由于采空区内条件的复杂性,防治采空区及工作面瓦斯爆炸一直是煤矿安全工作的重点和难点,遏制采空区瓦斯爆炸事故对保障我国煤炭能源安全和进一步实现煤矿安全形势的根本好转具有非常重要意义。由于采空区的隐蔽性,人们至今对引发采空区瓦斯燃烧爆炸的点火源类型及特性认识不足,在防治工作中缺少针对性,导致采空区成为近年来国内外重特大瓦斯爆炸事故的主要地点。许多火灾和爆炸案例都归因于难以识别的火源,隐蔽性和原因不明的点火源成为研究的难点。本文提出顶板在地应力作用下的变形破裂造成的电效应是采空区瓦斯爆炸新的产灾机制,从电效应的角度揭示点火特性。基于此,本文构建不同岩石力-电特性测试系统,开展物理实验、数值模拟、理论分析与结合实际案例,研究不同岩性岩石受载变形破裂过程中的产电、放电、引燃瓦斯致灾的特性及机制。取得的主要成果和结论如下:首先,通过构建力电实验系统,研究了不同岩样在不同加载速率和加载方式作用下电流、电压的变化规律,揭示了顶板砂岩的产电特性。结果表明加载速率越大,岩样的平均电荷释放速率就越大,加载速率是岩样自由电荷释放速率的决定性因素;而在岩样破坏瞬间形成的峰值电流和电压,与加载速率的大小并不成比例关系,这与岩样的抗压强度有关;岩样的压电效应增强了含石英岩石的力电敏感性,表现出更强的电特征。其次,利用X射线衍射分析了不同岩样的矿物成分及晶粒大小,利用扫描电镜和核磁共振分析了岩样微观孔隙结构特征。结果表明,顶板砂岩和花岗岩均含有大量石英,而大理岩不含石英;岩石受载的平均产电速率随着岩石中石英晶粒粒径的增大而增大,花岗岩的石英含量虽然较砂岩低,但其平均产电速率均较高;不同种类岩石的孔径分布不同,小孔径的产生能决定岩样的电荷产生速率;岩石在整个受载过程中形成的电流、电压变化,可以将其归纳为压电-破裂产电的协同作用的结果,也可将其认为是化学物理产电协同作用,是两种作用的宏观表现。再次,通过构建实验系统,采集岩样破裂过程中电荷的释放,研究了不同岩样的放电特性。结果表明,不管是低速加载还是高速加载,岩样在主破裂之前,放电电压值均较小,在岩石破裂失效时,会产生一个瞬态的,非连续的,激增的放电电压;提出了基于裂纹扩展的顶板砂岩尖端放电机制,此时由于尖端放电形成的场强,再加上石英晶体的破裂使得压电效应的突然消失,产生极高的场强,经过计算,其场强远远超过空气的击穿强度。然后,利用高速摄像机记录了不同岩样受载变形破裂过程的形态特征及电火花产生规律,研究了采空区顶板破裂点燃瓦斯的机制。结果表明,岩样破坏过程中均有尘云产生,岩样的破裂过程具有爆炸性。火花的产生除了与岩样的石英含量有关外,还与岩样的抗压强度有关。实验过程中岩石压裂产生的闪光不是由于摩擦热产生的光,而是一种电火花,而岩石的压电效应成为电火花强度或者能否产生电火花的关键性因素;提出了电火花的产生是由于电子碰撞将空气电离,并足以将可燃瓦斯气体电离引发瓦斯爆炸,水分的加入则增加了瓦斯爆炸的可能性。提出了采煤过程中煤层顶板的放电致灾特性。最后,探讨了顶板电效应引燃瓦斯致灾规律。通过事故案例,结合事故现场发生发展特征,分析煤自燃标志性气体的产生情况以及对比煤自燃发生环境、历史数据,排除煤自燃作为的点火源的可能性;利用FLAC3D软件模拟案例矿井采动过程中的应力场时空演化规律,结合顶板岩石力电特性,提出了事故矿井采空区顶板破裂产生电火花的情景,并将聚集于此的预混瓦斯空气击穿并电离,从而引燃瓦斯,形成瓦斯爆炸,最终引燃采空区的遗煤,遗煤成为持续性的火源,使得采空区持续发生多次爆炸。本文研究成果为正确认识采空区瓦斯爆炸的点火源提供了新的思路,并证实了其科学性,对进一步提高煤矿安全水平,遏制煤矿瓦斯爆炸的发生具有十分重要的意义。该论文有图96幅,表15个,参考文献223篇。