煤炭地下气化技术是一种清洁、安全、高效的能源利用技术。经过多年的发展,该技术已经取得了长足进步和发展。但是传统的富氧空气气化工艺和富氧水蒸气气化工艺仍然存在着产品应用范围窄、水蒸气输送困难、运行稳定性规律和燃空区扩展规律认识不深入、工业化预测手段缺乏等问题。富氧CO₂煤炭地下气化技术是一种具有较大潜力的技术,不仅有利于克服传统气化工艺中产品应用范围窄、水蒸气输送困难等问题,而且在二氧化碳循环利用方面具有较大前景。本文通过煤炭地下气化模型实验、单体煤气化实验的方法系统研究富氧CO₂地下气化的通道反应状态、长周期稳定性、燃空区形貌与扩展规律等,并利用数学建模的方式对反应过程机理进行模拟研究,为工业化过程控制提供科学依据。本文基于富氧CO₂煤炭地下气化过程机理分析,采用相似模型实验方法研究了不同氧浓度条件下富氧CO₂地下气化的反应过程特性。在氧浓度低于60%时,煤气中CO持续随着氧浓增大而上升,而在氧浓度大于60%时,出现了煤气组分中CO体积分数下降的现象,表明由于CO₂分压增大,煤层反应面碳吸热还原反应占比增大,温度场受之影响降低,进而影响反应产物的生成。采用物料平衡法对富氧CO₂气化工艺中CO₂循环利用带来的二氧化碳排放量进行了分析,结果表明,随着氧浓度的提升,富氧CO₂气化工艺的二氧化碳排放减少量先上升后下降。在氧浓度50%左右条件下,二氧化碳利用比例最高。和国家发改委能源研究所推荐的标煤碳排放系数0.67 kg/kg标煤对比,每公斤标煤可减少二氧化碳排放5.97%。同样,为进一步指导气化工艺运行,对60%氧浓度下富氧CO₂气化单工作面长周期稳定特性进行实验研究,揭示了气化过程中随着气化过程持续,渗流通道气化向自由通道气化转化,出现了煤气质量和产量下降的趋势。在该气化过程存在煤气质量和气量均高的“甜点”气化阶段,该阶段约为单工作面的燃煤气化到总煤量的21.43%和50.80%阶段内。这一阶段平均计算冷煤气效率为72.23%,占单一气化炉全生命周期总反应时间的38.15%。本文研究了不同氧气浓度条件下富氧二氧化碳气化的得到了不同工艺参数条件下的燃空区变化特性。首次得到了不同氧浓度、不同流速、不同后退距离条件的燃空区3D形貌;对比了40%,60%,80%氧气浓度条件下,受后退距离影响的燃空区扩展速度,发现在固定通道长度条件下,富氧浓度为60%,后退通道比例为30%时的燃空区扩展速度最快,煤层利用效率较高。高氧浓度（80%）导致燃空区结渣,燃空区扩展受结渣影响,扩展体积减小,形状偏向圆柱形。对比燃空区的夹角和底面积变化特征,建立了燃空区形貌轨迹的极坐标方程,并给出燃空区扩展的计算方法和取值表,可为工业燃空区控制提供科学参考。为了进一步验证实验结果,指导工业应用,本文通过对地下气化的工艺特点分析,研究建立了基于通道气化模型的二维数学模型,分别研究富氧CO₂气化工艺过程的轴向和径向的气化机理。经编程和计算机模拟计算,获得出口煤气摩尔组成,径向、轴向温度分布及变化规律、径向反应区厚度变化规律、供氧浓度随时间和初始条件变化在气化通道内的分布规律等,并与实验结果进行对比。验证了实验中在单一气化周期内,反应初期组分增加,达到一定值后呈下降趋势的特征,与此前实验中“甜点”阶段气化指标接近。随着反应时间的增加,煤层内外边界向径向扩展,参与反应的煤层厚度增加（约0.2米）。煤层径向膨胀主要发生在高温区,与温度场变化趋势一致。沿气化通道的轴向,温度沿长距离缓慢下降,为气体在输出过程中的反应提供了条件。氧气进入气化通道后,一部分与煤发生燃烧反应,一部分与产生的可燃气体发生燃烧反应。氧含量越大,沿轴向的氧分布越短,即氧化带长度越短。基于工业输入条件的计算结果表明,氧气浓度为60%时,轴向气化通道18米处氧气消耗完毕;氧气浓度为80%时,轴向气化通道15米处氧气耗完。模拟结果与实验室实验和现场试验现象一致,表明基于上述假设建立的模型和求解方法是可靠的,可用于预测富氧CO₂煤炭地下气化过程的气化组分变化、燃空区扩展及通道内氧浓度分布特征,有望为工业环境下的富氧CO₂地下气化工艺过程提供科学支持。