各相关单位：

    根据新疆维吾尔自治区《关于做好2021年度自治区科技奖励提名工作的通知》，现对我校参与的项目《西北侏罗纪煤自然发火特性及防控方法研究》拟提名2021年新疆维吾尔自治区科学技术奖的材料进行公示，公示期为：20221年8月14日——2021年8月21日，任何单位和个人如对项目的主要内容包括：项目名称、完成人、完成单位、主要知识产权等有异议，请在公示期内实名向科技处反映，匿名异议不予处理！

       联系人：薛力猛     电话：13669285346

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                                                                                                  科技处

                                                                                            2021年8月14日

附件：项目公示信息

一、项目名称

西北侏罗纪煤自然发火特性及防控方法研究

二、提名单位及提名意见

提名单位：新疆大学

提名意见：

针对西北侏罗纪煤层自然发火规律、煤自燃危险区域判定、精准高效防控等关键科学问题。在国家自然科学基金、973计划前期研究专项等项目支持下，通过研究西北侏罗纪煤自燃过程微观结构和宏观表征变化，构建了煤自燃发展程度与煤体属性和氧化温度、气体表征参数的量化对应体系，揭示了微观基团演化和宏观气体产物及热效应的内在关联机制，建立了西北侏罗纪煤自燃进程精细划分体系，提出了煤自燃灾害分级预警策略；其次，基于实验和现场监测数据，采用数学和数值模拟等方法，确定了现场煤自燃程度和发火位置，实现了西北侏罗纪煤自燃高温区域的动态可视化；最后针对高温危险区域进行分区分级的物化阻化方法试验，提出了西北侏罗纪煤自然发火内部惰化耦合、外部降温的协同防控方法，建立了煤自燃“时空-靶向-适配”的精准防控体系，为西北侏罗纪煤火灾害防控方法的进步和煤矿安全生产做出了重大贡献。

该项目创新突出，解决了西北侏罗纪煤层开采过程中因煤自燃火灾引发的重大安全与生态环境问题，同时对确保矿工安全、保护资源、净化环境，具有重要的科学意义，同时对促进煤炭资源安全绿色开采，推动我国能源高效利用，为实现“碳达峰”“碳中和”战略目标提供坚实的理论支撑，具有显著的经济效益和社会效益。

我单位认真审阅了该推荐材料及完成人资格，确认推荐材料真实有效，相关栏目符合填写要求。

同意推荐该项目为自治区自然科学奖一等奖。

三、项目简介

该项目属于矿山安全技术领域。

西北煤炭资源丰富，其中新疆煤炭储量居全国首位，占全国预测煤炭储量的40%以上，开采主要为自燃或易自燃的侏罗纪煤层，具有自然发火期短，早期预测和防治难度大等特点，严重威胁煤矿安全生产，破坏生态环境。如何实现煤自然发火隐患分级预警和主动防控已成为国内外关注的重大前沿课题。在资源开采战略实施中开展相关基础研究，对促进煤炭资源安全绿色开采，推动我国能源高效利用，为实现“碳达峰”“碳中和”战略目标提供坚实的理论支撑。

本项目在国家自然科学基金、973计划前期研究专项等项目的资助下，项目围绕西北侏罗纪煤层自然发火规律、煤自燃危险区域判定、精准高效防控等关键科学问题，基于煤自燃全过程实验模拟方法和微观结构演变机制，提出了西北侏罗纪煤自燃灾害分级预警策略，建立了煤自燃危险区域动态可视化判定模型，开辟了煤自然发火内部惰化耦合、外部降温的协同防控新方法，形成了煤自燃“时空-靶向-适配”的精准防控体系，揭示了西北侏罗纪煤自然发火规律，为西北侏罗纪煤自燃分区分级精准防控提供了理论方法和指导策略。主要学术贡献如下：（1）发现了西北侏罗纪煤微观结构氧化反应过程中的突变特征；提出了煤自燃全过程实验模拟方法；建立了活性基团演化和宏观气体产物及热效应的本质响应机制，为西北侏罗纪煤自燃预测预警提供了理论基础和依据。（2）提出了西北侏罗纪煤自燃灾害分级预警策略，开辟了西北侏罗纪煤自燃高温区域发展演化预测的新方法，建立了煤自燃危险区域动态可视化判定模型，为西北侏罗纪煤自燃分区分级精准防控提供了理论方法和指导策略。（3）提出了西北侏罗纪煤自然发火内部惰化耦合、外部降温的协同防控方法，建立了煤自燃“时空-靶向-适配”的精准防控体系，实现了西北侏罗纪煤炭资源高效绿色开采。

