煤矿采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害多场演化研究进展

林柏泉，李庆钊，周 延

(1.煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116)

我国是煤炭生产和消费大国，2019年煤炭在我国一次能源结构中占比达57.7%。目前，我国约81.8%的煤炭以井工开采为主，在国有重点煤矿中，高瓦斯矿井数量占70%以上，煤自燃灾害严重的矿井占56%，同时受瓦斯和煤自燃复合灾害影响的矿井占比高达49%[1]。随着煤炭采深的增加，高瓦斯、高地温使得深井煤矿瓦斯与煤自燃复合灾害问题日趋严重。近年来，煤炭开采过程中的煤自燃引发瓦斯爆炸的事故时有发生，如2003年黑龙江宝兴煤矿采空区浮煤自燃引燃瓦斯导致爆炸，2004年铜川陈家山煤矿采空区中煤自燃引发瓦斯爆炸，2005年辽宁铁法大明煤矿废弃巷道内的煤炭自燃引起瓦斯爆炸，2006年阜矿集团五龙煤矿因为煤炭氧化自燃导致瓦斯爆炸事故，2010年辽宁大窑沟煤矿一采空区内煤炭自热产生局部高温导致瓦斯爆炸事故，2013年吉林白山八宝煤矿采空区漏风导致煤炭自然发火而引起采空区瓦斯爆炸等。统计和研究表明，采空区遗煤、围岩及邻近层瓦斯涌出占全矿井瓦斯涌出量的50%以上。由于工作面漏风，95%以上的煤自燃发生在人员无法直视或到达的采空区。因此，煤自燃是诱发采空区瓦斯爆炸灾害事故的主要点火源[2]，采空区也是煤自燃与瓦斯复合灾害发生的重要场所。

鉴于采空区复合热动力灾害的复杂性，相关学者对其展开了广泛的研究。秦波涛等[3]采用实验研究获得了 CH4与煤自燃火灾主要气体 CO 的混合气体的爆炸体积分数范围及爆炸危险度，从理论上分析了煤自燃可能引爆瓦斯的发生区域及其参与过程。周福宝[4]、李树刚等[5]通过研究指出裂隙场、CH4体积分数场、O2体积分数场和温度场的4场交汇是采空区煤自燃与瓦斯耦合致灾的充分必要条件，理论分析了瓦斯爆炸的危险区域和爆炸机理。张巨峰等[6]通过分析共生灾害的耦合关系，也指出瓦斯与煤自燃共生灾害的发生是裂隙场内的漏风氧气场、蓄热温度场、瓦斯分布场等多场耦合在时间维度上积累的结果。同时，采空区瓦斯的存在对于煤的自燃过程也存在不同程度的影响，张春等[7]研究发现煤的自然发火期受瓦斯涌出强度的增大而显著降低。截止目前，对应采空区煤自燃与瓦斯复合灾害危险区域的判定主要基于理论分析和现场实测;余明高等[8]通过测量获得了综采工作面采空区气体体积分数和温度的全线数据，在不考虑其他可燃性气体影响的条件下，采用MATLAB叠加获得了采空区耦合灾害危险区域的平面分布。杨胜强等[9]采用实验室测试、理论分析和现场测量相结合的方法对高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理进行研究，给出了采空区自燃三带的划分依据。程卫民等[10]通过对采空区各气体体积分数场的测量、重建与分析，在考虑煤自燃可燃性气体产物对 CH4爆炸界限影响的基础上，叠加确定了采空区各空间高度上耦合灾害危险区域的平面范围，同时利用三维场重建并结合空间插值技术，获得了综放采空区遗煤自燃与瓦斯耦合灾害危险区域的空间立体分布。邓军等[11]提出了采空区煤自燃预测的随机森林方法，并在矿井煤自燃预测中进行了应用和验证。徐宇等[12]采用动网格和Laplace平滑的数值模拟的手段对煤自燃与瓦斯的复合致灾隐患区域进行判定与分析，获得了工作面推进状态下采空区逐渐扩大的动态模拟及采空区孔隙率、氧气体积分数和瓦斯体积分数分布规律。王伟东[13]采用理论分析、数值模拟和现场实践等手段对乌兰煤矿II020803工作面采空区瓦斯与遗煤自燃耦合灾害进行了研究，获得了采空区瓦斯爆炸危险区域的分布。

