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[摘 要]本文采用理论和实践相结合的方法，运用燃烧学、流体力学、岩石力学等理论知识，对煤田火区煤层燃烧机理及特征进行探讨。提出在煤田火区的燃烧机理与特性方面，应通过建立物理模型，分析煤的挥发份燃烧和碳燃烧的机理，为煤田火区火势规模大小的分类提供依据，并分析煤田火区自燃的地质特性，为后续的研究提供理论基础。
[关键词]煤田；火区；碳燃烧；成因机理
中图分类号：TM218 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0312-01
1 引言
燃烧现象是物理和化学过程相互作用的结果，虽然燃烧基本上是一个化学反应过程，但也是物理过程，特别是能量，动量和质量交换，在燃烧系统中也起着重要作用，由于燃烧反应的速率不仅与化学动力学因素有关，而且还与反应体系内质量和能量的输运有密切关系，这种输运取决于系统的宏观运动以及系统内微观运动所引起的热传导和扩散现象。
近年来，对燃烧过程的物理模型的研究，己经不再局限于应用己有的经典模型，而更多的是寻求对模型的建模方法，封闭模型和计算方法等各方面进行改进；其研究手段也在从工程方法向科学方法转换，即从经验的唯象的方法向机理性的基础的方法轉化。各种精细的湍流模拟和实验方法，如直接模拟和激光粒子图像速度场仪测量等，被大量的引入到探索多相湍流燃烧的机理和获得模型封闭所需要的基本参数中来同时，很多新的模型和模化方法也涌现出来，如概率密度函数方法等，这些模型和模拟方法较传统的计算流体力学方法和湍流模式有着本质上的区别，具有良好的发展前景，就所关注的物理问题来看，也逐渐深入到颗粒对流体的反向藕合作用。
2 煤田火区煤燃烧概述
煤田火区的燃烧物质是煤，煤是人类早已使用的固体燃料，但由于煤燃烧的复杂性，以及以前工业生产也没有提出对煤的燃烧进行深入细致研究的必要，因而，人们对煤的燃烧机理和规律的了解大大落后于对油的燃烧规律的了解，只是到了二十世纪七十年代，由于煤在燃料工业中地位上升，人们对煤的研究才活跃起来，现在不只是研究一般锅炉中煤的燃烧问题，而且各种煤粉强化燃烧装置出现了，如MHD发电机被称之为烧煤的地面火箭；用高温的等离子体点燃粉煤，可以使煤粉温度骤然升高到几千度的高温，使煤粉的点燃极为容易，煤和油混合形成COM燃料以及煤的液化气化等项研究工作也开展得很广泛，煤田火区的煤在加热升温时，将发生很复杂的过程。首先是煤层变软，成为塑性状态，同时不断地释放出挥发份，一般来说，逸出挥发份的量和挥发份的组分是对煤层加热温度的函数，挥发份放出之后剩余的固体称之为炭或残碳，挥发份将在碳层外围空间燃烧，形成空间气相火焰，而碳将与气相氧化剂发生气一固两相燃烧。
3 煤田火区燃烧的热解分析
3.1 研究现状
煤热解产生的挥发份的质量百分数和挥发份组分强烈地依赖于热解温度，对煤的热解进行分析，热解温度在800K时，挥发份百分数不大于40%，但是当热解温度继续升高到一定温度之后，热解逸出的挥发份质量百分数将高达70%以上，因此，温度是煤的气化率的重要因素，煤田火灾中煤的热解是在氧化性气氛中的挥发份析出，是煤层中的大分子在温度较高时某些弱键发生断键从而形成轻质的气态物质和焦油。由于煤热解过程在工程及理论研究上的重要性，许多研究者在各种试验条件下对煤的热解进行了基础研究。但由于各种工艺过程的条件差异非常大，目前对煤热解的研究范围也十分宽。
3.2 煤田火区的挥发份燃烧
