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       煤炭作为不可再生能源，是当今世界能源结构的重要组成部分。然而，随着 开采深度的增加，各种灾害事故愈发严重，已严重制约煤炭的安全开采。其中， 煤与瓦斯突出作为一种矿井井下突发性灾害，在世界范围内倍受关注[1, 2]。煤与瓦斯突出（简称：突出）是煤层中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放，表现为短 时间内向生产空间抛出大量煤（岩）与瓦斯[3, 4]。通常地，突出过程中抛出的煤/ 岩量从几吨到上万吨，突出煤/岩在巷道中的堆积距离也可达到上百米或更长的 距离。大量的煤/岩抛出会产生巨大动力效应，摧毁井巷设施，破坏通风系统、造 成煤流埋人等事故。此外，突出过程中还会涌出几百立方到上百万立方米的瓦斯， 这些瓦斯会引起人员窒息、瓦斯逆流和瓦斯爆炸等次生灾害[5]。 自从 1834 年法国鲁阿尔煤田伊萨克煤矿世界上首次记录突出事故起，文献 记录的发生突出事故的产煤国家就有 19 个[2, 6]，包括英国、德国、法国、匈牙利、 捷克、波兰、比利时、西班牙、乌克兰、俄罗斯、南非、土耳其、哈萨克斯坦、 新西兰、澳大利亚、美国、日本、加拿大和中国。实际上，有更多的产煤国家发 生过突出灾害，远不止这 19 个国家。据统计，世界各国累计发生突出事故已超 过 37000 次，其中仅中国就发生了 16000 次以上的突出事故[5, 7]。目前，中国是 世界上突出灾害最严重的国家[8]。 中国突出灾害严重主要由煤炭资源的赋存环境及其在中国能源结构中的比 例所决定。中国各聚煤盆地在形成过程中受到一期或者多期构造运动叠加改造作 用，经历了复杂的沉积、抬升剥施及构造变形过程[9]。中国大部分地区煤层的埋 深较大，地质条件较为复杂，90%的煤炭资源仅适合井工开采[10]，这造成绝大多 数煤炭开采需要克服复杂的井下环境。此外，煤炭作为中国的主要能源，在中国 一次性能源消费结构中所占的比例达到 70%以上[11]。从 2000 年至 2015 年，中 国煤炭年产量由 11.06 亿 t 增至 36.95 亿 t。常年的高强度煤炭资源开采，使得中 国浅层煤炭资源已经逐渐枯竭，许多矿区以相继进入深部开采阶段，例如中国的 中、东部地区（例如：淮南、淮北矿区）的一些矿井的开采深度普遍为 700-800m， 部分矿井开采深度甚至超过 1000m[12]。开采深度的增加意味着煤炭开采环境的 持续恶化，煤炭开采将面对更加复杂的地质构造、高瓦斯压力、高瓦斯含量、高 地应力、低强度和低渗煤体等一系列的难题，而这些均是诱发突出灾害的有利因 素之一[13, 14]。因此，煤与瓦斯突出的防治工作至今依然是煤矿安全生产的重要环 1 博士学位论文 2  节之一。 煤与瓦斯突出是一个极其复杂的煤（岩）动力过程。目前，普遍被认可的观 点是，煤与瓦斯突出是应力、瓦斯和煤的自身特性综合作用的结果[15]。除了考虑 应力和瓦斯对突出的控制作用，煤的自身特性对突出的控制同样是至关重要的。 据 2011 年统计，中国共有煤与瓦斯突出矿井 1047 处，共发生煤与瓦斯突出事故 16741 次，绝大多数突出事故发生在地质构造地带（断层、褶曲、逆推等）。这其 中的原因不仅是这些地质构造改变了煤层应力和瓦斯环境，造成煤层处于高应力 和高瓦斯条件下；更为重要的是地质构造改变了煤的物理结构，进而改变了煤的 基本特性。受地质构造的影响，在许多突出事故发生现场均发现松软高度破碎的 构造煤（简称：构造煤）的分布。表 1-1 统计了几例中国突出案例突出点附近煤 的坚固性系数。这些案例突出点附近的煤的坚固性系数普遍比较低，最大的坚固 性系数仅为 0.33，其中有 3 例案例煤的坚固性系数低于 0.2。 表 1-1 突出点附近煤体坚固性系数 Table 1-1 The Protodyakonov coefficient ( f ) of coal in outburst cases  序号 煤矿 日期 坚固性系数 （f） 1 大平煤矿 2004.10.20 0.12  2 望峰岗煤矿 2006.01.05 0.29  3 马陵山煤矿 2006.01.20 0.17  4 九里山煤矿 2011.10.27 0.17 - 0.19  5 响水煤矿 2012.11.24 0.33  6 白龙山煤矿 2013.09.01 0.3  7 新兴煤矿 2009.11.21 松软 这类松软高度破碎的构造煤具有高比表面积、孔隙发育、高瓦斯赋存/释放 能力和低力学强度等特性，这些特性共同决定了这类煤具有极高的突出危险性。 在良好的应力和瓦斯条件下，极易诱发较大强度的突出事故[16]。但是，以往的研 究均是定性的描述地质构造、松软高度破碎的构造煤与突出存在密切的关系，并 没有深入研究三者之间的内在联系，也未充分考虑煤的物理结构变化对其微观孔 隙特征、瓦斯赋存/释放能力和力学破坏行为的影响，不能准确的表述煤的自身 特性对突出的控制作用，进而无法对突出发生机理和突出的特征现象进行合理解 释。 本文在统计分析突出事故与地质构造的关系基础上，研究地质构造对煤的物 理结构改造及煤的物理结构对其微观孔隙特征、瓦斯赋存/释放能力和力学破坏 行为的影响，分析煤的自身特征对突出的控制作用。然后，基于构造煤的物理结 构特征，开展煤与瓦斯突出相似模拟试验，还原突出过程并获得煤的破坏方式和 破坏结构特征。针对煤的层裂破坏，研究煤体层裂破坏的形成原因，并提出煤与1 绪论 瓦斯突出层裂发展机制。本次的研究工作论证由于地质构造作用而形成的松软高 度破碎的构造煤在突出发生和发展中的必要性，深化了对煤与瓦斯突出的发生机 理和过程认识，对煤与瓦斯突出防治理论有着重要意义。 