在相关学者的不断深入研究下，采空区煤自燃和瓦斯爆炸复合灾害的致灾机理及防治技术均取得了较大进展，但由于采空区煤自燃与瓦斯之间复杂的耦合关系使得较难准确揭示采空区内复杂环境下的动态演变特性，因此也限制了对于耦合灾害发生位置和灾害发展程度的有效判定。虽然已有学者建立了相关的数值模型也对采空区复合灾害危险区域进行了圈定，但模型的有效性尚缺乏合理的验证。因此，结合采空区实际条件，对煤矿采空区复合热动力灾害的多场演化规律进行的探索和分析，对煤矿的安全生产有着非常重要的实际意义。鉴于此，笔者对已有文献进行了分析，结合所承担的国家重点研发计划项目课题三“煤矿热动力灾害在线预警技术与装备”的研究成果，对采空区复合热动力灾害多场演化研究所涉及的研究方法、平台、最新进展进行了系统的分析，探讨了煤矿采空区复合热动力灾害多场演化规律研究的发展趋势，为今后采空区复合热动力灾害致灾机理的揭示及预警技术研发提供参考。

1 采空区热动力灾害的主要特征

煤层开采过后，垮落的上覆岩层在采空区会形成大量形状不规则的垮落岩体，不同区域受压实程度的差异将导致采空区堆积岩体内存在大量的空隙[14]，其不仅构成了漏风通道，还为瓦斯的积聚提供了空间[15]。在合适的漏风条件下，采空区遗煤极易发生自燃[16]，而煤自燃又可能会引起采空区瓦斯的爆炸[17-18]，由于采空区的复杂性等使得采空区内瓦斯与煤自燃复合热动力灾害表现出下述典型的特征。

1.1 隐蔽性

采空区是煤炭回采后上覆岩层冒落形成的堆积煤岩空隙体，其垮落的随机性、堆积体的多尺度以及复杂的内部环境，使发生热动力灾害区域具有较强的隐蔽性，导致对采空区复合灾害发展过程和危险程度的精准判定较为困难。因此极易导致采空区自燃“三带”划分不准、瓦斯爆炸危险区域不清楚、次生灾害诱发条件不明确等实际困难[19-20]。

1.2 耦合性

采空区热动力灾害具有强烈的耦合性,主要体现在煤自燃、煤尘燃烧、瓦斯爆炸等灾害之间的相互影响关系上。如图1所示，采空区不同压实程度的煤岩体将导致采空区漏风并为煤自燃提供特定的蓄热条件，在合适的供氧及蓄热条件下极易导致易自燃煤的自然发火并形成高温热源，同时也不同程度的释放可燃性气态组分如CO，H2，C2H4，C2H6等气体[21-23]，其也在一定程度上影响瓦斯的爆炸极限[24]。由于采空区卸压瓦斯的释放及漏风风流的影响，使得卸压瓦斯在采空区特定区域发生积聚，当采空区瓦斯体积分数、氧气体积分数及煤自燃温度合适的条件下有可能导致采空区瓦斯爆炸，同时也可将比表面积更大的煤尘引燃[25]，瓦斯煤尘的爆炸及燃烧将形成移动的火源，进一步促进了煤的氧化进程，极易造成采空区热动力灾害规模扩大。

图1 采空区瓦斯与煤自燃复合灾害的耦合特性Fig.1 Coupling characteristics of gas and coal spontaneous combustion in goaf

1.3 动态性

在工作面不断推进过程中，上覆岩层在重力作用下，采空区煤岩体的破碎程度时刻发生变化，采空区垮落煤岩在被不断压实过程中也使得采空区瓦斯的渗流路径表现出动态变化的特征，这些因素也直接影响了采空区热动力灾害的发展进程[26-27]。在工作面漏风、遗煤瓦斯涌出的共同作用下，采空区极易出现采空区内瓦斯体积分数处于其爆炸极限范围内的危险区带，特别是在煤自燃环境下，含瓦斯混合气体的爆炸敏感性将表现出与煤自燃进程相关联的动态变化的特征，即使煤自燃所释放的少量可燃气体的参与也会显著改变含瓦斯混合气体的点火能量和爆炸敏感性。

