本文的研究由Hetang Wang等研究人员完成，其中主要作者和研究人员分别隶属于中国矿业大学的煤炭资源与安全开采国家重点实验室（State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining）以及安全工程学院（School of Safety Engineering），研究还涉及矿井瓦斯与粉尘控制技术基础研究国家专业中心实验室（National Professional Center Laboratory of Basic Research on Mine Gas and Dust Control Technology）。研究成果发表在期刊《Process Safety and Environmental Protection》第171期（2023年），在线发布日期为2023年1月20日。
这项研究针对煤矿开采中的粉尘治理问题提出了解决方案。煤矿开采产生大量粉尘对安全和工人健康造成显著威胁，例如爆炸风险和尘肺病。因此，该研究从理论与实验两个层面提出了一项创新技术——基于液态二氧化碳循环冷浸的煤体裂解与润湿效率提高方法。这些研究旨在通过改善煤体吸水能力和润湿特性，为煤层注水粉尘防治提供新的理论基础和实践指导。
煤矿开采是全球能源供应的重要支柱，但采煤过程中的粉尘污染却对矿工健康和安全构成了严重威胁。以中国为例，尘肺病占职业病病例的80%以上，其中采矿相关病例又占尘肺病总数的一半以上。传统的煤层注水技术虽然能够在一定程度上抑制粉尘，但面对低孔隙、低渗透性煤层的复杂条件，其效果往往大打折扣。另外，传统水力压裂和酸化技术消耗大量水资源，并存在化学污染的隐患。因此，本研究通过液态二氧化碳（liquid CO2）特殊性能（如低温冷冻、相变膨胀和酸洗解堵）为基础，为煤层改造及水注粉尘防治开辟了一条新路径。研究目标是明确液态CO2裂解煤体结构与提高润湿效果的机制。
研究采用了一套实验设计严密的多步骤流程，构建了液态CO2循环冷浸自动控制实验系统。主要实验对象为采自贵州六盘水碧德腾清煤矿5号煤层的煤样，并对煤样进行了标准化处理。实验设计采用响应面分析法（response surface methodology, RSM）优化参数，并详细考察了实验条件下煤体孔隙结构、机械强度、吸水能力及润湿性能的变化。
1. 煤样制备与处理：
煤样严格按照国际标准采集，并进行了切割、抛光，最终加工为直径50 mm，高60 mm的圆柱形标准煤样。此外，还制备了粒径小于200目的煤粉，用于后续的接触角实验。
2. 实验设备与系统：
实验系统包括三部分：液态CO2与压力供应系统、低温闭合反应系统和自动控制与数据采集系统。关键设备包括高压反应容器和PLC控制装置等。
3. 实验步骤：
（1）煤样分为8组（A-H组），A组为真空饱和水处理的对照组，B组为未处理对照组。C-E组经过1-3次液态CO2循环冷浸实验，F-H组在干燥条件下重复处理。
（2）利用低场核磁共振（low-field NMR）对煤体孔隙结构做定量分析。
（3）利用MTS-YAW4206系统进行单轴压缩力学实验，分析煤样在不同实验条件下的机械性能变化。
（4）通过自然吸水法测量煤样的吸水能力，用接触角测试仪量化煤体表面润湿性能的变化。
实验设计注重液态CO2特殊性能对煤体微观结构和宏观行为的影响，结合响应面分析，细化最优实验参数。
1. 孔隙结构变化：
低场核磁共振分析表明，经过液态CO2循环冷浸处理后，各组煤样的总孔隙率有显著提升。尤其是经过三次循环冷浸后的饱和煤样，其有效孔隙率提高至实验前的3.72倍。大部分微孔（micropores）向中孔（mesopores）转化，孔隙连通性和复杂性均显著增强。这种孔隙扩展显著优化了煤体的渗透条件。
2. 机械性能变化：
煤样单轴压缩实验表明，液态CO2循环冷浸导致煤体机械强度显著下降，最大压缩强度降低至实验前的68.28%，弹性模量下降83.36%。此外，煤体的均匀性和塑性增加，脆性降低。这种性能变化对煤体变形和破碎行为的调控有直接帮助。
3. 吸水与润湿性能：
实验发现，经过液态CO2冷浸处理后，煤样的饱和吸水率最多提高了6.73倍。动态接触角测试显示，液态CO2的非极性特点使煤体表面更容易湿润，煤样的润湿性提升率最高可达0.138度/秒。酸性反应溶解了更多矿物成分，提高了煤样的内部润湿性。
研究得出以下主要结论：
除了煤层注水粉尘治理，本研究的方法还对防治煤与瓦斯突出及冲击地压具有参考价值，同时推动了二氧化碳能源资源化利用的研究进程。
本研究为煤层注水技术拓展了理论基础与实践方向，在粉尘污染防治、煤矿作业安全与环境友好型资源开发方面具有重要意义。同时，研究扩展了温室气体液化与高效资源化利用的范围，在碳中和背景下具有深远的战略价值。