煤热解产物在离开固体碳以后，如果氧气浓度和温度足够，挥发份将燃烧，虽然挥发份的组分有很多种，但挥发份燃烧或挥发份氧化反应，主要有以下几种反应：甲烷的氧化反应，乙炔的氧化反应，乙烷乙烯的氧化反应。对于挥发份燃烧问题，最有效的是进行整体反应的研究，以便得出符合實际情况的整体燃烧模型，目前最广泛流行的有两种整体燃烧模型。他们假设反应产物是CO和HZO，另一种是Edelman和Fortune的模型，他们假设反应产物是C02和HZO。
如果火区热解气体温度足够高时，可以假设，热解产物与氧化学反应速度很快，则热解产物与氧气处于局部的热力学平衡状态，因此，当热解产物离开煤时，它们与当地的气体立即达到化学反应平衡，此时决定反应的是混合状态；反之，当混合强烈时，我们可以认为过程决定于化学反应。基于此，建立如下煤田火区煤层热解产物燃烧物理模型，具体思路如下。
第一，热解产物的组分复杂，为了有效的研究，把它们看成一个整体，以整体反应的方法进行分析，在自然对流和强迫对流很小的情况下，近似认为挥发份是在相对静止的环境中挥发并燃烧。第二，煤层燃烧面是一平面，由无数的微元面组成，微元面尺寸极小，小到使断面内各点速度和压力均一致，且代表该处的真值，煤层总的燃烧是由无数微元面所组成。第三，流管燃烧反应空间分成无数的流管，流管与无数的微元面对应，煤层燃烧表面与环境的传热传质是在流管内进行的，流管是由流线组成的曲面管，其横断面尺寸极小，使断面内各点速率和压力均一致，且代表该处的真值，流管横断面具有一定尺寸，断面上各点的运动要素相等。
4 煤层自燃区域的地质特征
煤层自燃系煤层在自然条件下燃烧的一种地质现象，煤层自燃可引起上覆地层塌陷，在地面形成裂隙，这些裂隙、孔隙为深部煤层的进一步自燃提供了氧气通道，从而使煤层自燃逐步向深部推进。同时，煤层顶板岩石在热力作用下，经烘烤、瓷化、熔融、冷凝，形成烧变岩，但煤层自燃并非一直进行下去，当外部环境发生变化，如山洪爆发、气候突变等，或当煤层燃烧至潜水面时，煤火就将熄灭。据对我国北方现代煤火的调查研究，煤层自燃后，向两侧的燃烧速度每年可达几十至百余米，向深部的燃烧速度每年在一至数十米之间，古火区燃烧最深达4O0m，正在燃烧的火区最深达330m。现代煤层燃烧区地表常出现明火，在埋藏较浅，燃烧剧烈的地区，远处可见烟雾，近处可见火苗，某些地点火苗喷出地表高达3-4m，在地表孔隙附近，可听到燃烧的声音。燃烧区现场及周围数百米之内可觉察到硫磺气味，在裂隙、空洞周围，常见硫磺与芒硝富集与结晶，或由煤焦油染色形成的空洞晕圈，在露头处，可见不同变质程度的烧变岩呈带状分布。地质历史中煤层自燃形成的古火区，往往遗留经烧变的煤层及顶板岩石的残迹。
5 总结
大面积煤田火区煤层自燃不断向深部发展所形成的大面积煤田火灾，是人类面临的重大自然灾害之一，煤田火灾不仅造成资源巨大损失，威胁矿井生产安全，而且严重污染环境，破坏土壤植被，每年向大气层排放有毒、有害气体，因此，煤田火区问题受到了各有关国家政府的极大重视，投入了大量人力物力和财力进行治理。当前，国内外治理大面积煤田火灾的常用技术和灭火方法在煤田火灾治理实践中发挥了重要作用。然而，从长期灭火工程实践发现，由于煤田燃烧系统影响因素的多变性，现有的经验分析手段在圈定火源范围，推测火灾蔓延趋势两个关键方面存在很大难度。因此，灭火工程常常不得不采取撒大网的方法，这不仅加大了灭火工程量，增加成本，延长了灭火工程施工时间，而且影响灭火工程质量，浪费火灾地区宝贵的水资源，从理论上和技术上分析解决大面积煤田火灾防治中较准确圈定火区范围问题已经成为大面积煤田自燃治理工作中的瓶颈。
参考文献
[1] 简述新疆煤田火灾的治理方法[J].高青松.中国西部科技.2010（01）.
