地下开采是煤矿开采的主要方式,作业人员生产活动的采煤工作面是一个受限作业空间,人员作业空间的环境安全靠矿井通风来提供保障。矿井空气流经工作面时,有少量空气经过采空区遗煤空隙形成采空区漏风,采煤工作面矿井空气与采空区污浊空气通过液压支架隔断形成并联网络,采煤工作面作业空间和污浊空气的采空区空间是相互耦合的、一体的环境空间。特别是近距离煤层群回采时,在采空区内发生回采煤层遗煤初次氧化和上覆采空区氧化遗煤二次氧化双重作用下,直接影响了采空区温度场和气体浓度场分布,进而影响了工作面作业环境。因此,亟需开展煤二次氧化升温实验研究,探究煤二次氧化产气升温特性,建立包含回采煤层遗煤和上覆采空区氧化遗煤的复合采空区遗煤氧化对工作面作业环境影响数学模型,用于描述工作面和采空区内流动、传热传质及反应过程多物理场,揭示上覆采空区氧化遗煤二次氧化对采煤工作面环境的影响。本文采取实验室测试—数值模拟—工程实测相结合的研究方法,开展各煤样预氧化后微观结构的测试分析,开展不同氧化程度煤样的等温差引领升温实验,得到宏观升温产气规律,探索煤二次氧化影响机制;建立采煤工作面作业环境温度和气体浓度计算数学模型,并进行模型解算和工程实例验证;针对一个工程实例,开展不同假设条件下数值模拟预测,对回风隅角和液压支架后部的O2浓度、CO浓度和温度等环境参数受遗煤氧化影响进行分析,并针对遗煤氧化提出专项预防措施。利用煤质工业分析仪、比表面积及孔径分布测试仪和傅里叶变换红外光谱仪研究不同煤样的工业组分、孔隙结构和表面活性官能团随氧化程度加深的变化规律。结果表明随氧化程度加深,预氧化煤样较原煤煤样呈现出水分下降、灰分升高、挥发分先升高后下降的趋势;比表面积呈现出先增加后降低的趋势;-OH官能团呈现出单一下降趋势,而-CH2-、-CH3和-C=O官能团呈现出先增加后降低的趋势。利用现有煤自然发火模拟装置开展煤样等温差引领升温氧化实验,分析不同预氧化程度煤样绝热氧化时间变化规律以及CO、CO2的生成规律。结果表明50℃预氧化6 h和24 h煤样的绝热氧化时间较原煤煤样变短、气体产物生成时间变早、生成量变大;120℃和200℃预氧化6 h和24 h煤样的绝热氧化时间较原煤煤样变长、气体产物生成时间变晚、生成量变小。建立采煤工作面作业环境温度和气体浓度预测数学模型,并利用有限元方法和网格拉伸技术,实现了工作面动态推进过程中采空区和作业环境中气体流动、传热、传质及化学反应等多场耦合过程的数值计算。引入工程实例煤样的氧气消耗速率以及CO、CO2生成速率表达式源项,利用数学模型解算了采空区内回风侧O2浓度、CO浓度和温度,并将模拟结果与现场工程实测结果进行对比,模拟结果与工程实测结果吻合度较好,验证了所建立模型的正确性与可靠性。利用所建立的采煤工作面作业环境温度和气体浓度预测数学模型,对平庄能源六家煤矿SIIN26-9工作面3种假设条件回采至100 m时回风隅角O2浓度、CO浓度和温度进行分析,揭示了上覆采空区氧化遗煤二次氧化是加剧作业环境低氧和CO超限的重要因素。结果表明受上覆SIIN26-7采空区氧化遗煤二次氧化影响,回风隅角O2浓度从20%降至19%,氧气浓度下降将降低工人劳动效率;CO气体浓度从20 ppm增加到60 ppm,已远超过《工作场所有害因素职业接触限值》规定的24 ppm,在此环境中长时间工作将危害工人身体健康。