《Fuel》：Thermal evolution of surface structure in Taixi anthracite under oxygen-free conditions: evidence from the Helan Mountain Coalfield, Ningxia, China
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为研究贺兰山煤田汝箕沟矿区太西无烟煤在缺氧条件下的表面结构热演化特征，研究人员采用氮气吸附-脱附分析（Brunauer-Emmett-Teller法，BET法）、显微计算机断层扫描（micro-CT）及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术手段，系统考察了30~
为研究贺兰山煤田汝箕沟矿区太西无烟煤在缺氧条件下的表面结构热演化特征，研究人员采用氮气吸附-脱附分析（Brunauer-Emmett-Teller法，BET法）、显微计算机断层扫描（micro-CT）及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术手段，系统考察了30~600°C温度范围内煤样孔隙结构、裂隙发育及官能团的演变规律。研究结果表明，缺氧条件下煤表面结构热损伤呈现显著的多尺度演化特征：30~200°C阶段发生微孔收缩及含氧官能团分解；200~400°C阶段次生孔隙网络发育，脂肪族结构裂解促进芳香化进程；400°C以上孔隙连通性大幅增加，芳香结构逐渐向有序化石墨结构演化。孔隙-裂隙-官能团的耦合演化改变了煤表面结构特征，提高了其氧化反应活性与热量积聚能力，有利于煤火灾害的发生与蔓延。该研究为理解煤火隐蔽燃烧及传播机制提供了理论基础。
**研究背景与科学问题**
煤炭作为全球重要的能源资源，其开采与利用过程中的安全问题备受关注。在中国西北地区的贺兰山煤田，蕴藏着丰富且独特的煤炭资源，其中汝箕沟矿区以出产高品质太西无烟煤（Taixi anthracite）而著称。该煤种具有低灰分、低硫分及高发热量的显著特点，在中国能源体系中占据重要地位。然而，该矿区长期遭受严重的煤火灾害侵袭，据记载煤火历史已超过300年，截至2021年区域调查及官方报告显示，矿区现存的18处活跃或新生火区影响面积逾470公顷，约有4680万吨煤炭资源受到煤火威胁，每年损失太西无烟煤约115万吨，直接经济损失近10亿元人民币。与国内外其他煤田相比，贺兰山煤田煤火具有无明确点火源、燃烧时间极长、传播方式高度复杂等独特特征，这给火灾防治工作带来了极大挑战。
煤火灾害的发生与蔓延与煤的物理化学结构密切相关。在煤火发展过程中，温度急剧升高会对煤体表面结构造成热损伤，产生大量裂隙。这些裂隙的形成、扩展与连通不仅为氧气供给提供了通道，加剧了燃烧反应，同时也加速了煤的风化氧化过程，导致资源的大量损失。值得注意的是，在地下采空区等特定区域，典型氧气体积分数为5%~18%，当氧气体积分数低于5%时，煤的氧化活性显著降低，热解反应逐渐成为主导过程。因此，深入研究缺氧条件下煤体结构的热损伤特征，对于理解煤火燃烧机理、制定有效防控措施具有重要的理论与实际意义。
现有研究在煤体结构演化方面已取得了一定进展，但仍存在明显不足。一方面，多数研究聚焦于单一尺度或有限温度区间内的结构变化，缺乏对缺氧条件下煤表面结构多尺度演化规律的系统性认识；另一方面，孔隙-裂隙网络重构与反应性官能团演化的耦合关系尚未得到统一阐释。特别地，由于太西无烟煤具有低灰低硫、高变质程度和强热稳定性的独特煤质特征，其在热入侵过程中的结构演化规律显著区别于普通烟煤和褐煤，现有研究成果难以直接适用于这一特定煤种，亟需开展针对性的实验研究。
**研究目的与核心结论**
针对上述科学问题，研究人员以中国宁夏贺兰山煤田汝箕沟矿区的太西无烟煤为研究对象，聚焦缺氧加热条件下煤表面结构的多尺度演化规律，从孔隙结构演化、裂隙发育和官能团转化三个维度展开系统研究。通过分析热入侵过程中上述三个方面的特征变化，旨在揭示煤表面结构的热损伤行为，为理解煤火隐蔽燃烧与传播机制提供理论基础，同时为贺兰山煤田煤火灾害治理提供科学依据与技术支撑。
研究结论表明，缺氧条件下太西无烟煤表面结构的热损伤呈现出清晰的多尺度演化特征，具体表现为：低温阶段（30~200°C）以微孔收缩和含氧官能团分解为主；中温阶段（200~400°C）次生孔隙网络发育，脂肪族结构裂解促进芳香化；高温阶段（400°C以上）孔隙连通性大幅增加，芳香结构向有序化石墨结构逐渐演化。孔隙、裂隙与官能团三者的耦合演化共同改变了煤表面结构，提高了煤的氧化反应活性和热量积聚能力，从而有利于煤火灾害的发生与蔓延。
**关键技术方法**
本研究涉及的核心技术方法主要包括三个方面：其一，氮气吸附-脱附分析技术，采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）法获取煤样的比表面积、孔径分布等孔隙结构参数，并运用Barrett-Joyner-Halenda（BJH）法计算平均孔径；其二，显微计算机断层扫描（micro-CT）技术，用于无损检测煤体内部裂隙结构的三维空间展布与演化特征；其三，傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，用于定性及半定量分析煤表面官能团的类型、含量及其随温度的变化规律。煤样采集自贺兰山煤田火区的新鲜太西无烟煤，经氮气气氛下密封保存、去除氧化表层后开展系列加热实验。
**研究结果**
**缺氧条件下粉煤加热过程中孔隙结构的演化**
研究人员针对30~600°C温度范围内的太西无烟煤开展了BET分析，系统考察了孔隙结构参数的演变规律。该部分研究揭示了煤体孔隙随温度升高的动态响应特征，为理解热损伤过程中孔隙网络的演化机制提供了实验依据。
**裂隙发育**
通过micro-CT扫描技术，研究人员对煤体内部裂隙网络进行了三维重构与定量表征。该研究从裂隙密度、裂隙开度、裂隙连通性等维度，揭示了缺氧热解条件下煤体裂隙的发育规律及其控制因素，阐明了热应力与内部结构耦合作用下裂隙网络的演化机制。
**官能团转化**
借助FTIR技术，研究人员系统追踪了煤表面主要官能团随温度的变化趋势。该研究明确了羟基、脂肪族烃、含氧官能团及芳香烃等各类官能团的裂解、转化与缩聚规律，建立了分子尺度结构变化与宏观物理性质演变之间的关联。
**讨论与结论**
研究人员围绕太西无烟煤在缺氧条件下的多尺度热演化问题进行了深入探讨。研究明确指出，煤表面结构的热损伤并非单一因素主导，而是孔隙结构、裂隙发育与官能团转化三者相互耦合、协同演化的结果。这种耦合效应最终改变了煤的表面物理化学性质，增强了其氧化反应活性与热量积聚能力，从而为煤火灾害的发生创造了有利条件。
在结论部分，研究人员强调：以贺兰山煤田汝箕沟矿区煤火灾害防治为目标，以代表性高品质煤种太西无烟煤为研究对象，通过实验表征与理论分析相结合，系统揭示了30~600°C缺氧条件下太西无烟煤的热损伤行为。热入侵过程中煤表面结构的动态演化，为深入理解煤火隐蔽燃烧与传播机制提供了重要的理论支撑。
