火成岩侵入对煤物化结构与低温氧化的影响机制

摘要

火成岩侵入的煤层更易自然发火，这与岩浆对煤物理化学结构的改造密切相关，因此需探究火成岩侵入对煤体物化结构与低温氧化的内在影响机制.首先，基于氮气、二氧化碳等温吸附和傅里叶红外光谱测试研究了火成岩侵入区构造煤的孔隙结构和化学结构特征，岩浆的接触变质作用比热变质作用对煤体结构的改造程度更高；受接触变质作用影响煤样比表面积增涨了237.6%,其孔隙表面粗糙度和孔隙网络复杂度均升高，煤中芳香环、含氧官能团和脂肪烃含量降低，羟基和矿物含量升高，其化学结构特征参数均增大.其次，结合含瓦斯煤体程序升温试验与颗粒煤瓦斯外扩散数值模拟探究了甲烷与氧气的置换过程，结果显示岩浆的热变质作用强化了煤中甲烷与氧气的置换，但接触变质作用延缓了两者的置换；提出了一种定量计算煤物理吸氧量和化学吸氧量的新方法，并分析了煤中氧气的物理-化学吸附的转变过程，经历岩浆变质作用的煤样表现出较高的物理吸氧量，受热变质作用影响煤样的物理-化学吸附主控转变温度最低仅有55.22℃,降低了近20℃;基于阿伦尼乌斯公式和化学反应速率公式准确计算了煤-氧反应的表观活化能，热变质作用降低了煤-氧反应的表观活化能，而接触变质作用使表观活化能比正常煤样更高.最后，使用灰色关联分析探究了构造煤物化结构与其低温氧化的相关性，分析得到：构造煤孔隙表面粗糙度、孔隙网络复杂度以及支链化程度的提高，不仅促进了煤体内部甲烷与氧气的置换，使得低温氧化过程更快地由物理吸附主控转变为化学吸附主控，而且促使芳香烃断裂形成了更多长度更短的支链，致使煤与氧气反应的活化能降低，易于演变成强烈的氧化反应.

关键词

火成岩 / 物理化学结构 / 甲烷-氧气置换 / 物理-化学吸附转变 / 表观活化能