煤田火灾防治理论与方法

针对煤田火灾地质条件复杂、燃烧面积大、煤岩温度高等特点，研究贫氧条件下煤低温氧化与高温燃烧的产热产物机理及影响因素，火区煤岩热量赋存及传递规律，煤火燃烧系统中供氧通道及动力特性，阐明大型煤田自燃机理、煤火分布及发展规律；研究烧变煤岩电磁特性及火区电磁场变化规律，复杂火区电磁场特征的正演方法，构建基于多元探测信息和联合反演的煤火燃烧位置与状态的探测理论与方法；研究不同灭火介质在火区裂隙与通道中的渗流与扩散特性及其与高温煤岩体的热量高效置换方法，构建集三相泡沫、高压水雾、稠化浆体等高效灭火技术于一体的火区综合治理新方法。通过本项目研究，建立以大型煤田自燃机理和火区发展理论为基础、以电磁法与磁法为主的火区精确定位方法为前提、以增加水浆与高温煤岩接触面积的多相介质综合灭火技术为手段的煤田火灾防治理论与方法，为高效治理现有火区并有效遏制新火区的形成提供理论指导和技术支撑。

本项目研究了贫氧条件下煤低温氧化与高温燃烧特性。通过研究煤中活性结构单元的可行反应序列，确定了贫氧环境中CO、CO2等气体产物的生成路径及氧化产热路径。基于对煤贫氧燃烧过程中质量变化及工业参数与元素含量的分析，确定煤体贫氧燃烧包括挥发分燃烧（有焰燃烧）和焦炭氧化燃烧（阴燃），提出了煤燃尽特性转变的临界氧浓度。通过煤中活性基团的恒温测试分析，发现贫氧环境中含氧基团和芳香结构决定了煤体阴燃的发展。通过构建煤田火区热流固化多场耦合数学模型，模拟了火区温度场及裂隙场的时空演化过程，得到了煤田火区温度及渗透率变化的规律：贫氧条件下高温区首先向进风侧移动，且围岩温度异常区呈椭圆形分布，顶板岩层温度异常区滞后于燃烧中心；覆岩渗透率随温度升高快速上升，达到一定温度后趋势减缓，也确定了地表覆盖层渗透率与火区熄灭的关系。.本项目研究了煤火中热致磁、电异常的原因及发生规律。磁异常的产生主要是因为磁矩在地磁场中的择优排列及磁铁矿的产生；电位异常正比于火区温度，且随埋深的增大而减小；岩石电导率的变化主要归因于载流子浓度升高与热破裂发展的耦合作用。构建了煤田火灾磁异常以及电阻率异常正演模型，确定火区磁异常主要是由于燃烧后方降温后的烧变岩引起且呈轴对称分布。提出了一种煤田火灾联合反演解释方法，基于磁异常数据和自然电位数据融合的火区综合指数来表征火区，为煤火灾害的精确探测定位和高效治理提供了理论基础与科学依据。.本项目研究了松散介质高温区及空洞火区的热量赋存、传递规律和灭火方法与技术。空洞火区的高温点分布在空洞顶部及四周内壁，松散介质区域作为主要漏风通道长期受到来自周围火区高温烟气的对流传热的影响，导致灭火降温困难。研究得出了多相灭火介质在火区煤岩中的扩散距离和灭火特性，提出了细水雾灭火降温新技术，研发了大流量、高压力车载式多功能集成灭火系统。本研究结合实际，将这些方法与技术成功应用于山西朔州矿区的煤火治理，取得了显著效果。.通过本项目的研究，出版中英文学术专著5部；发表学术论文60篇（SCI检索33篇，EI检索16篇）；授权国家发明专利13项，实用新型专利4项；获国家技术发明二等奖1项，省部级二等奖1项、三等奖1项；组织召开了“地下煤火防治与利用学术会议”，筹建了“中澳国际地下煤火防治与利用中心”，参加了5次国际会议并作报告；培养了博士7人，硕士10人。