[2] 新疆煤田火灾的成因、危害及综合治理[J].罗淑政，玉米提·哈力克，Joerg Schulz，王金山.灾害学.2008（03）.
[关键词]煤田；火区；碳燃烧；成因机理
中图分类号：TM218 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0312-01
1 引言
燃烧现象是物理和化学过程相互作用的结果，虽然燃烧基本上是一个化学反应过程，但也是物理过程，特别是能量，动量和质量交换，在燃烧系统中也起着重要作用，由于燃烧反应的速率不仅与化学动力学因素有关，而且还与反应体系内质量和能量的输运有密切关系，这种输运取决于系统的宏观运动以及系统内微观运动所引起的热传导和扩散现象。
近年来，对燃烧过程的物理模型的研究，己经不再局限于应用己有的经典模型，而更多的是寻求对模型的建模方法，封闭模型和计算方法等各方面进行改进；其研究手段也在从工程方法向科学方法转换，即从经验的唯象的方法向机理性的基础的方法轉化。各种精细的湍流模拟和实验方法，如直接模拟和激光粒子图像速度场仪测量等，被大量的引入到探索多相湍流燃烧的机理和获得模型封闭所需要的基本参数中来同时，很多新的模型和模化方法也涌现出来，如概率密度函数方法等，这些模型和模拟方法较传统的计算流体力学方法和湍流模式有着本质上的区别，具有良好的发展前景，就所关注的物理问题来看，也逐渐深入到颗粒对流体的反向藕合作用。
2 煤田火区煤燃烧概述
煤田火区的燃烧物质是煤，煤是人类早已使用的固体燃料，但由于煤燃烧的复杂性，以及以前工业生产也没有提出对煤的燃烧进行深入细致研究的必要，因而，人们对煤的燃烧机理和规律的了解大大落后于对油的燃烧规律的了解，只是到了二十世纪七十年代，由于煤在燃料工业中地位上升，人们对煤的研究才活跃起来，现在不只是研究一般锅炉中煤的燃烧问题，而且各种煤粉强化燃烧装置出现了，如MHD发电机被称之为烧煤的地面火箭；用高温的等离子体点燃粉煤，可以使煤粉温度骤然升高到几千度的高温，使煤粉的点燃极为容易，煤和油混合形成COM燃料以及煤的液化气化等项研究工作也开展得很广泛，煤田火区的煤在加热升温时，将发生很复杂的过程。首先是煤层变软，成为塑性状态，同时不断地释放出挥发份，一般来说，逸出挥发份的量和挥发份的组分是对煤层加热温度的函数，挥发份放出之后剩余的固体称之为炭或残碳，挥发份将在碳层外围空间燃烧，形成空间气相火焰，而碳将与气相氧化剂发生气一固两相燃烧。
3 煤田火区燃烧的热解分析
3.1 研究现状
煤热解产生的挥发份的质量百分数和挥发份组分强烈地依赖于热解温度，对煤的热解进行分析，热解温度在800K时，挥发份百分数不大于40%，但是当热解温度继续升高到一定温度之后，热解逸出的挥发份质量百分数将高达70%以上，因此，温度是煤的气化率的重要因素，煤田火灾中煤的热解是在氧化性气氛中的挥发份析出，是煤层中的大分子在温度较高时某些弱键发生断键从而形成轻质的气态物质和焦油。由于煤热解过程在工程及理论研究上的重要性，许多研究者在各种试验条件下对煤的热解进行了基础研究。但由于各种工艺过程的条件差异非常大，目前对煤热解的研究范围也十分宽。
3.2 煤田火区的挥发份燃烧
煤热解产物在离开固体碳以后，如果氧气浓度和温度足够，挥发份将燃烧，虽然挥发份的组分有很多种，但挥发份燃烧或挥发份氧化反应，主要有以下几种反应：甲烷的氧化反应，乙炔的氧化反应，乙烷乙烯的氧化反应。对于挥发份燃烧问题，最有效的是进行整体反应的研究，以便得出符合實际情况的整体燃烧模型，目前最广泛流行的有两种整体燃烧模型。他们假设反应产物是CO和HZO，另一种是Edelman和Fortune的模型，他们假设反应产物是C02和HZO。
