自然发火一直是困扰煤炭安全开采的主要问题,而降温和隔氧是防治煤自燃及其继发灾害的关键。近年来,随着煤化工行业的迅猛发展,液态CO2产量急增,加之其突出的降温、惰化及抑爆等特点,逐渐在各类煤层自燃火灾的治理中扮演着重要的角色。然而,由于对伴随相变发生的松散煤体内热质传输过程掌握不清,严重影响了液态CO2防灭火技术的科学施用和效果预测。为此,本文围绕松散煤体内液态CO2相变传热与传质这一过程进行了研究。取得了以下研究成果:(1)渗流是传质、传热过程的基础,针对液态CO2相变后以过热、饱和混合气体渗流的特点,采用松散煤体渗透系数测试实验装置研究了不同压力和流量下CO2的渗流压降特征,提出了基于空隙率和粒度的渗透率和非达西因子计算方法,从而揭示了 CO2混合状态气体的非线性渗流机理。(2)利用设计搭建的松散煤体内压注液态CO2降温测试系统研究了压注全过程煤体温度的变化特征,依据降温幅度和传输机制划分了相变换热、对流换热和传导换热三个降温区域。并开展了不同压力、口径及流量对相变降温半径影响的试验研究,结果表明,相变降温半径随压力、口径与流量的增大呈现不同程度的增长,并基于各单一因素与降温半径之间的关系模型,给出了多因素影响下的相变降温半径计算公式。最后对压注液N2和液态CO2的降温过程及特点进行了对比分析。(3)基于液态CO2相变传热与传质的耦合作用机制,提出了相变点热源耦合实际状态方程动态计算物性参数的方法来模拟松散煤体内液态CO2相变及热质传输过程。通过与实验数据的对比,验证了所采用模型和模拟方法的有效性。并得到了 CO2相变扩散过程中呈现突破、快速增长和稳定三个阶段性特征,确定了压力和流量为影响扩散过程的关键因素。(4)通过数值分析,研究了开放式采空区压注液态CO2时温度、CO2及O2浓度的分布变化规律,基于模拟结果,拟合得到了压注时间与降温范围及C02扩散区域的关系式。从降氧惰化的角度,提出了先“位置”后“流量”的关键参数制定策略,同时针对不同的压注位置和流量,提出了分析不同压注时间时惰化效果的理论方法。(5)最后,开发了长距离直注式液态CO2防灭火工艺及配套装备,解决了因相变形成干冰堵塞管路的问题,并在羊场湾煤矿Ⅱ020210工作面封闭火区的治理和Ⅱ020207工作面采空区煤自燃预防工作中获得了成功的应用。