《Energy》：Study on the Multi-Field Coupling Evolution Law of Coal Spontaneous Combustion–Methane Coupled Hazards in the Goaf of Ultra-Long Working Faces
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煤自燃与甲烷耦合灾害在超长工作面采空区的多场耦合演化机理及关键参数优化研究。基于理论分析、COMSOL数值模拟和现场测量，构建了整合煤氧化放热、氧气消耗、甲烷解吸与渗流耦合的三维动态模型，揭示了埋深和岩性对气体迁移的调控作用。通过参数敏感性验证和空间时间演化分析，确定最佳进尺速度4 m/d和通风体积2604 m3/min时，热-氧-甲烷-流多场协同达到最优平衡状态，为灾害防控提供量化指导。
翟耀伟|杨玉忠|吴丽云|刘世成|雷蕾|杨万里|雷俊琦|孙志鹏|彭雷
河南理工大学能源科学与工程学院，焦作454000，中国
摘要 本研究通过结合理论分析、数值模拟和现场测量的综合方法，系统地研究了超长工作面采空区中煤自燃-甲烷耦合危害的多场耦合演化过程。首次开发了一个综合数值模型，该模型整合了煤氧化热释放、氧气消耗、甲烷解吸和泄漏驱动的气体流动，以及动态工作面推进、三维分区孔隙度-渗透率结构和多物理场耦合，实现了所有物理场之间的动态相互作用和反馈。考虑了工作面埋深和顶板-底板岩性，该模型定量描述了它们对甲烷迁移和多场演化的调控作用。通过对关键模型参数进行敏感性验证，为优化推进速度和工作面空气体积等关键工程参数提供了定量指导。利用COMSOL模拟分析了在不同推进速度和工作面空气体积条件下的危害时空演化情况。结果表明，在4米/天的推进速度下，多场耦合达到了最佳平衡，氧气传输、甲烷释放和对流热传递实现了动态协调。当工作面空气体积为2604立方米/分钟时，甲烷峰值浓度显著降低，氧气和温度分布得到同步优化，实现了全局最优的多场耦合状态。本研究揭示了关键控制参数的调控机制，为超长工作面煤自燃-甲烷耦合危害风险预测、操作参数优化和精确预防提供了可靠且量化的工程指导。
引言 长期以来，中国的能源消费结构主要以煤炭为主[1],[2]。中国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭产业在保障国家能源安全和支撑经济发展方面发挥着关键作用[3],[4]。目前，中国超过90%的煤炭通过地下开采获得[5]。在地下开采过程中，煤自燃-甲烷耦合危害是最严重的威胁。这一过程造成了巨大的经济损失，并对一线工人构成了严重风险。调查数据显示，在中国的主要煤矿中，高甲烷含量的煤矿占比超过70%，其中约55%存在残余煤自燃的风险[6],[7]。在易发生自燃的煤矿中，大约45%经历了煤自燃-甲烷耦合危害[8]。在常规开采过程中必须特别关注防止采空区残余煤的自燃；否则可能发生甲烷爆炸，导致人员伤亡和经济损失。自2000年以来，中国发生了16起由煤自燃-甲烷耦合危害引发的重大甲烷爆炸事故，造成383人死亡[9]。
超长工作面相比传统工作面具有更复杂的采矿条件。由于气流路径延长、阻力增加以及难以识别的泄漏通道变化，准确量化空气泄漏率具有挑战性，这加剧了煤自燃-甲烷耦合危害的预防和控制难度[10],[11]。近年来，许多研究从多尺度、多物理场的角度探讨了煤结构演化、气体迁移以及热-甲烷-流动-固体耦合机制。刘等人系统分析了孤立工作面中涉及岩爆和煤自燃的耦合危害特征，指出应力扰动会显著促进煤温升高并放大自燃风险[12]。李等人证明，高压聚丙烯酰胺（PAM）溶液可以渗透并堵塞煤基质中的微孔，减少孔隙体积和甲烷吸附能力，其抑制效果优于氮气[13]。张等人提出了一个双孔隙各向异性水-固-力学耦合模型，揭示了应力重分布对孔隙度和渗透率的控制作用[14]。Wolf开发了一个热-水-力学耦合模型，强调了断层和坍塌带在维持煤燃烧中的关键作用[15]。夏等人表明，严重的空气泄漏会抵消通过提高渗透率或深孔密封实现的甲烷排放效率提升[16]。史等人利用数值模拟研究了不同煤层倾角下煤尘自热、自燃和点燃的演化过程，揭示了倾斜空间结构对热量积累和点燃条件的控制作用[17]。
