摘要
随着国家经济社会发展对煤炭的持续需求，煤矿开采深度及强度不断增加，开采过程中所面临高地温、高地压、高瓦斯、煤自燃等制约因素影响日趋严重。瓦斯涌出强度增加，瓦斯灾害风险加大，漏风、高温等因素引起采空区遗煤自燃，容易诱发瓦斯燃烧、爆炸等灾害；同时，瓦斯燃烧、爆炸产生的热量又能引发煤自燃、煤尘爆炸等灾害，导致重大的人员伤亡及财产损失，瓦斯与煤自燃共生灾害预防和控制已成为煤矿安全生产过程中必须重视研究并有效解决的重要课题。因此，有必要研究瓦斯与煤自燃共生灾害的耦合机理、演化规律、预警模式和防治技术等。本文针对共生灾害的严重性及特殊性，采取理论分析、数值模拟、综合评价、系统研发等研究方法，探讨了共生灾害的耦合及演化规律，为共生灾害的适时预警及有效防控提供理论和技术支撑。论文的主要研究内容及成果为： （1）分析共生灾害特点及耦合机制。通过分析两种灾害的耦合机制，得到共生灾害是复杂时空条件下的裂隙场、氧气浓度场、瓦斯浓度场与温度场多场时空耦合作用的结果。针对瓦斯抽采条件下的各因素耦合及演化规律进行了分析，得到共生灾害的划分区域，为进一步分析共生灾害的演化过程提供了理论依据。 （2）建立共生灾害演化的多场耦合模型。分析了采空区裂隙及漏风机制，得到工作面压差、热风压以及瓦斯抽采是引起采空区漏风的主要因素。结合流体力学、传热学、多孔介质理论等理论建立了共生灾害的流-热-化场耦合演化数学模型，并确定了研究中所需的耗氧速率、放热强度等关键参数。 （3）得到不同工况下共生灾害的演化规律。通过数值模拟软件研究埋管抽采、不同风速、不同通风方式下的共生灾害演化规律，得到渗流场、气体浓度场、温度场和共生灾害区域的分布规律。结果表明：采用埋管抽采减少了工作面上隅角瓦斯积聚；风速增大，采空区共生灾害区域向中深部移动，并确定了有利于抑制共生灾害的最优风速；采用Y型通风系统并合理设置尾巷位置，可将共生灾害区域集中在采空区中深部，并具有降低瓦斯积聚的效果。 （4）构建共生灾害综合预警模型、开发预警系统、提出防控措施。在单一灾害预警模型分析基础上，提出基于温度场和浓度场的共生灾害综合预警模型。基于数值模拟结果和预警模型开发了采空区瓦斯与煤自燃共生灾害预警系统，该系统可以得到不同工况下瓦斯与煤自燃共生灾害的动态演化规律，实现预警功能目标。基于时间、瓦斯、氧气、温度等要素，结合煤矿智能化监控系统构建了共生灾害协同防控体系。
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