综述：长壁采空区煤自燃防治的CFD模拟——全面回顾与未来展望

《ARCHIVES OF COMPUTATIONAL METHODS IN ENGINEERING》：CFD Modelling of Prevention and Mitigation of Coal Spontaneous Combustion in Longwall Goaf - A Comprehensive Review and Future Outlook

本综述系统阐述了计算流体动力学（CFD）在模拟煤自燃（sponcom）机理及防治策略中的核心作用，重点探讨了热-气-固多物理场耦合模型、采空区“三带”划分、惰性气体（N2/CO2）注入技术等关键进展。文章指出CFD通过高效可视化手段揭示了煤低温氧化动力学（Arrhenius方程）、指标气体（CO/C2H4）迁移规律及复合灾害（瓦斯爆炸）耦合机制，为构建动态风险评估框架与人工智能预警系统提供了理论基础。

　　

煤自燃的CFD建模理论基础

煤自燃是煤在低温下与氧气发生自发氧化反应（coal-oxygen complex theory）导致热量积累的过程。CFD通过求解质量守恒（式1）、动量守恒（Brinkman-Forchheimer方程，式2）、能量守恒（局部热平衡LTE与局部热非平衡LTNE模型，式4-8）及组分输运方程（Fick扩散定律，式10），构建了采空区多孔介质内流体流动、传热与化学反应的综合数学模型。其中LTNE模型更适用于描述煤体与气流存在显著温差（TD）的高温氧化阶段，能独立刻画固相煤体与气相氧气的热交换过程（式7-8）。

煤自燃机理与氧化动力学

煤自燃遵循自由基链式反应路径，经历物理吸附、化学吸附及化学反应三阶段。低温氧化实验（如R70、CPT）结合热重分析（TGA）可标定反应动力学参数（活化能E、指前因子A）。煤氧化过程按温度划分为潜伏期、自热期、活化期等七阶段（图6），各阶段伴随特征气体产物：低温阶段（<100°C）以CO/CO₂为主，中高温阶段（>140°C）涌现C₂H₄/C₂H₆等烯烃类指标气体（图8）。多阶段动力学模型（式16）通过分段设置E、A值及气体产率，更精确描述氧化进程。

采空区流场与自燃三带演化

采空区通风方式（U型/Y型）显著影响氧气分布与自燃风险。U型通风易在回风侧上隅角形成瓦斯积聚区，而Y型通风更利于瓦斯稀释但扩大氧化带范围（图9-10）。基于氧浓度（8%-18%）划分的“三带”（散热带、氧化带、窒息带）动态迁移受工作面推进速度、煤层倾角控制（图12-13）。氧化带宽度与工作面推进速率负相关，高速推进可压缩煤体氧化时间但增加瓦斯涌出风险。

温度场与指标气体时空演化

温度分布直接关联氧化反应强度，高温点（>135°C）向氧气富集区动态迁移（图21）。CFD模拟显示CO在采空区中下部富集（图18），H₂因热浮力向上扩散（图17），C₂H₄/C₂H₆浓度与热区迁移路径高度同步（图20）。格雷厄姆比率（GR）等复合指标可提升早期预警可靠性。

惰性气体抑燃技术的CFD模拟

N₂与CO₂注入通过降低氧浓度、吸附成膜抑制氧化。深孔双点注氮比浅孔单点注氮更有效压缩氧化带（图23），冷却氮气兼具惰化与降温双重效应。CO₂吸附量随温度升高呈指数衰减（图25），间歇注气可在保证抑燃效果下减少50%气体用量（图26-27）。覆岩离层注浆（OSGF）与密闭墙技术通过改变孔隙结构阻断漏风，但密闭墙位置不当可能扩大自燃区（图31）。

当前局限与未来方向

现有模型在复杂地质结构表征（双孔隙系统）、氧化副产物（飞灰）迁移、工程扰动（瓦斯抽采）不确定性量化等方面存在不足。融合蒙特卡洛模拟、物理信息神经网络（PINNs）等AI方法（图32-33），建立多尺度耦合模型与动态风险评估框架，是提升CFD在真实矿井环境下预测可靠性的关键路径。