1.4 复杂性

从灾害发生演化过程的角度看，采空区热动力灾害的复杂性主要体现为灾害发展的非线性的热力学和动力学过程。采空区热动力灾害耦合因素众多、致灾因素复杂多变，且各致灾因素相互耦合、相互转化，导致采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害表现出显著的复杂性。

2 采空区热动力灾害多场演化特性

受煤矿井下采空区实际情况的限制，采空区瓦斯与煤自燃复合灾害相关演化规律的研究缺乏有效的探测手段。为此，研究者们先后基于不同的研究目的，针对煤矿井下采空区构建了不同的实验室规模的相似模拟平台，构建了采空区多场耦合的简化的数学模型，并以此为基础探讨了采空区气体体积分数场、煤自燃温度场、风压场等的相关演化规律，初步提出了采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害风险的判断方法。

2.1 采空区多场演化研究的相似实验平台

煤矿井下采空区内部环境复杂，现场测试数据量有限。在一定几何相似条件下，通过相似模拟实验可望再现井下采空区的真实状态。由于实验室测试具有可重复性好、数据测试全面的优势，因此众多学者通过搭建相似实验平台(图2)，研究了采空区内部的流场、气体体积分数场以及温度场。

图2 采空区相似模拟实验平台Fig.2 Similar simulation experiment platform of coalmine goaf

SU等[28-29]搭建了倾角可调的采空区模型，分析了风量、煤层倾角对采空区氧体积分数分布的影响。文虎等[33]以物理相似材料模拟实验理论和方法为基础，搭建了小型采空区气体渗流相似模拟实验平台，并开展实验研究掌握了采空区漏风流场分布规律。秦跃平等[34]基于相似理论搭建了综放工作面采空区模型，研究了U型、E型两种通风方式下采空区流场及瓦斯运移特性。王树刚等[30]建立了U型通风条件下采空区实验台，研究了采空区的温度分布状态以及热输运现象。余照阳[31]构建了三维非均质采空区流场模型实验台，研究了U 型通风和“U+I”通风条件下，采空区氧气场、瓦斯场和漏风流场特征及采空区遗煤氧化气氛特性。常绪华[35]开展了高温煤体诱发瓦斯燃烧实验，发现封闭空间内可燃气体体积分数会大于其爆炸上限而失去爆炸性，并指出工作面煤柱、顶煤和上邻近煤层提前氧化区域在压裂或冒落进采空区时易引燃瓦斯。LI等[32]搭建了采空区煤自燃与瓦斯耦合实验平台，发现采空区高温火源点附近易出现瓦斯积聚现象。

对于采空区煤自燃的模拟，已有的试验平台多采用加热器或蜂窝煤来模拟温度场的演化[32]，无法再现煤自燃在采空区内的动态演化过程。为此，笔者搭建了采空区热动力灾害热态模拟试验平台，如图3所示，通过分布式的点式电热源实现了采空区煤自燃过程的动态演化模拟和多场参数的信息探测。

图3 采空区热动力灾害模拟试验模拟平台Fig.3 Simulation test platform of thermodynamic disaster in coalmine goaf

2.2 采空区多场耦合数学模型

数值计算是研究采空区内气体体积分数场、温度场以及瓦斯与煤自燃耦合的重要手段[36-37]，广大学者对采空区耦合模型进行了广泛深入的研究。李宗翔等[38]基于采空区“O”型冒落特性以及采空区非均匀耗氧特征，建立了采空区非线性渗流-多组分气体-温度场和非均匀耗氧的数值模型。XIA等[39]建立了采空区瓦斯与煤自燃复合共生环境多场耦合模型(图4(a)中，vg为气相速度，m/s;hsg为气固相换热系数，W/(m2·K);Asg为气固换热面积，m2;Ts为固相温度，K;Tg为气相温度，K)，并分析了风量、风阻、工作面推进度对采空区瓦斯与煤自燃耦合作用的影响。秦跃平等[40]建立了移动坐标下的采空区漏风流场、氧体积分数场和温度场相耦合的自然发火数学模型，研究了不同推进速度下采空区氧体积分数场、温度场的分布规律。刘伟等[41]建立了采空区自然发火多场耦合三维数学模型(图4(b))，描述了采空区遗煤自燃过程中的空气流动、氧气消耗与扩散、遗煤放热及温度上升的基本规律。杨卓明[42]建立了基于流管的多场耦合三维动态解算模型，研究了流管中存在热源时，热的传播规律及其对整个流场的影响规律。

