煤火是暴露地层表面或者在地下煤层的不受控制的燃烧或阴燃行为,是全球普遍存在的地质灾害,造成了煤炭资源直接和间接的极大浪费以及生态环境的严重破坏,威胁人们的健康与安全。传统的煤火治理手段主要包括剥离、打钻、注水、注浆和黄土覆盖,易造成生态破坏,且降温效果有限,火区不易彻底熄灭。此外,在煤火防治过程中会浪费大量水资源,易造成地下水污染。随着小煤矿的滥采滥挖以及废弃矿井关闭缺乏有关技术要求,部分地区的煤火燃烧面积和规模甚至呈现扩大态势。因此,论文从煤火热能利用的视角,协同考虑煤火防治与资源利用,分析了煤体燃烧特征,研究了重力热管换热作用下的煤火演化规律,研发了分布式煤田火区热能提取温差发电技术,该技术从现有的注水钻孔实施热能提取以降低火区温度,防止煤火蔓延或复燃,节约煤火治理用水,并将提取的热能直接转换为清洁电能,实现了煤火的“治”与“用”的协同。主要研究内容和成果包括:1)进行了不同供氧量下的煤低温氧化和燃烧试验研究,探讨了低氧环境下的煤燃烧特征,分析了煤在低温氧化、点燃阶段、快速燃烧阶段、剧烈燃烧阶段、缓慢燃尽阶段和熄灭阶段的氧化动力学特征以及温度、气体产物等演化规律,划分了燃烧热能等级。结果表明,煤低温氧化过程中的缓慢氧化蓄热期会随着供氧浓度的减小逐渐延长,而在快速氧化阶段煤低温氧化表观活化能受供氧浓度影响较小,此外得出CO/CO2和C3H8/C2H6指标分别在50-190℃和130-190℃的特定温度范围内受供氧浓度的影响也较小;确定了氧气质量流量极小值,使得煤在剧烈燃烧阶段到熄灭阶段的耗氧速率遵循恒定的一阶阿伦尼乌斯方程,简化了煤的整个燃烧过程中的耗氧速率控制方程以及燃烧化学反应式,并提出了判定煤火燃烧阶段的指标(CO/CO2和SO2);对煤体燃烧产生热能进行品级划分,以煤体富氧燃烧的3个等级释放热为基准,对常规未知漏风量的煤体燃烧的释放热划分为高品级、中品级和低品级热能,其中煤的低氧和富氧燃烧可根据CO/CO2比值确定。2)提出了利用煤火热能进行温差发电的方法,采用4种常见的温差发电片进行基于温差发电的煤火热能应用模拟试验研究,分析了温差发电片的温差电单体热电电动势、内阻、单位热电元件横截面积的最大输出功率及单位接触面积的最大输出功率等主要热电特性,并探讨了温差发电片的最大热电转换效率和成本效益,优选出了综合热电性能相对较好的温差发电片,同时指出在给定的冷热端温差下,降低温差发电模块的冷端温度可以在一定程度上提高热电转换效率。3)耦合煤体燃烧化学场与多孔介质热传递、烟气渗流以及烟气组分的物质传递、等效重力热管换热的固体传热等多物理场进行了重力热管换热作用于煤火防治的数值模拟,得出相同时刻在用于换热的热管蒸发段的煤岩层温度随着冷凝段温度的降低而逐渐降低,其影响范围也随之逐渐增大。当冷凝段温度为20℃时,影响范围半径约为1m;火区换热对于煤层燃烧影响主要体现在重力热管蒸发段径向约0.2 m的范围内煤消耗量较少,低温氧化时间延长。4)从重力热管传热与温差发电的匹配、温差发电模块组合结构和冷端散热等三个方面对重力热管传热和温差发电的优化进行了分析。指出用充液率40%的水作为重力热管的工质具有较高的热交换量,当蒸发段温度大于100℃且小于300℃时,重力热管具有相对好的换热性能,系统发电效率随着热能输入的增加呈Hill函数变化;在温差电组件总数、冷热端接触面温度以及各部位热阻恒定的条件下,当负载电阻增大时,增加每行温差电组件串联数可获得较大的输出功率;在相同的冷热端温差下,发电模块的串并联方式对最大输出功率的影响较小,且多层级温差发电模块厚度增加会增大热量损失;分析了空冷、循环水冷和流动水冷的温差发电冷端散热方式对最大输出功率的影响,提出了在水源匮乏的情况下的无水源输入的循环水冷散热和在水源充足的条件下流动水冷散热以提高温差发电效率。5)设计了基于重力热管换热的煤火热能提取与温差发电系统,并进行了现场试验,分析了系统发电性能与热电转换稳定性、环境温度对热能提取与热电转换的影响,结果表明该系统换热较大程度地降低了钻孔温度,最高降低约154℃;提出了煤火防治与利用的“三区联动”模式:准备区域、治理区域和修复区域,以充分利用热能并减少火区治理工程量,同时提出了多钻孔联合使用多组热能提取温差发电系统进行发电,以充分实现煤火治理与热能利用的协同。