煤矿采空区自燃是严重影响一些采煤工作面正常开采典型灾害，在多种防灭火方法中，向采空区注CO2重气惰化的效果最好，但也存在问题，为降低因CO2向工作面内泄漏对人员造成威胁，降低成本，现场多采取CO2与N2联注的方法。如何优化注气参数，达到合理配比，又能保证CO2施用安全，这是当前亟待解决的问题。文中提出建立采场CH4-CO2-N2多元惰化理论体系，引入综合反映采空区内氧浓度-煤氧化强度变化按位置加权求和的“耗氧准则数”，结合现场资料、实验研究、工程实测与数值仿真等方法，系统研究采空区瓦斯贮存惰化、注CO2或N2惰气方式与惰化效果的一般量化规律以及工作面安全性，科学指导现场采空区自燃防灭火工作。
　　采空区氧浓度与煤耗氧有直接关系，建立封闭耗氧-自然升温综合实验平台，分别对红庆梁矿和晓南矿多个煤样进行实验，测定煤样罐中氧气浓度与耗氧时间变化关系，换算出煤样在不同氧浓度下的耗氧速度、窒熄临界氧浓度、最短自然发火期；建立3D采空区CFD仿真模型，包括“O”型圈冒落碎胀系数空间分布函数、非均匀瓦斯涌出源模型，根据工作面通风-漏风测定和瓦斯抽采-注惰性气体流量等设置模型的边界条件。为验证模型正确适用性，结合阜新五龙矿3123工作面注氮气采空区气体束管实测，通过对比，CFD理论结果与实际相吻合。采空区氧浓度与采空区瓦斯浓度与抽采参数密切相关，模拟研究得到，耗氧准则数与瓦斯涌出强度呈负指数规律变化，与瓦斯抽采强度呈“先增大后减小”的二次曲线变化；在考虑瓦斯的前提下，分别对采空区单独注N2、注CO2、N2-CO2混合同注、同位置双口单独注气（以下称同位共注）、不同位置同注N2和C O2（以下称异位共注）等各种惰化方案进行了仿真分析，结果表明，采空区耗氧准则数随注惰气位置深入呈现先减小后增大的非线性变化，与N2和CO2的注气流量呈负指数衰减变化。注惰气位置的最佳范围在工作面后方50~80m，其中同位置高位注CO2-低位注N2的惰化效果最佳。混合同注的N2与CO2流量的最佳配比为6:4，随着CO2混合比例的增加，衡量采空区自燃危险性的耗氧准则数呈现先急剧减小后缓慢增大的变化。
　　为考查注CO2的安全性问题，仿真研究注气后CO2向工作面泄漏，得到工作面CO2浓度最高点不是总在工作面上隅角，注气位置越浅，泄漏危险区位置下移。当注气位置小于30m时，工作面中部范围出现高于5%的危险区域（人体感觉不舒适CO2浓度值），距工作面10m位置注CO2的方案，工作面发现浓度高于5%的CO2，注CO2流量对工作面安全的影响较大，当流量低于6m3/min时CO2最高点浓度低于5%。研究得到，采空区注CO2影响工作面安全性三要素为：注CO2的初始浓度、初始流量、初始位置。
　　结合红庆梁煤矿11301工作面工程实例，根据现场数据对11301工作面采场数值建模，模拟采空区氧浓度与现场实测相近。实验测得最短自然发火期为27天，由自燃三带分析得到11301工作面最低安全推进度为4.48m/d，应用采空区多元惰化理论，采空区无瓦斯，模拟得到注氮10m3/min时工作面最低安全推进度可降为3.8m/d，此时不需要注CO2。对瓦斯涌出量较高的大兴矿S5903采空区惰化方案进行优化，从惰化效果，惰化成本，工作面安全性上考虑，最终确定大兴矿S5903采空区注1200m3/h的N2-CO2气体为最优方案。