煤与瓦斯突出机理是煤矿安全领域持续关注的重大科学问题,其研究历史已有180余年之久,期间国内外大量的科学家和工程技术人员进行了多种研究与尝试,提出了多种假说、预测预警与防治方法,但煤与瓦斯突出作为一种特殊的煤岩动力灾害仍时有发生,突出防治至今仍然是一个世界性难题。论文紧紧围绕煤与瓦斯突出发生位置的特殊地质结构环境特征,将煤与瓦斯突出机理研究与现场工程条件相结合,建立了煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论。通过采用实验室实验、理论分析、数值模拟、物理模拟和现场突出实例剖析等相结合的手段,主要试图回答了 4个关键科学技术问题:①煤与瓦斯突出孕育和启动需要什么样的特殊地质结构环境?突出煤体有何特殊之处?②采掘工作面周围采动应力和瓦斯压力是如何相互作用、如何联合致灾的?③煤与瓦斯突出机理研究如何与现场工程结构相结合?④突出的主控因素是什么?能否提出统一的突出启动判据?突出防治工作中到底该预测和防控什么?论文的主要研究内容和成果包括:(1)借鉴“瓦斯赋存构造逐级控制机理”的相关思想,对煤与瓦斯突出矿区分布及其地质背景、突出矿区原岩应力场分布规律和突出发生位置的地质结构环境特征进行了分析研究。研究表明:板缘构造带、板内造山带、深层构造陡变带、深层活动断裂带、推覆构造带和强变形带是控制煤与瓦斯突出矿区分布的敏感地带;煤与瓦斯突出矿区应力场类型属于大地动力场型,受构造或构造运动作用影响显著;地质构造运动对煤与瓦斯突出的贡献主要体现为形成了构造煤体,营造了利于瓦斯封存的高应力环境,提供了利用突出启动的地质结构环境。(2)突出煤层和非突出煤层的工业分析结果、吸附常数、瓦斯放散初速度无明显差异,不存在一个能明显划分煤层有无突出危险性的临界值;吸附常数a值、瓦斯放散初速度△p随煤变质程度的升高呈现出先降低后升高的趋势;秦跃平式(Qt=AB√t/(1+B√t))用于描述构造煤煤样解吸量的时变规律具有明显优势,煤体的破碎或粉化程度越高、瓦斯放散初速度越大;能反映现场突出煤体性质的型煤试件受载变形破坏过程中声发射特征、力学行为均与原煤试件存在较大差异,呈现出较好的理想塑性材料特征;原煤试件全应力应变过程会先后经历弹性阶段→应变硬化阶段→应变软化阶段→残余强度阶段;而型煤试件先后会经历弹性阶段→应变硬化阶段→理想塑性阶段→应变软化阶段→残余强度阶段(单轴载荷或围压较低时,残余强度阶段不明显)。(3)基于煤的双重孔隙介质模型,建立了考虑采掘扰动条件下的双重孔隙结构煤体气固耦合控制方程组,借助COMSOL Mulphysics软件开展了采掘工作面前方采动应力场与瓦斯压力场互馈机制研究。结果表明:在松软低渗煤层中,由于松软低渗煤层本身强度较低(具备了突出启动的固体物质基础)、渗透率较低,煤层中更容易蓄积高能瓦斯,采动应力集中引起的低渗区和卸压破坏区相当于阻碍深部松软突出煤体瓦斯逸散和能量释放的“阻挡墙”,形成了“采动成因”异常地质结构,在放炮作业、深截(割)作业、顶底板破断等扰动条件下,可能会引起采掘工作面前方“阻挡墙”失稳破坏,深部含高能瓦斯的松软煤体瞬间暴露,发生煤岩体中弹性潜能和瓦斯内能的不可控释放,酿成煤与瓦斯突出事故。(4)诸如软硬煤变化带、煤层厚度变异区、褶曲构造带、断层构造带等“天然成因”地质结构异常区附近存在原岩应力异常区,这些异常原岩应力集中会导致该区煤岩体蓄积较高的弹性潜能,同时造成地质结构异常区附近存在渗透率降低区,对煤体瓦斯起到了良好的圈闭作用,使得该区煤体集聚大量高能瓦斯;当采掘工作面接近这些地质结构异常区时,异常的采动应力集中造成采掘面前方煤体渗透性进一步降低,阻碍了采掘面前方深部煤体中瓦斯向采掘空间逸散,使得采掘面前方煤体中保持着较高瓦斯压力梯度,采掘面前方同时存在着异常的高弹性能和高瓦斯内能蓄积区,受煤矿井下放炮作业、深截(割)作业、顶底板破断等动载扰动时,可能会引起煤岩体中弹性潜能和煤体中瓦斯内能的不可控释放,造成煤与瓦斯突出事故的发生。(5)提出了统一的用于描述突出发生位置工程结构环境特征的关键结构体模型,建立了煤与瓦斯突出的关键结构体致灾理论。研究表明:从煤与瓦斯突出整个过程来看,关键结构体是突出得以成功启动的必要条件;基于关键结构体模型,从突出启动机制的角度将典型突出分为准静载作用下的延迟突出(D-QSL)和动载作用下的瞬时突出(I-DL),突出过程分为准备、启动、发展和终止4个阶段;突出准备阶段始于地质构造运动对煤体的改造,突出激发隶属于突出准备阶段,表现为结构2突变失稳,突出启动是结构1暴露失稳这一突变点,结构2突变失稳完成对突出的激发后,突出能否得以成功启动决定于结构1的受力和蓄能状态;结合关键结构体模型建立了突出激发的力学判据Im和能量判据Ie、突出启动的力学判据Cm和能量判据Ce。(6)基于煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论,进一步研究揭示了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突原理,对突出危险区超前探测、突出危险性预测预警和突出灾害治理等工作有了一些新的认识。主要包括:现场防突工程实践应围绕着“探测关键结构体—消除关键结构体—防控关键结构体”的整体思路,注重对采掘工作面前方“关键结构体”精细探测技术和装备的开发;突出预测工作应更加注重对突出启动直接动力——瓦斯压力的测定和应用;突出预警工作应注重对关键结构体中“结构2”失稳突变前兆信息的连续实时监测;防治突出工作应关注突出激发和启动两个环节,消除突出激发和启动条件是2个不同且有效的防突手段,改变关键结构体中“结构1”的力能环境是根本措施。