         煤与瓦斯突出假说的研究现状

    随着突出灾害逐渐引起世界范围矿山安全学术界的广泛关注，各国学者先后 投入了大量的研究精力展开煤与瓦斯突出机理的研究工作，并针对不同开采环境 和地质条件，从不同的研究角度提出众多的突出假说。然而，由于突出的复杂性 和多变性，至今各种突出假说并没有形成统一的认识。这些突出假说不能全面地、 细致地、完整地解释突出的发生和发展机理。 总结起来，众多的突出假说可再细化分为四类[4, 17]。分别为“以瓦斯为主导 的假说”、“以地应力主导的假说”、“化学本质说”和“综合作用假说”。 其中，“以瓦斯为主导的假说”认为高压瓦斯是突出发生的主要作用因素， 包括瓦斯包说、瓦斯粉煤说、突出波说、煤孔隙结构哦不均匀说、裂缝堵塞说、 瓦斯膨胀说、卸压瓦斯说、地质破坏带说和瓦斯解吸说等。 “以地应力主导的假说”，认为高地应力是突出发生的主要原因，认为地应 力是煤体破坏和破碎的主要动力和能量来源。该类假说主要包括岩石变形潜能说、 应力集中说、剪切应力说、塑性变形说、振动波动说、冲击式移近说、拉应力波 说、应力叠加说、放炮突出说和顶板位移不均匀说等。  “化学本质说”，认为突出是煤体中发生强烈化学反应的结果，该类假说包 括重煤说、瓦斯水化物说、爆炸的煤说、地球化学说和硝基化合物说等。然而， 迄今为止在实际的煤层中并未发现相关针对化学本质说的有效证据。 

