煤层火灾是一种严重的矿山灾害,每年造成严重的安全及资源损失问题。本研究通过理论分析、实验研究和数值模拟,对液氮与液态二氧化碳混合制备干冰颗粒组成气-液-固三相混合物体系的形成机理及对煤炭自燃火灾的灭火性能进行研究。首先,理论研究了液氮和液态二氧化碳深冷制备干冰颗粒的成核、结晶机理与动力学。通过PR状态方程和范德瓦尔混合规则,进行气-固平衡计算,得出较为准确的CO2凝华温度方程;在N2-CO2的二元混合系中,CO2凝华温度与CO2浓度和系统压力成正比,均相成核过程中气相与固相之间的吉布斯自由能差作为气-固相变的驱动力,使得气态二氧化碳凝华生成固体干冰小颗粒;通过经典成核理论,得出CO2成核率的关联式及干冰晶体的生成和成长规律。其次,通过自建干冰制备系统实验台与可视化CO2相变特征测试,分析不同注输比例、不同管路夹角及不同长度管路混合时管内压力及温度变化情况,分析了其相态变化及传热特性。结果表明:二氧化碳注输浓度增大,液氮注输流量增大,管路夹角增大,管路长度减小时,凝华温度相应增大,凝华发生时间提前,凝华量增多,更容易生成干冰小颗粒。随着气流流动,管路中凝华层厚度增加并不断向管路上部扩散,在喷射动力液氮的流动携带下喷出雪花状的干冰颗粒。再次,通过fluent软件对N2-CO2在不同比例及不同管路类型中的混合特性进行模拟,与实验结果进行对比分析,结果表明:随着N2与CO2比例及管路夹角的增大,流体流速增大,温度下降速率加快,管路中干冰生成体积分数增多,与实验结果基本吻合。最后,通过高温松散煤体降温灭火实验,得到不同压注流量下实验箱中不同测点温度、CO、O2等浓度变化情况。结果表明:在LN2提供低温冷源的作用下,CO2在管道传输过程中与LN2混合,以气-固-液三相形式注入实验箱,迅速发生相变,有序结构受到破坏,气态CO2吸收大量热量,箱体中空气和煤体温度迅速下降,大流量注入时防灭火性能更佳。通过对比单独注入LN2和LCO2的防灭火效果,得出惰气浆液防灭火技术兼具LN2和LCO2防灭火优点,降温降氧效果显著,防灭火效果优于LN2和LCO2。