图4 采空区多场耦合模型Fig.4 Multi-field coupling model of coalmine goaf

徐宇等[43]通过对渗流场、体积分数场和能量场多物理场耦合求解，建立了工作面推进过程中煤自燃与瓦斯涌出的动态数值模型。ZHANG等[44]建立了三维瞬态非平衡热CFD模型，该模型包括煤氧化的低温动力学、能量和质量守恒、动量平衡和连续性方程。

采空区煤岩压实程度是采空区气流场、煤自燃温度场及多场演化规律的基础，笔者以采空区煤岩不同压实程度下的渗透率为基础，建立了采空区气流场及煤自燃气固温度场耦合模型(图5中，cg为气体浓度,mol/m3;Dga为气体的分子扩散系数,m2/s;W(O2)为体氧化耗氧速率,mol/(m3·s);H1为煤体厚度,m;H为垮落带高度,m;A为煤矸石的氧化指前因子,s-1;c(O2)为氧气浓度,mol/m3;Ea为活化能,kJ/mol;R为普适气体常数,J/(mol·K);k为渗透率,m2;dp为多孔介质的颗粒直径,m;n为空隙率;Kp(x,y)为冒落煤岩体的碎涨系数;ρg为混合气体密度,kg/m3;cpg为气相比热容,J/(kg·K);κg为气相热传导系数,J/(m·s·K))。

图5 煤自燃过程多组分气体流固耦合传热模型Fig.5 Gas-solid coupling heat transfer of multi-component gas model for coal spontaneous combustion

获得了不同条件下的采空区气体运移的演化规律。

2.3 采空区多场耦合演化规律

(1)气体体积分数场。受巷帮以及工作面支撑作用的影响，靠近工作面以及巷帮附近的冒落岩体较为松散，渗透率较大，在此范围内漏风强度较大，氧气体积分数较高;采空区中部及深部区域破碎岩体逐渐被压实,漏风阻力增大,采空区氧气体积分数呈不对称分布,进风侧的氧气体积分数分布区域较回风侧更深入。随着采空区遗煤氧化过程的进行，在氧化中心带，氧气体积分数表现为减少的趋势[45-46]。随着走向和倾向距离的增加，采空区瓦斯体积分数逐渐增大，回风巷一侧瓦斯体积分数较进风巷一侧体积分数大[47-48]。由图5可知，采空区出现遗煤氧化升温现象后，高温热源周围的瓦斯体积分数随着温度的升高而升高。笔者研究指出，工作面风流速度是影响采空区煤自燃及多场演化过程的一个重要因素，煤自燃传播表现出易趋向于沿富氧区域方向发展的特性。

(2)温度场。采空区遗煤在漏风条件下会氧化升温，在合适的蓄热条件下，遗煤温度会持续升高，最终出现明火。温度是煤自燃发展程度的重要信息，因此众多学者对采空区温度场展开了研究。马尚权等[49]利用光栅光纤技术在古城煤矿采空区进行采空区温度测试，发现进风侧升温梯度大，是自然发火的重灾区。梅胜凯[50]在刘庄煤矿进行采空区内部测温，通过温升速率判断进风侧距工作面20～118 m为氧化带，回风侧23～97 m为氧化带。袁飞等[51]利用自发热材料在空气中的氧化特性模拟采空区氧化升温，发现采空区实高温区域距工作面深度为50～80 m。王树刚等[30]利用加热器模拟地温场及采空区遗煤氧化放热，发现采空区温度场呈现由进风口到回风口先上升再下降的分布规律，并在采空区倾向中心线偏回风口20～30 m处出现温度峰值。李宗翔等[38]通过对采空区漏风进行数值模拟，发现采空区火区一般处在接近压实的区域边缘，高温点靠近进风侧的上游。XIA等[52]通过对U型工作面采空区进行模拟，发现高温火源出现在进风侧，进而通过对U型通风+尾巷抽采进行采空区模拟，发现进风侧、回风侧均出现高温火源点。笔者研究发现，采空区煤自燃在临界温度前后表现为不同的演化特性，在低温氧化阶段区域沿气流方向传播，而高温快速氧化阶段则易趋向富氧方向传播。