    20 世纪 50 年代，前苏联聂克拉夫斯基考虑了突出的动力和阻力两方面 影响因素，率先提出煤与瓦斯突出“综合作用假说”的雏形，认为突出是由于地应 力和瓦斯共同作用引起的。50 年代中期，前苏联的 А.А.斯科钦斯基院士认为突 出是综合作用的结果，影响突出的因素包括地应力、瓦斯、煤的物理-力学性质、 煤的重力等。70 年代中后期，В.В.霍多特提出了“能量假说”，认为突出是当煤层 的应力状态发生瞬时改变时，煤层内存储的变形潜能释放造成煤的快速破碎，而 瓦斯内能的释放将破碎的煤体搬运到外部的采掘空间，同时还指出吸附瓦斯快速 解释对突出具有很重要意义[15]。 除此之外，Hanes 等认为应力和瓦斯都在突出过程中发挥重要作用，但有些 突出是其中某一个因素占据主导地位[18]。Paterson[19]认为突出是在瓦斯压力梯度 作用下发生的结构失稳，并建立数学模型对煤与瓦斯突出进行讨论分析。 Khodot[20]讨论了地应力、瓦斯压力、煤体强度参数等对突出的影响。基于 Sunagawa 煤矿大型瓦斯突出的震波分析，Sato 和 Fujii[21]认为地震能够诱发瓦斯 突出，地震在该起突出中起到了主要作用。 中国学者所提出的一些代表性突出机理假说，不仅对突出成因进行解释，还 对突出过程及一些特征现象进行了详细说明。于不凡[17]基于“突出是由煤体暴露 面附近向深部发展，并以分层分离的形式破坏”的观点，提出突出发动中心假说。 该假说认为突出是由发动中心开始的，该发动中心距暴露面某一距离，当突出发 动后，由发动中心周围的煤-岩石-瓦斯体系提供能量及参与活动使得突出向周围 发展。 基于含瓦斯煤承受等于或超过屈服载荷的外载荷时出现 3 个不同的流变阶 段（变形衰减、均匀变形和加速变形阶段），何学秋和周世宁[22]提出了关于突出 的“流变假说”，认为突出是含瓦斯煤快速流变的结果，且时间应当被考虑成突 出的重要因素。此外，流变的 3 个不同阶段分别对应着不同的突出阶段，其中变 形衰减阶段和均匀变形阶段对应突出准备阶段，而加速变形阶段对于突出由激发 到发展的阶段。 蒋承林和俞启香[23]提出了突出的“球壳失稳假说”。该假说详细地对应力和 瓦斯主导下煤体裂隙发育、扩展、贯通及煤体破坏和搬运的突出过程进行解释。 首先，煤体在地应力的作用下发生剪切破坏，形成“X”型裂纹，但是这种裂纹 将向主应力方向产生一定限度的扩展而形成“Ⅰ”型裂纹；然后，游离瓦斯及快速 解吸的吸附瓦斯向裂纹运移，使裂纹内维持高瓦斯压力并对 “Ⅰ”型裂纹产生拉 4 1 绪论 5  伸作用，使之扩张并逐渐贯通，形成球盖状煤壳；最后，瓦斯的作用使得煤壳发 生失稳破坏并被抛向巷道空间。该假设认为应力作用下的煤体破坏仅是突出的必 要条件，而裂纹在瓦斯压力下的扩展及球盖状煤壳的失稳抛出是突出的充分条件。 

   胡千庭认为“煤与瓦斯突出是一个力学破坏过程”，并依据不同的突出节 点将突出的力学过程划分为孕育-激发-发展-终止等 4 个阶段。采掘作业破坏原有 的应力平衡，造成应力的转移和煤岩的准静态破坏，导致突出孕育。外界的突然 扰动载荷导致临界条件下的煤岩瞬时失稳，造成突出激发。突出发展阶段煤体在 应力和瓦斯的共同作用下以粉化和层裂等两种不同的方式快速被破坏并在瓦斯 流的搬运下被抛出，其中层裂破坏需要特定的动力条件。突出的终止是由于孔洞 内无法再聚集足够的瓦斯压力以支撑突出孔洞内破碎突出煤的搬运。 李萍丰[25]将工作面前方煤体分成突出阻碍区、突出控制区、突出积能区和突 出能量补给区，认为突出积能区形成的煤粒与瓦斯二相流体所产生的膨胀能、煤 的弹性能与瓦斯膨胀能三种能量之和超过煤体本身强度后就会发生突出，并以此 提出了突出的二相流体假说。然而，煤与瓦斯突出和冲击地压的统一失稳理论[26] 认为煤与瓦斯突出和冲击地压都是煤岩变形系统处于非稳定平衡状态下受到扰 动发生的动力失稳过程，而煤与瓦斯突出是瓦斯压力和围岩应力共同作用下产生 的，即煤与瓦斯突出就是瓦斯作用的冲击地压。此外，吕绍林[27]将结构严重破坏、 具有较高的瓦斯吸附及放散能力的煤视为关键层，而将应力集中区中心部分煤视 为应力墙，提出关键层-应力墙瓦斯突出假说。

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