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基于改进的热辐射实验平台，划分煤辐射点火四阶段，量化辐射距离、气流速度、水分浸渍率和倾角的影响，揭示气流速度最显著，提出强化流速与氧气浓度控制及实时监测策略。
郭强|张宇涛|李雅晴|张远波|孙亚莉|李星|李哲岩
西安科技大学安全科学与工程学院，中国陕西省西安市710054
摘要
基于改进的热辐射诱导实验平台，本研究将煤在热辐射下的典型燃烧过程划分为四个阶段，并系统量化了辐射距离、气流速度、水浸没速率和辐射倾角对煤辐射诱导燃烧的影响。结果表明，增加辐射距离会降低热流密度，减缓温度上升并抑制煤与氧的复合反应；在1.0–1.5 m/s的临界范围内，气流速度显著增强反应并促进局部高温点的形成；浸水后的煤由于温度上升延迟和蒸发吸热而表现出明显的反应抑制效果；不同的辐射倾角会影响燃烧风险的空间分布。综合分析表明，气流速度是辐射燃烧过程中最显著的影响因素。因此，在封闭火区的现场处理中，有必要加强气流速度和氧气浓度的控制措施，并提高对其的实时监测。本研究为深入理解封闭火区中煤的燃烧机制以及制定针对性的预防和控制策略提供了重要参考价值。
引言
煤自燃（CSC）火灾对煤矿安全构成严重威胁。有毒气体的释放、强烈的热损伤和火势蔓延常常导致灾难性后果[1]、[2]、[3]。统计数据显示，全球煤矿火灾造成的经济损失每年超过数十亿美元，同时伴随着大量人员伤亡的风险[4]、[5]、[6]。在火势失控的情况下，封闭火区是减轻灾害影响的最有效策略[7]、[8]。然而，火区内的高温热源会向周围环境释放大量热辐射，引发“辐射诱导燃烧和火区扩张”的灾难链。非线性热传递和多场耦合效应的复杂性使得防火和控制工作变得复杂[9]、[10]。因此，研究内部热辐射对CSC的影响至关重要。这种理解对于预测火势蔓延、评估风险、开发有效的阻燃剂、指导现场操作以及最终确保矿井安全至关重要[11]。
目前关于封闭火区内CSC的研究主要集中在三个核心方向：空气-热迁移规律、氧化反应机制以及抑制技术的发展[12]、[13]、[14]、[15]。在热行为和氧化动力学方面，王等人[16]研究了煤在加热-衰减过程中的空气-热特性和氧化动力学，发现CO浓度与热流密度之间存在显著的滞后效应。张等人[17]分析了不同辐射温度和粒径条件下CSC的转化特性和动力学规律，为理解热作用下的煤氧化机制奠定了基础。在空气-热迁移和产物分布领域，张等人[18]揭示了强制对流环境中浅层高温热点向煤堆深部的迁移特性。吴等人[19]证实温度梯度驱动气体迁移和积聚，指示气体在热浮力的作用下向上迁移并与温度场协调。李等人[20]进一步指出，煤燃烧产生的热浮力效应可能导致燃烧区甲烷富集，从而引发爆炸危险。赵等人[21]阐明了CSC中高温区的形成机制、气体产物的氧气供应模式和分布规律，并区分了加热和冷却阶段的判断指标。在抑制技术研究方面，张等人[22]制备的凝胶泡沫有效延长了煤的氧化过程，并显著降低了指示气体含量和煤温，为CSC的预防和控制提供了技术支持。
值得强调的是，封闭火区作为控制CSC蔓延的重要措施，其内部环境非常复杂。在该区域进行现场实验极其危险，直接观察和测量也非常具有挑战性[23]、[24]。因此，许多学者通过数值模拟技术[25]、[26]、[27]进行了间接分析，为研究封闭火区内CSC的相关特性提供了安全可行的技术途径。在探索单一因素影响规律的过程中，史等人[28]发现倾角改变了煤尘的最低点燃温度、高温点的分布和闷烧传播路径。吴等人[29]比较了空气和O2/CO2气氛中煤尘层的自燃行为，证实氧气浓度的增加降低了煤尘的最低点燃温度，而CO2的抑制作用相对较弱。史等人[30]关注了热颗粒引起的煤尘点燃机制，明确热颗粒的温度和嵌入深度对煤尘点燃延迟时间和燃烧模式有显著调节作用。肖等人[31]采用过渡扩散模型模拟了地下煤气化（UCG）的点燃过程，并分析了温度和氧气浓度对其的影响，为研究封闭空间内煤的高温热反应提供了参考。
封闭火区的环境特性直接影响煤在热辐射作用下的点燃条件、反应速率和临界状态[32]、[33]、[34]、[35]，而该领域的研究空白导致了多起悲剧性事故：2013年，八宝煤矿的封闭火区引发了多次爆炸，造成53人死亡、17人受伤；2024年，兴安煤矿封闭采空区内的煤因热辐射和氧的耦合效应重新燃烧，导致紧急响应过程中5人死亡。这些事故表明，对封闭火区内辐射诱导点燃受环境参数调控规律的理解不足是煤矿工作安全中的一个致命缺陷。因此，开展这一领域的研究不仅是填补现有研究空白的必然要求，也是提高CSC预防和控制科学性、防止重大和极其严重事故再次发生的关键措施。
基于改进的热辐射诱导实验平台，本研究分析了多个环境变量——辐射距离、气流速度、水浸没速率和辐射倾角——对封闭火区内煤辐射诱导燃烧的影响。研究结果为管理此类区域提供了指导，有助于更深入地理解辐射诱导燃烧过程及其相关的次生灾害。这项研究支持了煤矿风险工程和过程安全有效安全措施的发展。
章节摘录
煤样采集与表征
本实验使用的煤样来自陕西省榆林市的二墩煤矿。该煤属于长焰煤。从工作面采集的煤样用塑料薄膜密封保存。在实验室中，去除了表面氧化层，并将煤样粉碎至0–0.6 mm的粒径[36]。煤样的工业分析和元素分析结果如下表1所示
典型燃烧过程阶段分析
为了从根本上理解关键环境因素如何影响煤的辐射诱导燃烧，首先需要定义煤颗粒在辐射加热下的特征燃烧阶段。图3展示了在以下条件下进行的代表性实验：辐射温度为250 ℃，煤颗粒直径为0.6 mm，辐射距离为3.0 cm，自然对流，含水量为0%，辐射倾角为0°（在辐射距离
结论
(1) 基于统一的实验平台，本研究将煤的热辐射诱导燃烧过程分为四个阶段，即蒸发干燥、氧化和热量储存、热分解以及完全燃烧成灰。同时量化了四个因素——辐射距离、气流速率、水浸没速率和辐射倾角的独立影响。
(2) 增加辐射距离可能会抑制煤与氧的复合反应。当气流
作者贡献声明
郭强：撰写——原始草稿，方法论设计。张宇涛：撰写——审稿与编辑，监督。李雅晴：。张远波：资金获取，正式分析。孙亚莉：概念构思。李星：实验研究。李哲岩：可视化处理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52574273）、陕西省杰出青年科学基金计划（项目编号：2025JC-JCQN-024）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2025JC-YBQN-467）、陕西省博士后科学基金（项目编号：2023BSHEDZZ299）、中国博士后科学基金（项目编号：2023M742817）以及CPSF博士后奖学金计划（项目编号：GZC20232138）的支持。