(3)风压场。风压场是造成采空区漏风的关键，通常工作面漏风入口处风压较大，在采空区中部，风压逐渐减小[53]。工作面压差是造成采空区漏风主要原因，分析采空区内部压力场对了解采空区漏风具有重要意义。蒋曙光和王省身[54]通过相似模拟实验展开采空区压力场研究，发现压力梯度最大值出现在工作面上下隅角，工作面压差决定了压力场的变化幅度，而内部压力分布只取决于采空区的物理特性。余照阳[31]通过测试U型采空区实验模型进回风巷两端的压差，发现随着进回风压差的增大，漏风流场的扰动范围增大。笔者以研发平台为基础，通过实测模拟采空区内的压力场发现，进风侧压力等值线呈倾斜分布，漏风流进入采空区后向回风侧及上隅角运移，并使瓦斯在回风侧深部积聚。

2.4 采空区复合热动力灾害的关键影响因素

采空区卸压瓦斯与煤自燃是复合热动力灾害致灾的必要条件，采空区自然发火不仅取决于原煤本身的自燃氧化性，而且与采空区内冒落岩石堆放压实状况、遗煤的分布、采空区内漏风源、漏风汇的位置和强度等因素有关，同时受工作面的推进速度的影响。杨永良等[55]通过研究顶板的冒落特性与采空区自燃规律之间的相互关系，发现2种方式得出的采空区煤自燃的“三带”分布具有较好的一致性。已有的研究也发现，在对采空区瓦斯的治理中，采空区卸压瓦斯的抽采对采空区漏风及采空区遗煤的自燃则具有重要的影响。邓军等[56]、张辛亥等[57]研究发现，采空区瓦斯抽采将使得采空区漏风状态发生改变，瓦斯抽采条件下采空区氧化带将向采空区深入且使得氧化带范围向回风侧扩大，王政等[58]、文虎等[59]、褚廷湘等[60]通过对采空区抽采条件下的漏风流场、煤自燃危险区域进行研究，提出了回采工作面最小安全推进度及采空区瓦斯合理抽采量等用于采空区瓦斯抽采与遗煤自燃综合治理的实施方案。基于对高抽巷及采空区卸压瓦斯立体抽采等方式下瓦斯与煤自燃的耦合作用特性的研究，余明高等[61]、杨胜强等[62]、肖俊峰等[63]、宣德全等[64]等研究发现，在不同瓦斯抽采条件下，采空区煤自燃“三带”的划分将变的更为复杂。与此同时，采空区瓦斯抽采负压的高低[65]、抽采流量的大小以及注氮防灭火技术措施[66]等都对采空区的漏风状态及氧化带的范围具有重要的影响。

由此可知，采空区顶板垮落导致的压实状态的差异、卸压瓦斯治理中的瓦斯抽采方式、抽采负压、流量等对采空区内的瓦斯分布、煤自燃的三带范围产生重要的影响，也成为煤自燃与瓦斯复合热动力灾害发生与发展的关键控制因素。

2.5 采空区热动力灾害信息探测技术与方法

采空区煤自燃灾害治理的前提是圈定煤自燃发生的位置及范围，由于采空区的复杂性，使得采空区复杂条件下灾害的信息探测与火源定位一直是热动力灾害研究的热点和难点。目前曾尝试用于探测地下煤火的技术主要包括地质雷达法、遥感法、高密度电法、磁法、电阻率法、测氡法等[67]。张俊英等[68]建立了基于同位素测氡的地下火区圈划的计算方法，文虎等[69]设计了一种可用于采空区的分布式光纤测温系统(DTS)，王伟峰等[70]根据火区钻孔温度监测的实际需求，提出了无线自组网技术、移动通信技术、互联网技术与温度传感器相结合的监测方法。梁运涛等[71]通过探索基于多元电磁方法的隐蔽火源探测技术，指出基于红外遥感、磁法和电法的多元信息探测将是隐蔽火源探测的发展趋势。

