无煤柱自成巷开采技术—110工法被称为我国矿业技术变革的第三次探索,目前已在全国范围内进行了推广并取得了巨大成果。该技术在应用过程中存在留巷段采空区自然发火灾害严重的难题,再加上瓦斯涌出和瓦斯抽采对其影响,使得该技术条件下采空区自然发火的防治更加困难。本文以具体的工程实例为研究背景,对高瓦斯矿井切顶成巷条件下采空区自然发火特征及其防治技术进行了系统的研究。通过理论分析,确定了切顶沿空留巷直接顶和基本顶的断裂特征和垮落模型。利用离散元模拟软件PFC对切顶沿空留巷无煤柱开采进行数值模拟,得到了该技术条件下采空区覆岩的垮落、应力、裂隙和空隙率的时空变化规律,确定了导气带的范围。通过理论计算和现场实测验证了 PFC模拟切顶沿空留巷覆岩垮落过程的可行性。通过PFC空隙率的模拟结果拟合得到采空区空隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数的空间分布,并利用UDF功能导入到FLUENT计算中,建立了切顶成巷条件下采空区三维流场PFC-FLUENT耦合数值模拟模型。通过现场瓦斯监测和低温氧化实验分别得到采空区的瓦斯涌出速率和氧气消耗速率。基于PFC-FLUENT耦合模型的模拟结果表明:切顶改变了采场应力、裂隙和空隙率分布,增大了采空区覆岩垮落带的高度。切顶沿空留巷与传统的沿空留巷相比,采空区瓦斯和氧气空间分布具有明显的差异。切顶沿空留巷工作面采用“Y”型通风有利于上隅角瓦斯的防治,但沿空留巷尾段易出现瓦斯积聚点。同时自燃带宽度和深度明显增大,且在沿空留巷侧出现了条带状自燃带。采用“W”型通风时,巷道内瓦斯在工作面上隅角附近出现了明显的积聚。采空区内部的自燃带宽度明显降低,在沿空留巷尾段进风流高气压条件下,工作面下隅角附近漏风量明显降低,高浓度氧气向采空区内部扩散的距离同样显著降低。切顶沿空留巷“W”型通风有利于降低工作面向采空区的漏风,有利于自然发火的防治。但在切顶沿空留巷尾段开切眼附近,出现了明显的自燃带,且该自燃带不会随着工作面的推进进入窒息带,会在整个回采过程中长期存在。在采空区内部的漏风路径上,瓦斯涌出具有“沿程增阻”效应,且“沿程增阻”效应随着涌出强度的增大而增大。不同瓦斯涌出强度条件下,采空区自燃带向工作面“收缩”,且瓦斯涌出强度越大,“收缩效应”越显著。在无耗氧的理想情况下,瓦斯是以驱替的方式挤占和稀释采空区风流中的氧,使氧浓度降低,即瓦斯相对强势地涌出等价于氧被吸附消耗。高位钻孔瓦斯抽采对自燃带的影响主要体现在工作面侧的支撑离层带的范围内。高位钻孔距离沿空留巷越近,越有利于抑制留巷向采空区深部的漏风。垮落带埋管抽采能够迅速降低采空区内的瓦斯浓度,有效控制留巷尾段的瓦斯积聚,但其同样显著增大了留巷侧自燃带宽度,且该位置的自燃带并不会随着工作面的推进而逐渐进入窒息带。利用热重与气相色谱联用技术进行了 30—800℃范围内含瓦斯贫氧环境下的煤氧反应实验。引入TG-S/DTG-S校正曲线较准确地分析了煤氧反应过程。当未发生燃烧和热解反应时,瓦斯作为惰性气体,可以延缓煤氧反应中CO和CO2的生成,减慢煤氧反应速率,增大煤样的着火温度,上述效果随着氧气浓度的降低而增大,且相同氧浓度下瓦斯对煤氧反应的抑制作用优于N2。当温度>500℃时,瓦斯发生燃烧和热解反应。瓦斯的直接燃烧和瓦斯热解生成的C和H2的燃烧消耗大量的氧气,从而抑制甚至终止了煤氧反应过程。瓦斯发生燃烧和热解反应时,O2、CO、CO2和H2会发生“阶梯性”变化,可以将上述气体的突变过程作为判断矿井火区是否发生了瓦斯燃烧(爆炸)的依据。利用程序升温设备进行了 30—230℃范围内含瓦斯贫氧环境下煤氧反应低温氧化实验。含瓦斯贫氧环境下,不同氧气浓度对CO、CO2、H2和C2H6的生成具有明显的延缓作用,从而影响自然发火的预测指标。温度小于170℃时,不同氧气浓度下的R3((+ΔCO/+ΔC02)× 100%)值与温度之间符合相同的指数关系式,可以选用R3值作为采空区含瓦斯贫氧环境中遗煤自然发火的预测指标。同时引入了单位质量遗煤指标气体的绝对生成量(CCO,CCO2和和CC2H6)来减少漏风量和遗煤量对自然发火预测指标的影响。根据实验数据对CCO,CCO2,CC2H6与温度和氧气浓度的关系进行拟合,分别得到CCO,CCO2,CC2H6与温度和氧气浓度的对应关系图,通过关系图得到不同氧气浓度下预测指标与温度的对应值,从而准确确定高瓦斯矿井采空区自然发火程度。在高瓦斯矿井切顶沿空留巷采空区自然发火特征研究的基础上,提出了切顶沿空留巷侧阶段性喷涂堵漏,N2-阻化细水雾防灭火和监测监控相结合的防治技术。将切顶沿空留巷工作面划分为超前支护区,架后临时支护区和成巷稳定区。提出了自切眼附近进行沿空留巷侧阶段性喷涂的堵漏风方式,并对切顶沿空留巷侧阶段性喷涂堵漏防灭火技术进行了数值模拟和现场应用。根据高瓦斯矿井切顶成巷条件下漏风量大,漏风源汇多的特点,提出了 N2-阻化细水雾防灭火技术,研发了相应的设备,进行了N2-阻化细水雾防火和灭火实验,确定了 N2、阻化剂和细水雾在防火和灭火过程中各自的作用机制及其相互之间的协同效应。根据高瓦斯矿井切顶沿空留巷采空区自燃带分布,最终确定了 N2-阻化细水雾装备的现场布置和使用方式。通过布置采空区束管监测系统、沿空留巷沿程埋管监测、埋管抽采孔内监测和高位抽采孔内监测对高瓦斯矿井切顶成巷采空区自然发火进行监测,利用相应的指标和准则对灾害特征及其所处阶段进行预测。本文的研究成果对认识高瓦斯矿井切顶成巷无煤柱开采技术条件下采空区自然发火特征,提出有效的防治措施,保障该技术的顺利推广和矿井的安全生产具有重要意义。