采空区漏风流场,是一个受到混合气体的渗流场、浓度场和温度场影响的多场耦合流场。对其进行深入研究,并建立采空区多场耦合解算模型不仅有利于深入了解采空区气体流动情况,而且可以揭示流体在热传导及质量传输影响下,其流动状态的变化。这对解决煤炭开采时采空区内部自然发火点的判断、采空区瓦斯运移规律等问题的研究具有理论指导意义。因此,论文旨在建立一个基于流管的采空区多场耦合三维动态数值解算模型,并进行了如下研究:(1)采空区多孔介质模型通过对现有毛细模型、缝隙模型、水力当量模型以及阻力模型等多孔介质固气耦合模型的研究,结合采空区多孔介质孔隙率的分布规律及其固体固架的分布、受力变形特征,提出了基于流管的采空区多孔介质模型。然后根据流体力学的相关理论,详细分析了流管模型中流管分支的物理特性及其守恒定律,为下文的研究奠定了理论基础。(2)采空区孔隙率分布规律基于采空区上覆岩层垮落的“关键层”理论与“薄板”理论,对不同组合岩系的采空区上覆岩层进行了分类。进而研究了不同顶板的破断规律以及垮落特征。并通过理论分析与数值模拟对“下部软岩分层缺失”、“次关键层缺失”以及“完备顶板岩层”三种类型的上覆岩系运移及矿压显现规律进行了分析研究。根据理论分析与数值模拟结果,结合垮落步距、下沉量以及回旋角度物理量分析了采空区的分区特征,并对孔隙率的影响因素及分布规律进行了定性描述。在一定的假设下,理论推导了不规则垮落带孔隙率与其上覆岩层下沉量的相关关系。最后根据数值模拟结果拟合了不规则垮落带上覆岩层下沉量随走向的衰减规律。进而推导了采空区不规则垮落带的孔隙率分布规律,提供了采空区流管多孔介质模型当量直径的分布特征。(3)采空区瓦斯源相空间分布规律通过现场测量了采空区瓦斯源相的总体强度,并根据瓦斯自由解吸衰减规律,研究了瓦斯涌出强度随采空区连续空间的变化规律,建立了基于流管的采空区多场耦合数值解算模型分支瓦斯源相强度的数学求解模型。(4)热阻力及节流效应基于热力学及流体力学的相关理论,对井巷火灾对风流流动的粘性阻碍作用与节流效应经进行深入分析。在此基础上根据阻力产生机理的不同对火区阻力进行分类。进而通过理论推导了一维管道流热阻力计算公式,并通过数值模拟了水平管道的节流效应。数值模拟试验表明,一旦巷道中发生火灾,风流流动过程中的粘性阻力就会变大,且其随着火灾规模的增大而增强。节流效应受到火灾规模与巷道入口风速两个因素的影响,其随火势的发展而增强,随入口风速的增大而减弱。(5)基于流管的多场耦合规律首先通过图论对基于流管的三维模型进行了详细研究,根据能量守恒定律与质量守恒定律,推导了基于流管回路的能量平衡方程以及基于流管节点的风量平衡方程,实现了基本流场的求解。其次研究了单一瓦斯源于基本流场的扩散传播规律,进而研究了非单多瓦斯源传播的耦合规律,最后通过理论分析,得出了多瓦斯源相的动态传播规律。在基于流管解算模型的基础上,结合热对气体流动的影响作用,研究了流管中存在热源时,热的传播规律以及其对整个流场的影响规律,从而建立了基于流管的多场耦合三维动态解算模型,并结合采空区多孔介质特征分布规律、瓦斯源相分布规律,建立了基于流管的采空区多场耦合三维动态数值解算模型。