我国煤矿以综采、综放等高强度开采方式为主,工作面推进速度快,大面积的封闭采空区(老空区)形成速度也快。随着时间的推移,老空区瓦斯储量将越来越大,由于受地应力和采掘作业的持续影响,老采空区的保护煤柱和密闭设施的密封性会有所降低。当采空区外界环境条件发生变化时,密闭设施附近会产生“呼吸”现象,“呼吸”现象严重时将会影响井下的安全生产。因此,掌握矿区不同地面大气参数条件下老空区“呼吸”现象特征和产生机理,设计安全可行的防治技术方案,对于预防矿井封闭采空区密闭处的瓦斯异常涌出和瓦斯超限问题,具有重要的指导意义和工程价值。运用通风能量方程和理想气体状态方程理论分析了“呼吸”现象的产生机理,结合达西定律得到了密闭内外压差与密闭外瓦斯浓度的关系表达式。结果表明,封闭采空区“呼吸”现象的产生是地面大气参数、井巷风流参数、井巷特征和采空区内气体状态参数综合作用的结果,在密闭内外压差的持续作用下,老空区会与外界产生气体交换。现场研究了老空区“呼吸”现象的基本特征。结果表明,当密闭内外压差分别为正值和负值时,采空区内气体压力分别呈逐渐降低和逐渐升高趋势;采空区内气压变化幅度很小,密闭内外压差产生正负交替的主导因素为密闭外空气静压的波动;当井巷特征和井巷风量稳定时,密闭外侧空气静压的变化趋势与地面大气压相似,与地面大气温度相反;在密闭渗透率和密闭外侧风量比较稳定的前提下,密闭内外压差为正值时,密闭外瓦斯浓度与密闭内外压差呈正相关关系,两者的变化趋势相似。基于自建的实验系统,重现了封闭采空区“呼吸”现象。研究了井口大气参数、巷道风阻、风机静压以及封闭区环境温度对封闭采空区密闭内外压差的影响。实验结果表明:(1)在通风状态不改变的前提下,模型采空区密闭外侧空气静压与井口大气压是同步变化的,封闭区气体压力与其环境温度变化趋势相似。在密闭内侧气压较为稳定的时段,密闭内外侧压差与密闭外侧静压变化趋势相反;在密闭外侧静压较为稳定的时段,内外侧压差对密闭内侧静压比较敏感,两者变化趋势基本相似。(2)改变通风状态会引起密闭内外压差在短时间内发生突然变化。在一进一回系统中,减小主井筒风阻、增加回风井筒风阻、增加风机静压均会引起密闭外侧静压大幅增加,而封闭区内气压在短时间内基本稳定,导致密闭内外压差大幅减小;在两进一回系统中,减小副井筒风阻会引起密闭外侧静压突然减小,而封闭区内气压在短时间内基本稳定,导致密闭内外压差突然增大。(3)减少或增加模型封闭区内气体的量会引起封闭区内气压减小或增加,密闭内外压差则相应地减小或增加。应用封闭气体浓度变化的数学模型分析了当采空区分别处于“呼气”和“吸气”状态时,漏风量系数对采空区内甲烷和氧气的浓度的影响。结果表明,在“呼气”状态下,当密闭漏风系数不变时,甲烷浓度是逐渐上升的,氧气浓度是逐渐下降的;在相同的正压差条件下,甲烷浓度的上升速度和氧气浓度的下降速度均随着密闭漏风系数的增加而增加。在“吸气”状态下,当密闭漏风系数不变时,甲烷浓度是逐渐下降的,氧气浓度是逐渐上升的;在相同的负压差条件下,甲烷浓度的下降速度和氧气浓度的上升速度均随着密闭漏风系数的增加而增加。基于现场老空区内气体组分分析结果,应用Coward法和爆炸危险系数的基本原理,研究了“呼吸”现象过程中不同漏风量系数条件下采空区爆炸危险系数的变化规律。结果表明,状态点移动速度和爆炸危险性系数值变化速度随采空区漏风量系数的增加而加快,采空区爆炸危险性级别的转变受密闭内外压差、密闭漏风量系数以及状态点初始位置的共同制约。利用CFD技术建立了瓦斯释放区域的数值模型,分析了不同风流流量及管道瓦斯流速条件下释放区瓦斯的扩散规律。结果显示,受巷道风流的影响,在巷道截面横向上瓦斯整体往采区回风巷左侧扩散,在巷道截面纵向上瓦斯整体往巷道顶板附近扩散。当管道瓦斯流速或巷道风量增大时,瓦斯扩散范围沿巷道风流方向逐渐扩大。从释放管口下风侧各横截面上瓦斯浓度分布来看,离释放管口越远,瓦斯浓度越小。现场观测了瓦斯释放时间段内管道内外压差和释放区域瓦斯浓度的变化规律,确定了基于压差阈值和瓦斯浓度阈值的联合调控思路,提出了电动阀门开度的分级调控方案,研制了以电动阀门、微压差传感器、低浓度甲烷传感器和自动控制箱为核心的封闭采空区瓦斯释放自动调控系统,并在瓦斯释放管路上设计了自动喷粉抑爆系统,保障了释放系统的安全可靠性。