本项目在Fuel，Energy，Science of The Total Environment, Process Safety and Environmental Protection，Applied Thermal Engineering等国际著名刊物上发表被SCI收录的学术论文30篇，其中IF＞5的14篇，IF＞3的15篇，高被引论文（ESI）3篇。单篇最高引次175。经国际范围内检索查证，在检索到的国内外相关文献报道中，除了本项目成果外，未见与本项目研究成果相同的公开报道。

四、重要科学发现

1. 重要科学发现

本项目属于矿山安全应用基础研究，在侏罗纪煤的微观结果和宏观表征方面开展了系统的研究工作，并以此为基础，提出了侏罗纪煤自燃灾害分级预警策略，建立了煤自燃危险区域动态可视化判定模型，形成了煤自然发火内部惰化耦合、外部降温的精准防控体系，取得的具体原创性研究成果如下：

科学发现一：发现了西北侏罗纪煤微观结构氧化反应过程中的突变特征；提出了煤自燃全过程实验模拟方法；建立了活性基团演化和宏观气体产物及热效应的本质响应机制，为西北侏罗纪煤自燃预测预警提供了理论基础和依据。

西北地区主要为自燃或易自燃煤层的侏罗纪煤层，自燃倾向性大、自然发火期短，煤自燃危险性高。本项目开展了侏罗纪煤孔隙结构、微晶结构、活性基团、自由基等微观结构研究。但煤自然发火过程复杂多变，难以准确模拟自然发火全阶段，因此本项目通过建立了煤自主升温-绝氧降温-二次复燃全过程实验模拟新方法，掌握了煤自然发火特性，揭示侏罗纪煤自燃机理，为西北侏罗纪煤自燃预测预警提供了理论基础和依据。

（1）阐述了西北侏罗纪煤自燃过程微观结构演变机制，提出了煤的活性基团氧化反应过程中的跃迁突变理论，发展了煤自燃基团反应的内涵。

采用真密度分析仪、XRD衍射仪和傅里叶红外光谱仪等，研究了侏罗纪煤孔隙结构、微晶结构、化学基团的分布特征，发现煤分子结构中对煤氧化过程影响较大的官能团为羟基、甲基与亚甲基、烷基醚和羧基等。根据煤分子结构特征，采用量子化学分析、相似分子结构化学反应类比、活性基团萃取实验等方法，分析了煤分子活性基团氧化反应历程，揭示了煤分子中链式结构物理吸氧、化学吸氧、氧化反应、热解断裂和环状结构裂解、裂变，以及气固燃烧的非稳态演变进程，提出了西北侏罗纪煤自燃进程基团突变理论。

（2）提出了煤自主升温-绝氧降温-二次复燃全过程实验模拟方法，拓展了煤自燃测试方法外延。

针对采空区煤自燃程度难判定的难题，开辟了切合采空区复杂环境和条件下的吨级和公斤级的精准模拟煤自主升温-绝氧降温-二次复燃全过程的新方法，分析了煤自燃发展过程中的氧化温度和指标气体变化规律，确定了侏罗纪煤自燃过程中的六个突变点温度及对应的气体表征指标（CO、O₂、△CO/△O₂、C₂H₄、C₂H₄/C₂H₆、C₂H₂），建立了实验与现场实测数据库，构建了煤自燃发展程度与煤体属性和氧化温度、气体表征参数的量化对应体系，确定了精准表征煤自燃温度的主要指标。

（3）建立了微观基团演化和宏观气体产物及热效应的本质响应机制，提出了煤自燃过程精细划分方法。

通过煤自燃过程中官能团的变化特征与实时监测自燃过程中的气体、热效应参数变化。计算了多升温速率下煤样在氧化过程的热动力学参数，揭示了侏罗纪煤自燃氧化的热动力学机制。采用关联性分析，建立煤高温氧化过程的宏观表征与微观特性的量化判定指标，研究煤宏观特性变化规律与其微观特征变化之间的对应关系，进一步揭示西北侏罗纪煤自燃机理，确定了不同温度阶段影响煤自燃的关键基团，建立了煤自燃进程中煤分子活性基团与突变温度的对应关系，定义了“吸附、复合、临界、热解、裂变、燃点”六个特征温度，揭示了煤分子基团随温度变化的内在关联机制，创造性地提出了自燃进程精细划分方法。