在通风-气体相互作用方面，马等人证明不同的通风和甲烷生成条件会显著改变复合危害区的范围和强度，进一步强调了多场耦合机制在风险预测中的关键作用[18]。李等人发现气流强度直接影响采空区内的甲烷迁移特性[19]。楚等人发现，尽管上隅角的甲烷排放改善了甲烷分布，但也可能加剧火灾-甲烷耦合的潜在风险[20]。曹的模拟分析进一步表明，采矿引起的裂隙网络决定了甲烷富集区的分布及相关爆炸风险[21]。此外，Taraba等人通过计算流体动力学（CFD）模拟表明，工作面的推进速度显著改变了空气泄漏路径和热量积累模式，从而影响煤氧化强度[22]。刘等人阐明了倾斜长壁板中气流与残余煤热量散发之间的耦合机制如何促进自燃演化[23]。刘等人还指出，向采空区注入冷却氮气可以同时实现温度降低、氧气隔离和气体稀释的耦合缓解效果，从而有效抑制煤自燃风险[24]。杨等人系统揭示了采空区中氧气供应、气体积累和氧化引起的温度升高之间的耦合关系，并基于沿采空区保留巷道的Y型通风配置，确定了易发生煤自燃区域的时空分布特征[25]。
除了甲烷-热耦合研究外，一些研究人员还探讨了宏观风险评估和系统优化。李等人利用模糊层次分析过程和贝叶斯网络提出了煤矿甲烷爆炸风险评估方法，揭示了主要危害因素及其概率关系[26]。徐等人开发了一个综合绿色采矿、甲烷控制和生态恢复的协同模型，为实现安全、经济和可持续发展提供了新方法[27]。陈关于贵州西部煤田原位应力特征的研究表明，不均匀的应力分布直接控制了煤层甲烷的分布和水力压裂的效果[28]。
尽管近年来在采空区煤自燃-甲烷耦合危害方面进行了大量研究，但大多数现有研究仅关注单一物理场或部分两场耦合过程，如渗流演化、气体迁移模式或煤温变化。因此，对于采空区内热场、流场、氧场和气场之间的非线性耦合机制及其时空协调演化缺乏系统理解。特别是在连续推进的工作面条件下，缺乏一个统一的描述框架来表征空气泄漏路径的重新配置、氧气供应的重新分布以及由推进速度变化引起的气体释放响应之间的耦合关系。此外，作为关键控制参数的工作面空气体积，其综合效应对多场耦合强度以及危险区域的形成和演化路径的影响尚未得到定量描述。
现有的数值模型尚未同时考虑煤氧化热释放、氧气消耗、气体解吸和气流动态的耦合反馈过程。此外，它们对可控制的操作参数（如推进速度和工作面空气体积）的响应能力有限，这限制了它们在耦合危害预测和操作参数优化方面的实际应用。
对于超长工作面采空区，本研究开发了一个综合数值模型，该模型整合了动态推进效应、三维分区孔隙度-渗透率结构和多物理场耦合，实现了煤氧化热释放、氧气消耗、甲烷解吸和空气泄漏流动之间的动态耦合和反馈。该模型明确考虑了推进速度和通风空气体积的影响，并在机制层面上揭示了这些关键参数对采空区耦合危害演化的协同调控作用。基于COMSOL数值模拟，并结合理论分析和现场测量验证，系统描述了采空区内热-氧-甲烷-流动多场耦合的时空演化特征。结果清晰地确定了最小化多场耦合风险的控制参数范围，为风险预测、参数优化以及超长工作面采空区煤自燃-甲烷耦合危害的精确预防和控制提供了定量和实用的工程指导。
工程概述 本研究聚焦于某特定矿山Ji-15煤层的工作面。该煤层位于二叠纪山西组，具有稳定性，平均厚度为5.0米，倾角为3°–5.1°，属于近乎水平的厚煤层。工作面采用长壁后退采矿方法，采用U型通风系统，提供2204立方米/分钟的空气体积。工作面的最大顶板控制距离为8.03米。进风巷道具有
煤自燃-甲烷耦合灾害的危险区域 采空区自燃三个区域的划分标准包括氧气浓度、空气泄漏速度和温度。在本研究中，氧气浓度被选为分区的主要标准。甲烷爆炸取决于甲烷浓度、氧气浓度和点燃温度等因素。由于采空区内的气体环境复杂多变，其他可燃气体的存在会扩大潜在风险
结论 本研究系统研究了超长工作面采空区中煤自燃-甲烷耦合危害的多物理场耦合演化过程，特别关注推进速度和工作面空气体积对热-氧-甲烷-流动响应的调控机制。阐明了推进速度和工作面空气体积对多物理场演化的主要控制作用。
作者贡献声明 杨玉忠： 资金获取、概念构思。翟耀伟： 撰写——初稿。孙志鹏： 验证。雷俊琦： 概念构思。彭雷： 正式分析。刘世成： 方法论、数据管理。吴丽云： 撰写——审稿与编辑、调查。杨万里： 正式分析、概念构思。雷蕾： 监督、方法论
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本手稿中的工作。
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢 本研究得到了
国家自然科学基金 （编号：52374196）和
河南省自然科学基金 （编号：232300420080）的资助。我们感谢LetPub（
www.letpub.com.cn 在准备本手稿期间提供的语言协助。
