1.课题来源与背景：

本项目内容由国家自然科学基金重点项目"煤田火区形成演化过程及灭控理论与方法研究（51134019）"、国家自然科学基金青年项目"煤田火区煤岩体热破坏及气体渗流动力学研究（51204136）"、河南省科技攻关计划项目"深部煤层隐蔽火源定位及其关键技术研究（172102310739）"综合而成。

煤田火区造成严重的环境污染和资源浪费，威胁着煤矿的安全生产，甚至导致瓦斯爆炸等重大事故的发生。随着开采强度和深度的增加，煤矿的热动力灾害成为煤火灾害防治领域关注的热点与难点，预防和控制难度不断增大。因此，深入研究煤田火区贫氧燃烧热动力学理论分析与治理指导已成为煤田火灾防治的重点问题。

2.研究目的与意义

1．确定煤田火区贫氧燃烧相关阶段性动力学参数，以及耗氧速率、放热强度、气体产生率、导热系数、比热容等关键参数与温度的关系函数；2.掌握煤田火区煤岩体在高温环境下的热破坏特性，以及煤岩体热破坏裂隙分布规律；3.掌握煤田火区煤岩体在不同围压和不同孔压下热破坏裂隙的非Darcy流渗透率，非Darcy流β因子，以及煤岩体裂隙中气体的热力渗流相关参数；4.建立煤田火区裂隙气体热力渗流动力学模型，掌握煤田火区煤岩体裂隙中气体热力渗流规律；5.优化组合煤田火区监测和探测方法，优选煤田火区特征信息参数，设计出与煤田火区治理现场相适合的治理方法，提出"以降氧为主的火区控制理论"和"以降温为主的治理方法"。

近年来，随着全球对节约能源和保护生态环境要求的逐步提升，以及我国对煤矿安全生产的高度重视，国家对煤田火区治理力度也在逐步加大。煤田火灾不仅燃烧浪费大量的宝贵资源，而且还会造成一系列的问题，如释放大量有毒有害气体和粉尘，急剧减少地表植被，引起瓦斯爆炸等。

3.主要论点与论据

（1）煤田火区贫氧燃烧分阶段热反应过程

采用C80微量热实验，研究煤的低温氧化热效应特征；采用TG-DSC同步热分析实验，研究煤在高温阶段的热效应。采用LFA457激光导热分析仪，研究煤贫氧氧化过程中的热扩散系数、比热容和导热系数随温度的变化规律。根据热反应过程的不同阶段，采用KAS等转化率法，研究煤贫氧氧化热反应过程中的表观活化能的变化规律。

（2）煤田火区煤岩体热破坏特性及气体热力渗流特性

采用MTS815.02电液三轴岩石力学实验系统和CT扫描等方法，测试和分析煤岩体在高温环境下的应力应变本构关系及其强度，以及升温过程中裂隙的产生和扩展规律、热破裂阈值。测试和分析煤岩体升温过程中在不同加载模式下热破坏裂隙的非 Darcy 流渗透率、非 Darcy 流β因子、加速度系数及渗流稳定性指数，研究煤田火区煤岩体裂隙气体的热力渗流特性。建立煤田火区煤岩体裂隙中气体热力渗流的热-固- 流耦合数学模型。

（3）煤田火区气体蔓延过程监测及发展速度预测模型

采用红外成像技术得到煤层表面温度信息，基于无线传感器网络对煤火灾害的火源与蔓延进行监测；结合煤田火区特征信息参数，提出GASA混合优化算法，并应用模式识别理论、多元信息融合理论，建立煤田火区范围和程度的反演计算方法；提出基于指标气体的煤火灾害危险程度判定指标、基于危险区域判定的隐蔽火源位置反演方法，建立煤火灾害预测的随机森林法，预测火区扩散发展速度。

（4）煤田火区治理方法与控制理论

根据煤田火区贫氧燃烧热动力发展过程的分析，通过理论分析、实验研究和现场监测，确定煤氧复合放热的关键环节，提出以降氧为主的煤田火灾控制理论，抑制火区热量产生；根据煤田火区非控燃烧机制，研究高温煤体散热和蓄热的关键环节，提出以降温为主的煤田火区治理理论，降低火区能量。

4.主要创新点

（1）.掌握了煤田火区贫氧燃烧过程中的分阶段放热特性；

（2）.揭示了煤田火区煤岩体在不同环境条件下的热破坏特性与渗流特性；

（3）.建立了煤田火区蔓延过程及发展速度预测模型；4.提出了相关煤田火区的防治理论与控制方法。

5.经济效益：

项目成果应用于内蒙古伊泰集团纳林庙煤矿、凯达煤矿、内蒙古博源煤化工有限责任公司湾图沟煤矿、陕煤陕北矿业韩家湾煤矿、国家能源集团准能集团黑岱沟煤矿、山西铺龙湾煤矿后，在2016年~2019年保证了煤炭的安全开采，按矿井工作面每年新增原煤产量计算，共增产量近150万吨，按照实际煤价计算新增销售额，吨煤成本按实际计算，按照实际利润率计算新增利润，税收按照17%计算，则2016～2019年间新增税额近亿元，项目所提供的防灭火方法降低了防灭火成本，间接效益巨大。

6.成果简介

煤火灾害是全球共同面临的灾害问题，严重影响煤炭资源的可持续发展，已成为涉及生态环境保护、安全生产管理和煤炭资源保护的重大灾害之一。本项目基于煤田火区的贫氧氧化的自然发火特性，系统性采用自然发火热特性测试技术、热动力学特性分析、多场耦合模拟技术等手段，针对煤田火区贫氧氧化的特征，对多场耦合作用下自然发火的热效应进行研究。研究成果为煤田火区的治理提供理论基础。