随着煤炭开采范围的不断延伸,许多人口密集的城市和村庄的市政环境正在遭受采煤活动的破坏,其中煤矸石的污染问题和采空区地表塌陷的问题一直是最严重的威胁之一。而井下充填煤矸石可为煤矸石提供消纳空间,减少煤矸石压占土地,是煤矸石利用的途径之一;同时也可以减少地表沉陷,降低地表沉陷对地面市政基础设施的破坏,是一举两得的解决办法。井下煤矸石充填体处于多物理场的环境中。巷道通风导致富氧鲜风源源不断地向矸石孔隙内扩散,引发矸石内部黄铁矿物的氧化放热反应,释放大量热量;如果充填体的散热量小于产热量,就会不断蓄热升温,直至到达矸石中可燃物的着火点而引发自燃现象。煤矸石充填体一旦发生自燃,后果不堪设想。为了深入研究井下煤矸石充填体的自燃问题,本文围绕充填体在复杂多物理场条件下的耦合状态,进行理论分析、数学建模和数值模拟的研究。分析了煤矸石的自燃理论和自燃倾向性,提出全硫含量大于1.0%、热值大于4.18MJ/kg是判断煤矸石充填体自燃倾向性的内因阈值条件,煤矸石破碎程度、充填速度和通风状况则是外因条件,并通过实验进行了测试。研究了充填体的热量传输机制,得到了充填体空气流场、氧气浓度场、固体温度场和气体温度场的多场耦合机理图。以首阳矿15104综采工作面二采区作为充填试验区,通过计算确定井下充填巷的宽度为5m。以该试验区为基础,建立了完整的井下煤矸石充填体多场耦合的数学模型。利用COMSOL Multiphysics进行了数值模拟,揭示了各物理场的变化规律。以多场耦合温度指标为核心,建立了自燃危险区域的判定标准。危险阈值温度为45℃,自燃危险区域范围为12.26m至28.92m,危险区域长度为16.66m。通过对比指出温度指标比浓度指标更合理、更安全。分析了巷道宽度对充填体自燃危险区域范围的影响,发现巷道宽度与危险区域长度呈一次线性关系,并得到了线性拟合公式。得出在设计充填方案的巷道宽度时,应在允许的范围内取较大值的结论。最后求解出防止试验区充填体自燃的理论最小充填作业速度为0.28m/d。综合以上研究成果,为井下煤矸石充填体的自燃管控提供理论依据。该论文有图42幅,表15个,公式94个,参考文献89篇。