如果火区热解气体温度足够高时，可以假设，热解产物与氧化学反应速度很快，则热解产物与氧气处于局部的热力学平衡状态，因此，当热解产物离开煤时，它们与当地的气体立即达到化学反应平衡，此时决定反应的是混合状态；反之，当混合强烈时，我们可以认为过程决定于化学反应。基于此，建立如下煤田火区煤层热解产物燃烧物理模型，具体思路如下。
第一，热解产物的组分复杂，为了有效的研究，把它们看成一个整体，以整体反应的方法进行分析，在自然对流和强迫对流很小的情况下，近似认为挥发份是在相对静止的环境中挥发并燃烧。第二，煤层燃烧面是一平面，由无数的微元面组成，微元面尺寸极小，小到使断面内各点速度和压力均一致，且代表该处的真值，煤层总的燃烧是由无数微元面所组成。第三，流管燃烧反应空间分成无数的流管，流管与无数的微元面对应，煤层燃烧表面与环境的传热传质是在流管内进行的，流管是由流线组成的曲面管，其横断面尺寸极小，使断面内各点速率和压力均一致，且代表该处的真值，流管横断面具有一定尺寸，断面上各点的运动要素相等。
4 煤层自燃区域的地质特征
煤层自燃系煤层在自然条件下燃烧的一种地质现象，煤层自燃可引起上覆地层塌陷，在地面形成裂隙，这些裂隙、孔隙为深部煤层的进一步自燃提供了氧气通道，从而使煤层自燃逐步向深部推进。同时，煤层顶板岩石在热力作用下，经烘烤、瓷化、熔融、冷凝，形成烧变岩，但煤层自燃并非一直进行下去，当外部环境发生变化，如山洪爆发、气候突变等，或当煤层燃烧至潜水面时，煤火就将熄灭。据对我国北方现代煤火的调查研究，煤层自燃后，向两侧的燃烧速度每年可达几十至百余米，向深部的燃烧速度每年在一至数十米之间，古火区燃烧最深达4O0m，正在燃烧的火区最深达330m。现代煤层燃烧区地表常出现明火，在埋藏较浅，燃烧剧烈的地区，远处可见烟雾，近处可见火苗，某些地点火苗喷出地表高达3-4m，在地表孔隙附近，可听到燃烧的声音。燃烧区现场及周围数百米之内可觉察到硫磺气味，在裂隙、空洞周围，常见硫磺与芒硝富集与结晶，或由煤焦油染色形成的空洞晕圈，在露头处，可见不同变质程度的烧变岩呈带状分布。地质历史中煤层自燃形成的古火区，往往遗留经烧变的煤层及顶板岩石的残迹。
5 总结
大面积煤田火区煤层自燃不断向深部发展所形成的大面积煤田火灾，是人类面临的重大自然灾害之一，煤田火灾不仅造成资源巨大损失，威胁矿井生产安全，而且严重污染环境，破坏土壤植被，每年向大气层排放有毒、有害气体，因此，煤田火区问题受到了各有关国家政府的极大重视，投入了大量人力物力和财力进行治理。当前，国内外治理大面积煤田火灾的常用技术和灭火方法在煤田火灾治理实践中发挥了重要作用。然而，从长期灭火工程实践发现，由于煤田燃烧系统影响因素的多变性，现有的经验分析手段在圈定火源范围，推测火灾蔓延趋势两个关键方面存在很大难度。因此，灭火工程常常不得不采取撒大网的方法，这不仅加大了灭火工程量，增加成本，延长了灭火工程施工时间，而且影响灭火工程质量，浪费火灾地区宝贵的水资源，从理论上和技术上分析解决大面积煤田火灾防治中较准确圈定火区范围问题已经成为大面积煤田自燃治理工作中的瓶颈。
参考文献
[1] 简述新疆煤田火灾的治理方法[J].高青松.中国西部科技.2010（01）.
[2] 新疆煤田火灾的成因、危害及综合治理[J].罗淑政，玉米提·哈力克，Joerg Schulz，王金山.灾害学.2008（03）.