2.6 采空区复合热动力灾害的判别方法

当采空区遗煤发生自燃后，煤自燃高温区域将不断发生迁移，造成采空区瓦斯气体爆炸极限受气体组分和温度的影响也表现出动态变化的特征，当高温区域与瓦斯爆炸风险区域相互叠加后，易导致瓦斯爆炸现象出现。为了避免采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害的发生，势必要明确采空区瓦斯爆炸危险区域的范围及其动态演化规律，提出更加可靠的危险性评价指标。时国庆等[72]对火区烟气影响下的瓦斯爆炸危险性开展了研究，瓦斯爆炸极限随火区发展进程而不断发生变化。LI等[32]通过实验分析了自燃诱发瓦斯燃烧的可能区域和过程，认为采空区发生爆炸的区域就是在采空区煤自燃带与采空区混合瓦斯气体爆炸体积分数范围交汇区。程卫民等[10]研究了综放采空区瓦斯与遗煤自燃耦合灾害危险区域重建技术，重建出耦合灾害危险区域空间立体分布情况，并对灾害空间参数进行了提取。以采空区瓦斯与煤自燃复合灾害危险区域的动态演化规律为基础，笔者也提出一种基于采空区裂隙场、温度场、氧气体积分数场和瓦斯体积分数场4场耦合的采空区煤自燃与瓦斯复合灾害危险性评价方法。

当采空区发生煤自燃时，所需氧体积分数要大于自燃的临界氧体积分数，且要求具有合适的煤岩空隙尺度、温度超过煤自燃的临界温度，即

(1)

式中，nL(O2)，nH(O2)分别为采空区裂隙场满足自燃蓄热条件的最小与最大空隙率;C(O2)为氧体积分数，%;CL(O2)为煤自燃所需的最小氧体积分数，%;T为采空区煤体自燃升温后的温度，℃;TC为煤自燃临界温度，℃。

若采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸且爆炸能够传播时，采空区的氧体积分数须超过瓦斯爆炸所需的最小氧体积分数，且瓦斯体积分数处于爆炸极限内，即

(2)

式中，nL(CH4),nH(CH4)分别为瓦斯爆炸发生与传播的最小与最大空间的空隙率；C′(O2)为瓦斯爆炸氧气体积分数下限，%；CL(CH4),CH(CH4)分别为发生瓦斯爆炸的体积分数的下、上限，%;TS为瓦斯爆炸温度,℃。

因此，采空区堆积煤岩体的特定空隙率是瓦斯爆炸发生与传播的必要条件。以式(1)，(2)为基础，构建了采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害危险区域划分的依据：

(3)

3 采空区复合热动力灾害研究展望

煤矿采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害是由于煤矿井下采空区多种致灾因素的热动力特性超出其有效控制范围而引发采空区内的原发性与继发性链式热动力灾害的总称，由于其灾害种类多、致灾因素复杂且相互耦合，且随工作面推进而呈现出动态变化的特性。同时，由于采空区可探测性差、灾害源精准定位难、预警难、治理难。因此，采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害的研究尚存在诸多难题亟待深入探索。

3.1 采空区多灾种间的互馈耦合作用机理

采空区是瓦斯积聚及煤自燃易发的主要场所，已有的研究表明采空区瓦斯的存在对煤的氧化过程存在重要的影响。与此同时，煤自燃所释放的多种可燃组分(如CO，C2H4，C2H6，H2等)，包括采空区岩石垮落而导致的气流冲击扬尘，使得采空区冒落煤岩体空隙内的可燃体系表现出“多元(多种可燃气体)、多相(气体与粉尘)”的特性，其与单一组分的瓦斯气体爆炸特性存在显著不同[73]，由此可以推断，煤自燃高温区域的存在势必也会对采空区瓦斯的运移及富集区域具有重要的影响。然而，由于采空区垮落煤岩的复杂性，采空区空隙率分布及采空区漏风状态尚停留在依靠经验确定，由此使得采空区煤自燃及瓦斯积聚的准确定位依然存在困难。因此，探究采空区垮落煤岩的空隙分布规律及其关键影响因素、采空区漏风状态、由此引起的含瓦斯气态混合体系的运移富集规律及其与煤自燃等各灾种间的互馈影响特性、采空区瓦斯与煤自燃复合灾害的致灾机理是采空区复合灾害防治的理论基础。