科学发现二：提出了西北侏罗纪煤自燃灾害分级预警策略，开辟了西北侏罗纪煤自燃高温区域发展演化预测的新方法，建立了煤自燃危险区域动态可视化判定模型，为西北侏罗纪煤自燃分区分级精准防控提供了理论方法和指导策略。

煤自燃灾害分级预警及危险区域精准判定是煤矿安全领域的世界性难题。本项目针对西北侏罗纪煤采空区遗煤较多，漏风通道复杂，火源隐蔽，动态预测和高温区域难判定的问题，通过“测气定温、测温定位”的煤自燃监测和识别方法，创建了煤自燃灾害分级预警准则和高温区域发展演化预测新方法，根据现场监测的数据，建立了采空区煤自燃氧化升温模拟系统，精准掌握危险区域发展态势及位置，从而解决了预警指标不明确、不统一和高温隐患位置难辨识的关键性难题，所做的创新性研究工作得到了同行专家的认可。

（1）提出了西北侏罗纪煤自燃灾害分级预警策略，建立了煤自燃过程阶段性精准判定准则。

基于六个突变点温度及对应的标志气体，在原有煤自燃进程“潜伏期、自热期、燃烧期”三阶段划分的基础上，建立了“潜伏、复合、自热、活性、热解、裂变、燃烧”七阶段精细划分方法，为煤自燃分级预警和主动防控奠定了理论基础。并基于煤自燃过程基团突变理论将自燃过程精细划分为“吸附、复合、自热、临界、热解、裂变、燃烧”七个阶段；提出了西北侏罗纪煤自燃过程六级预警策略，建立了煤自燃灾害分级预警准则。

（2）提出了西北侏罗纪煤自燃高温区域发展演化预测的新方法，实现了“测气定温”的精准识别。

针对采空区松散煤岩体导热性差、热量传递范围小、温度梯度大，传感器难以精准测温等问题，基于采空区气体单向运移的特点，通过采空区回风侧气体监测，根据侏罗纪煤自然发火规律，及结合矿井采空区温度、气体等实时监测数据，采用离散数据插值法，重建了采空区气体和温度离散数据三维分布场，并结合六级预警危险区域定量判定准则，采用随机森林、粒子群优化、支持向量机等相结合的方法，提出了高温区域发展演化预测的新方法，实现了“测气定温”的精准识别。

（3）提出了西北侏罗纪煤自燃危险区域融合判定方法，建立了煤自燃危险区域动态可视化判定模型。

针对采空区煤自燃隐患区域精准定位与识别的难题，提出了采空区煤自燃环境特征参数的效用函数，建立了煤自燃危险度概率函数模型，提出了基于多元信息耦合叠加原理的采空区煤自燃危险区域融合判定方法。采用COMSOL Multiphysics APP开发器构建了界面友好、操作方便、参数可调的采空区煤自燃氧化升温模拟系统，实现了动态推进过程中采空区煤自燃多场分布显示、图形曲线绘制以及采空区煤自燃“三带”分布推算，建立了煤自燃危险区域动态可视化判定模型，实现了采空区“测温定位”的危险区域精准圈划。

科学发现三：提出了西北侏罗纪煤自然发火内部惰化耦合、外部降温的协同防控方法，建立了煤自燃“时空-靶向-适配”的精准防控体系，为实现西北侏罗纪煤炭资源高效绿色开采提供基础与理论支撑。

解决煤自燃火灾引发的重大安全和生态环境问题，是经济、社会、国家安全和科学技术发展的重大需求。煤自燃阻化方法在煤炭开采中获得了广泛的推广应用前景，创造了巨大的经济效益和安全效益。当前阻化方法存在针对性不强、阻化寿命短，时效性及适用性差、污染环境等问题。本项目提出了内部阻化与外部隔氧降温分区分级适配新方法，划分出煤自燃阻化剂分区分级的类别，以及对应的适用性和时效性指标，解决了煤火灾害防控由被动治理向主动防控的难题，实现了阻化剂“时空-靶向-适配”的绿色高效防控。

（1）提出了惰化侏罗纪煤关键活性基团的内部阻化方法，实现了对火区不同区域的靶向阻化。

针对阻化剂难以高效定向阻化的问题，提出了惰化侏罗纪煤关键活性基团的内部阻化方法，定量表征了氧化过程中化学阻化剂对活性基团的惰化程度，构建了阻化剂抑制活性基团反应的特征结构模型。化学阻化剂通过优先与煤分子中的活性基团（主要是羟基和羧基等煤分子侧链活性基团）反应，生成稳定的基团（如羰基），造成煤分子的夺氧能力减弱，从而阻断了煤的氧化反应进程。确定了化学阻化剂对不同煤自燃程度的阻化特性及其阻化效率，实现了对火区不同区域的靶向阻化。

