我国矿区普遍面临封闭火区启封后快速复燃的问题,导致重新封闭,甚至引发瓦斯爆炸,造成重大伤亡事故。在封闭火区内的贫氧条件下,煤堆会维持阴燃燃烧。由于阴燃煤堆燃烧温度低、产气速率小,导致难以及时发现,判定火源已经熄灭的火区实际仍然存在阴燃煤堆,致使在启封后因重新供氧而迅速复燃。针对隐蔽火源,人们已对煤自燃机理及其防治手段进行了不懈的努力与探索,但煤自燃仅是阴燃煤堆的成因,目前缺乏针对阴燃煤堆燃烧特性与机理的系统研究,阻碍了高效灭火技术的研发与应用,严重影响火区的安全启封。该论文采用理论分析、物理实验与数值模拟相结合的研究方法,较为系统的研究了煤矿封闭火区中阴燃煤体的动力学反应机理及其熄灭条件,主要创新成果如下:研究了不同氧气浓度条件下阴燃煤体热解与氧化竞相反应的阶段演化特性。通过分析煤在不同氧气浓度条件下的质量变化特性,以及采用牛顿运动学分析方法分析煤的产/吸热行为,探讨了不同氧气浓度条件下煤中热解与氧化的竞相反应过程。研究表明:阴燃煤体中存在多步反应序列,包括脱水干燥、吸氧增重、脱挥发分形成半焦、煤与半焦的直接氧化、半焦缩聚生成焦炭以及焦炭氧化反应。随着氧浓度的升高,煤中各反应序列会逐渐叠加而共同在一个温度范围内发生,分离度减小。吸氧增重阶段对煤体的后续热分解过程影响很小,建立煤体阴燃反应模型时可忽略该反应序列。根据煤体热分解过程的阶段特性,基于不同路径产生焦炭的理化性质的差异,构建了煤炭阴燃的“3+3”步、“3+4”步与“3+5”步反应模型。研究了不同氧气浓度条件下阴燃煤体的最佳反应历程。采用“KissingerGenetic Algorithm”方法对不同的阴燃反应模型进行了动力学解析,解决了传统动力学分析方法无法分离各亚反应单独求解的难题。研究表明:只有基于低氧浓度条件下的测试数据进行动力学解析才能优选出能够准确反映不同氧浓度条件下煤体阴燃特性的最佳反应历程。阴燃煤体的最佳反应历程由3步热解、5步氧化亚反应构成,包含煤氧化、半焦热解与半焦氧化三个反应序列。忽略亚反应的热行为时,煤氧化序列在全氧尺度(1-21%)区间内是主体反应,半焦氧化与半焦热解序列的比重分别在氧浓度低于10%与5%后逐渐增加。研究了自维持阴燃煤堆的动态发展特性及其控制机理。构建了阴燃煤堆特性参数可视化测试系统,建立了阴燃煤堆动态演变的热-流-化耦合一维瞬态数学模型,分析了水平、竖直、前向与反向阴燃煤堆的动态发展过程以及阴燃前沿的物理化学构成。研究表明:反向阴燃燃烧温度高于前向阴燃。前向阴燃存在二次干燥过程,增大了热解吸热强度;前向阴燃中热解、氧化前沿同时同向蔓延,但反向阴燃后期仅存在氧化前沿,缺少热解吸热源。竖直阴燃燃烧温度高于水平阴燃。在炉内热烟气与外界低温气体密度差的驱动下,阴燃煤堆内形成自然对流,且竖直阴燃过程中自然对流的质量流量远大于水平阴燃。研究了阴燃煤堆熄灭的临界来流速率及其氧浓度。仅考虑煤堆轴向热传导、对流散热以及辐射散热,忽略煤堆内部的径向传导散热、煤堆向周围环境的散热以及氧气从来流气体向煤颗粒表面传质过程的影响,点火线圈800W、点燃时间为700s时,阴燃煤堆熄灭的临界供风量(空气)与临界氧浓度(风量为5g/(m~2·s)时)分别为2-3g/(m~2·s)与10-11%;点燃时间为1800s时,临界供风量(空气)与临界氧浓度降低为1-2g/(m~2·s)与3-4%。不考虑煤堆内部以及煤堆与周围环境之间的一切散热因素时,确定阴燃煤堆熄灭的临界氧浓度为1-2%。浮力的影响不可忽略,温度为400℃、尺寸为0.15m×0.15m×0.25m的阴燃煤堆,浮力诱导的自然对流的质量流量约为1.34g/(m~2·s),占临界供风量的65%以上。随着来流速率(空气)及其氧浓度的降低,半焦热解序列始终是控制煤堆阴燃的主体反应。供氧条件的减弱主要是抑制半焦热解序列来影响煤堆的阴燃反应强度。