煤田火区往往持续数年，在松散覆岩中随温度升高、裂隙贯通与氧气补给形成自维持燃烧。Tao 等（2026）在 Fuel 上通过 三维物理相似模拟试验 与 COMSOL Multiphysics 热-流-固耦合数值模拟，揭示裂隙网络如何通过类烟囱效应持续供氧。下文按「背景—方法—结果—工程启示—局限」归纳，便于与防灭火监测方案对照原文。
原文 Highlights
- 煤田火区 温度场 呈显著 时空不对称与滞后（hysteresis）；
- 形成 「裂隙扩展 → 氧气补给 → 燃烧加剧」 自强化循环；
- 火源高温区 O₂ 可降至 4.4 %（约 800 K 中心），裂隙通道仍维持 15–18 %；
- 燃烧为 非稳态热-流-固耦合 过程，受热对流、煤氧化与气体流动共同驱动。
1. 问题背景
1.1 煤田火灾为何难控
与封闭采空区自燃不同，地表/近地表煤田火区 往往半开放、历时长、影响范围大。升温削弱煤岩强度、扩展裂隙并引风下行，即便火源核心缺氧，裂隙侧仍可能持续供氧。
1.2 研究切入点
既有工作常将温度、气体或力学分开讨论。本文聚焦 温度场—裂隙网络—氧气运移 的 时空协同演化，为分区治理、注浆封堵与覆盖压实提供机理依据。
2. 研究方法
2.1 三维相似模拟试验
在 三维物理相似模拟试验平台 上复现煤田火区燃烧过程，通过几何与边界条件的相似比，将试验时标映射到原型尺度的热传递与流动行为。
2.2 COMSOL 热-流-固耦合
COMSOL Multiphysics 中耦合：
| 过程 | 在模型中的作用 | |------|----------------| | 传热 / 热应力 | 驱动热膨胀与强度劣化 | | 固体力学 / 重力 | 刻画失稳与裂隙扩展 | | 流体 / 气体运移 | 解析 O₂ 补给与烟囱效应 | | 煤氧化反应 | 将温度与反应放热关联 |
整体描述热对流、煤-氧反应与气体流动的 非稳态 相互作用。
3. 主要结果
3.1 温度场演化
- 温度场呈现明显 不对称性 与 滞后效应（升温/降温路径不一致）。
- 煤层最高温度 达 502.5 ℃。
- 顶板 约 94 h 达 157.4 ℃；上覆岩层 约 135 h 达 85.6 ℃——向上传热存在时间延迟。
3.2 裂隙驱动正反馈
热应力 与 重力失稳 共同驱动 裂隙扩展，形成 贯通裂隙网络。裂隙成为优先通风路径（烟囱效应），强化 O₂ 向高温煤体输送，构成正反馈：
裂隙扩展 → O₂ 运移增强 → 燃烧加剧 → 热应力增大 → 裂隙进一步发育
3.3 氧浓度「内外分化」
数值结果呈现氧场分裂：
| 位置 | 约 O₂ 浓度 | 含义 | |------|------------|------| | 高温火源核心（约 800 K） | 4.4 % | 反应前沿局部耗氧、贫氧 | | 裂隙通道 | 15–18 % | 持续供氧走廊，维持燃烧 |
裂隙通道是 主导供氧网络——即便火源区严重缺氧，通道内仍可保持近大气氧水平，说明 封堵裂隙/切断烟囱路径 往往比单纯降温更关键。
4. 工程启示
- 不能只看温度：裂隙侧 O₂ 可维持燃烧，单点测温易低估风险。
- 尽早打断反馈环：在贯通裂隙网形成前实施注浆、覆盖压实或隔离带。
- 不对称与滞后 意味着应布设 空间阵列 + 时序分析，避免单传感器误判。
- 建议与 O₂、CO、CO₂ 及 地表形变 监测联用，服务早期预警。
- 相似比与耦合参数需按 煤田岩性、倾角、季节漏风 重新标定。
5. 局限与复现注意
- 试验相似尺度 向现场外推需验证裂隙本构与渗流参数。
- 非机器学习预测文：价值在耦合机理与 O₂ 路径定性判读。
- 真实煤田还受 地形与气象 影响，季节性漏风在受控试验中难以完全覆盖。
- 模型支撑 「封哪里、注哪里」 的决策，不能替代现场 extinguishing 作业与规程。
参考文献
Tao, F.; Ren, L.-F.; Wang, C.-P.; Song, Z.-Y.; Li, X.; Wang, J.-R.; Jia, Y.-Z.; Deng, J. Study on Spatiotemporal Evolution Characteristics of Temperature Field, Fracture Propagation and Oxygen Transport in Coalfield Fire. Fuel 2026, 411, 138034.