（2）提出了火区的精准定向外部隔氧降温方法，实现了对煤自燃程度的高效控制。

基于侏罗纪煤自燃分级预测预警方法，根据煤自燃发展程度和范围，提出了火区的分区分级精准定向外部隔氧降温方法，利用物理阻化剂经济高效隔氧降温等特点，结合煤自燃六级预警的温度和气体指标及阈值，提出了“动态推进、端头封堵、注惰降氧、分段隔离、灌浆抑温、主动封面”等相互协同的煤自燃主动防控策略，弥补了化学阻化剂时效性、经济性等问题，实现了阻化剂对煤自燃程度的优势互补和高效控制。

（3）提出了侏罗纪煤自燃“时空-靶向-适配”防控理论新方法。

针对火区在什么地点、什么时间、采取何种防控策略抑制煤自燃的问题，基于自燃火灾危险区域动态精准判定模型，确定了开采煤层采空区自然发火隐患区域与煤自燃危险程度，结合煤火灾害“防－控－灭”分区综合防治理念，划分煤自燃进程中阻化剂分区分级的类别，提高了阻化剂抑制不同程度煤自燃的高效性与适用性，实现了西北侏罗纪煤自燃“时空-靶向-适配”的协同精准防控。

2. 研究局限性

本项目围绕西北侏罗纪煤层自然发火规律、煤自燃危险区域判定、精准高效防控等关键科学问题，基于煤自燃全过程实验模拟方法和微观结构演变机制，提出了西北侏罗纪煤自燃灾害分级预警策略，建立了煤自燃危险区域动态可视化判定模型，开辟了煤自然发火内部惰化耦合、外部降温的协同防控新方法，实现了煤自燃“时空-靶向-适配”的精准防控，为西北侏罗纪煤自燃分区分级精准防控提供了理论方法和指导策略，对煤炭安全绿色高效开采具有重要意义。

目前，本项目针对西北煤炭中典型的侏罗纪煤进行了相关基础性研究，建立了“潜伏、复合、自热、临界、热解、裂变、燃烧”七阶段精细划分方法，结合实验研究和现场数据监测结果，实现了实验和现场的数据对接，确定了煤自燃灾害分级预警准则和气体表征参数阈值，同时依据危险区域的动态演化规律，提出了对应的精准防控方法。由于侏罗纪煤存在地区区域的差异性，后续需要继续开展不同区域侏罗纪煤自燃的基础性实验研究，总结和归纳其自然发火规律，建立完善的西北侏罗纪煤自燃特性参数数据库，同时加强现场应用，对接现场数据，确定不同区域侏罗纪煤自燃分级预警准则和气体表征参数阈值，逐渐形成基础理论研究-分级预警准则-分级分区防控方法-应用示范-推广应用的完整煤自燃防控体系，以便制定相应的煤自燃“时空-靶向-适配”的精准防控方法，实现煤自燃的高效防控。

五、客观评价

（1）美国煤炭地质学会原主席、国际知名煤火专家Glenn B. Stracher教授高度评价项目成果，受其邀请合作编著了学界重要专著《Coal and Peat Fires: A Global Perspective》。

（2）德国宇航中心首席科学家Claudia Kuenzer在国际期刊International Journal of Coal Geology上对本项目开发的胶体阻化泡沫灭火技术评价认为：该材料结合了固体颗粒和水的优点，对煤火灾害的防治起到了很好的降温、阻化和封堵作用。

六、代表性论文专著目录

1. 代表性论文专著目录

2. 主要论文专著目录

七、主要完成人情况

八、完成人合作关系

项目完成人曾强为新疆大学教师、赵婧昱为新疆大学博士后，王彩萍、肖旸、邓军均为西安科技大学安全科学与工程学院教师，自2011年开展西北侏罗纪煤自然发火特性及防控方法研究以来，在国家自然科学基金、973计划前期研究专项等项目的资助下，项目成员广泛调研文献资料，充分了解研究前沿，深入研究需解决的关键问题，分工明确，整理相关成果，总结规律，并通过共同申报各类科研项目，共同承担科研项目，共同发表学术论文等方式进行合作，详见《完成人合作关系情况汇总表》。

完成人合作关系情况汇总表