煤矿采空区是煤自燃灾害易发地点,也是瓦斯解吸运移的重要场所。随着煤炭开采深度和强度的增加,煤自燃灾害与瓦斯灾害日益严峻,严重威胁着煤炭安全开采。采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸灾害能造成重特大人员伤亡事故,并导致煤尘粉尘爆炸和矿井通风系统紊乱等次生灾害。因此,采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸灾害的形成过程研究及灾害防治技术效果研究对煤矿生产安全具有十分重要的意义。近年来,尽管开展了大量的现场工程技术研究、实验研究和数值研究,采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾害形成过程仍不够清晰,灾害防治工作仍面临理论基础和技术支持不充分的难题。该灾害形成机理研究难点在于煤自燃与瓦斯爆炸灾害过程的时空演变复杂性,采空区煤自燃对瓦斯运动的具体影响在理论上较难准确分析,在实践中较难捕捉。本文以采空区煤自燃环境为研究背景,采用理论分析、物理模拟实验和数值模拟分析相结合的研究方法,实现了采空区煤自燃浮力效应实验环境并建立了相应的数值模型,系统地研究了采空区煤自燃环境瓦斯运动积聚规律,揭示了采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾害形成过程。论文主要研究内容及成果如下:1.根据流体力学理论,分析了采空区煤自燃点风流具有的热力学运动特征,建立了采空区煤自燃环境气体流动数学模型,为采空区煤自燃环境风流运动变化明确了理论依据。根据质量守恒定律,流入煤自燃点的风流会产生加速现象,流出煤自燃点的风流会产生减速现象;根据动量守恒定律,煤自燃点产生浮力效应并形成上升气流;气体组分运输方程考虑了煤自燃点风流变化、温度变化和孔隙度对气体组分运动产生的聚集性影响。根据流体力学理论和采空区多孔介质环境,构建了耦合热浮力作用的采空区煤自燃环境气体流动模型,将煤自燃高温对气体密度的影响分别在质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程中实现,并考虑了采空区多孔介质中机械弥散作用对风流运动和气体组分运移的影响。2.开展了采空区不同煤自燃条件下的瓦斯运移模拟实验,获得了煤自燃点瓦斯积聚新现象。采空区煤自燃环境瓦斯运移模拟实验台主要特点包括:采空区填充材料为热物理性质接近实际的石子;采空区底部为瓦斯来源;模拟了采空区进/回风侧煤自燃和不同工作面风速下的瓦斯运移情况。实验结果显示,采空区无煤自燃时,瓦斯浓度在走向方向和倾斜方向上均呈单调递增趋势分布;采空区进风侧发生煤自燃时,煤自燃点形成瓦斯积聚,瓦斯浓度在煤自燃点呈“?”字母形状分布;采空区回风侧发生煤自燃时,煤自燃点形成瓦斯积聚,瓦斯浓度在煤自燃点呈倒“n”字母形状分布。增大工作面风速能够降低采空区瓦斯浓度和煤自燃点积聚的瓦斯浓度。3.基于建立的采空区煤自燃环境气体流动模型进行了数值模拟并得到了实验结果验证,确认了理论依据的科学性,提出采空区煤自燃点“多孔烟囱效应”理论揭示采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾害形成机理,研究了加强通风措施的灾害防治效果。数值模拟结果显示,采空区煤自燃点位置出现明显的瓦斯积聚现象与实验模拟结果表现出一致性,确定了耦合浮力效应的采空区煤自燃环境气体流动模型的合理性;不考虑浮力效应时,数值模拟结果无法得到煤自燃点瓦斯积聚现象。采空区煤自燃环境气体流动模型对温度较为敏感,煤自燃点“多孔烟囱效应”在较低煤自燃温度(400 K左右)即能形成,引起煤自燃点瓦斯积聚现象,随温度升高,积聚瓦斯浓度逐渐增大至最大值。通过对煤自燃点流场特征分析,提出煤自燃点“多孔烟囱效应”揭示采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾害形成过程如下:(1)采空区煤自燃点高温降低气体密度,产生气体浮力效应;(2)在采空区多孔介质环境中,高温浮力效应发展为煤自燃点“多孔烟囱效应”,煤自燃区域内形成上升热气流和负压;(3)煤自燃区域负压不断抽吸周围较高浓度瓦斯,并在浮力作用下形成瓦斯上升运动,最终在煤自燃点形成瓦斯积聚现象;(4)积聚在煤自燃区域的瓦斯被煤自燃高温点燃,形成瓦斯爆炸灾害。通风加强措施的灾害防治效果因煤自燃情况变化而不同。煤自燃发生在采空区进风侧时,通风加强措施在煤自燃早中晚期(400 K、700 K和900 K)能够将煤自燃点瓦斯浓度降低到瓦斯爆炸极限以下,起到较好的灾害防治效果;煤自燃发生在采空区回风侧时,通风加强措施在煤自燃早期(400 K)不能将瓦斯积聚浓度降低到瓦斯爆炸极限以下,在煤自燃中后期(700 K和900 K)将瓦斯浓度降低至瓦斯爆炸极限内,增加了煤自燃引爆瓦斯的危险性。本论文有图118幅,表10个,参考文献173篇。