3.2 采空区复合灾害多场耦合动态演化规律

随着煤层开采，其直接顶和基本顶在矿山压力作用下将发生垮落，在工作面后方采空区将形成由遗煤、垮落岩石所形成的复杂的、动态变化的冒落空间及次生裂隙，成为采空区瓦斯积聚及煤自燃的重要区域[74]。当煤自燃温度达650～750 ℃时，在合适的氧体积分数以及瓦斯体积分数条件下，冒落岩体空隙中积聚的瓦斯将被点燃，从而引发瓦斯燃烧或爆炸，其将沿富氧通道向工作面蔓延，极易导致工作面瓦斯爆炸事故。受煤炭回采工艺及通风条件的影响，采空区煤岩体的压实程度、通风蓄热条件、遗煤区域分布以及煤自燃条件下的温度场、瓦斯运移积聚特性、风压场、多组分气体的体积分数场均呈相互耦合的动态分布特征。因此，探索多因素耦合条件下采空区的多场演化规律对于揭示采空区复合热动力灾害的致灾机理、灾害发展过程判定、区域定位与灾害治理具有极其重要的实际意义。

3.3 采空区复合灾害关键致灾因素及其临界指标

采空区煤自燃诱发瓦斯燃烧爆炸是典型的复合热动力灾害现象，采空区环境状态参数监测是采空区复合热动力灾害预警的重要手段。然而，由于采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害时空动态演变的本质属性，使得传统基于气体、温度等静态临界指标的固定阈值的预警方法具有很大的局限性，难以实现采空区多场动态演化条件下复合灾害风险的精准辨识，也无法准确反映采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的灾情演变过程。因此，有必要从煤矿井下采场及采空区的环境参数变化以及与此相耦合的灾害演变进程进行双重分析，系统研究煤岩赋存特性、回采工艺、通风条件等控制下的采空区复合热动力灾害的致灾特性以及灾害演变过程中的温度、气体组分、气体压力等采空区环境状态参数的动态变化规律，明确不同环境状态参数与采空区灾害演变进程的对应关系，揭示灾害演变进程与环境参数之间的动态耦合特征，建立灾害耦合演变分级预警的动态指标体系，为采空区复合热动力灾害的监测预警提供理论基础。

3.4 采空区复合灾害监测预警理论与技术

随着探测、监测及传感器技术的发展以及煤矿井下大数据、云计算、机器学习等信息处理技术平台的建设和逐步完善，煤矿灾害包括采空区复合热动力灾害的监测、预警及综合防控正向原位、精准、持续和多参数融合的方向发展，研发煤矿采空区瓦斯与煤自燃灾害耦合演变预警多元信息自适应感知技术，是实现灾害精准防治的关键。此外，在多灾种耦合共生条件下，传统单一灾害监测的特征参数正逐步被采空区多灾种耦合演变过程的多源异构实时流式数据链所替代。因此，如何实现大数据背景下实时监测预警流式数据的智能融合与挖掘，提出灾害预警实时流式数据分析处理架构、开发出基于人工智能的预警算法和软件，是实现多灾种耦合信息动态处理亟需破解的重大难题。与此同时，常规采空区监测系统的环境自适应性差、响应缓慢、可靠性低，难以适应采空区恶劣的环境条件，使得其误报、漏报率高，无法实现复合型热动力灾害的精准监测预警。因此，开发井下原位多参数气体在线分析及热环境分布式时空协同监测装备，实现监测预警软硬件系统的集成是煤矿采空区复合灾害在线预警与综合防控一体化应用实践亟需破解的瓶颈。

4 结 语

综述了我国采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害发生的现状，分析了该领域的国内外最新研究进展。采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害具有隐蔽性、耦合型、动态性、复杂性的属性，由此导致灾害表现出风险大、辨识难、预警难、防治难的特点。通过分析国内外关于采空区复合热动力灾害多场演化规律的研究平台、多场耦合数学模型、多场耦合演化规律及采空区复合热动力灾害的判别方法的最新进展，指出采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害亟需在多灾种间的互馈耦合作用机理、多场耦合动态演化规律、复合灾害关键致灾因素及其临界指标、采空区复合灾害监测-预警-综合防控一体化理论与技术等方面展开进一步深入的研究与探索。