用的自燃指示剂[41]。图3显示了不同样品在温度升高过程中的CO浓度变化。如插图所示，在起始温度以上约5°C时CO浓度最低，表明氧化开始但反应速率较低。

结论

在瓦斯抽排钻孔附近的煤炭中存在潜在的自燃风险。本研究系统地表征了原始煤炭和抽排后的煤炭在低温氧化过程中表面电位、气体产物以及表面微观结构和形态的变化。主要结论如下：

• 1.
  气体产物分析揭示了低温氧化过程中的三个关键温度——起始温度（T_i）、加速温度（T_a）和发展温度（T_d

作者贡献声明

张一楠：撰写——原始草案。王恩远：资金获取。刘晓飞：监督。李中华：验证。程建伟：监督。孔彪：监督。张国伟：验证。张晓龙：验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：52504276）、中央高校基本科研业务费（编号：2024QN11006）和江苏省优秀博士后计划（编号：2023ZB386）的财政支持。