《煤与瓦斯突出主控机制及瓦斯能量动力学特性》针对煤与瓦斯突出机理、预测及防治理论和技术，围绕煤与瓦斯突出过程力学作用机制及能量演化特征，以理论、技术、应用为一体，系统阐述了煤与瓦斯突出主控机制及瓦斯能量动力学特性，主要内容涵盖现阶段煤与瓦斯突出灾害分布特点、突出机理及预测技术研究现状；同时从突出主控因素出发，剖析主控因素影响机制；以煤体损伤特征为切入点，明晰采动诱发多变力学响应下煤体损伤失稳机制；基于瓦斯能量视角，揭示突出煤体瓦斯能量释放量化机制与动力学特性；结合技术瓶颈问题，提出了突出预测、防治等技术体系。

目录
“博士后文库”序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 煤与瓦斯突出事故分布特征及趋势 1
1.1.1 我国煤炭生产形势 1
1.1.2 煤与瓦斯突出灾害现状 3
1.2 煤与瓦斯突出机理研究现状 6
1.2.1 煤与瓦斯突出力学作用机制 7
1.2.2 煤与瓦斯突出能量演变机制 8
1.3 煤与瓦斯突出预测技术 11
1.3.1 常规静态预测技术 11
1.3.2 动态预测及预警方法 12
参考文献 13
第2章 煤与瓦斯突出主控因素及控因间关联 15
2.1 煤与瓦斯突出主控因素影响规律 15
2.1.1 工作面突出发生规律 15
2.1.2 突出危险性水平影响规律 17
2.2 孕突过程中主控因素间关联性 33
2.2.1 地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制 33
2.2.2 采动煤体瓦斯压力演化规律及动力学响应 51
2.3 煤与瓦斯突出强度及演化实验研究 68
2.3.1 突出相似模拟实验 68
2.3.2 突出模拟实验结果 71
参考文献 79
第3章 多变力学行为下煤体损伤动态响应机制 81
3.1 多重应力路径下煤体损伤演化规律 81
3.1.1 煤样力学基本参数 81
3.1.2 煤体损伤实验及模拟研究 83
3.1.3 不同围压下煤体损伤演化 89
3.1.4 多重应力路径下煤体损伤演化 92
3.2 采动煤体损伤过程能量演变特性 110
3.2.1 不同围压下煤体损伤过程能量演变 110
3.2.2 多重应力路径下煤体损伤过程能量演变 112
3.3 采动煤体损伤过程裂纹动态演变行为 114
3.3.1 不同围压下煤体损伤过程裂纹动态演变 114
3.3.2 多重应力路径下煤体损伤过程裂纹动态演变 118
3.4 主控因素下损伤诱发煤体失稳特征 120
3.4.1 不同瓦斯压力下煤体失稳特征 120
3.4.2 不同卸载速率下煤体失稳特征 123
3.4.3 不同应力路径下煤体失稳特征 125
参考文献 126
第4章 突出煤体瓦斯能量释放规律及量化特征 127
4.1 含瓦斯煤体初始解吸规律 127
4.1.1 煤体初始解吸实验 127
4.1.2 瓦斯初始解吸规律 132
4.2 瓦斯初始解吸过程能量演化机制 138
4.2.1 不同破坏类型煤体 138
4.2.2 不同含水率煤体 141
4.3 突出煤体瓦斯膨胀能释放量化特征 144
4.3.1 不同破坏类型煤体 144
4.3.2 不同含水率煤体 146
4.4 煤体瓦斯膨胀能与突出主控因素间关联 146
4.4.1 煤体破坏类型 146
4.4.2 煤体含水率 148
4.4.3 煤体温度 149
参考文献 148
第5章 孕突过程损伤煤体瓦斯能量动力学特性 150
5.1 损伤煤体解吸动力学参数特性 150
5.1.1 不同破坏类型煤体 150
5.1.2 不同含水率煤体 155
5.2 损伤煤体解吸力学作用机制 160
5.2.1 不同破坏类型煤体 161
5.2.2 不同含水率煤体 165
5.3 解吸过程瓦斯膨胀能演变规律 168
5.3.1 不同破坏类型煤体 168
5.3.2 不同含水率煤体 170
5.4 瓦斯解吸能力与瓦斯膨胀能间的规律 172
5.4.1 温控作用下的煤体瓦斯解吸实验 173
5.4.2 温控作用下的瓦斯解吸量演变特征 174
5.4.3 温控作用下的瓦斯能量释放特征 179
参考文献 181
第6章 煤与瓦斯突出防治技术展望 182
6.1 突出强度量化评估模型 182
6.1.1 突出孔洞几何参数特点 183
6.1.2 采掘工作面突出预测钻孔布局模式 186
6.1.3 突出预测钻孔开孔位置 188
6.1.4 突出预测钻孔布局与突出强度关联 190
6.2 防突作用下突出煤体扰动方式 197
6.2.1 采动煤体突出孕育过程 197
6.2.2 煤与瓦斯突出的力学机制 199
6.2.3 基于理论结果的防突建议 206
6.3 突出危险性预测模型 207
6.3.1 煤巷工作面突出预测模型 207
6.3.2 模拟煤巷工作面预测指标测定平台及效果检验 218
6.4 瓦斯局部异常带防治 245
6.4.1 煤巷工作面突出预测钻孔布局方法 245
6.4.2 深部高突煤层压-冲接替式强化增透技术 253
6.4.3 基于瓦斯能量突出灾害防治技术 258
参考文献 267
编后记 269

第1章 绪论
　　煤炭作为我国的基础性能源，其主导地位长期不会改变。我国目前超90%的煤炭开采矿井为井工开采，开采过程中触发的煤与瓦斯突出动力灾害时有发生。一次突出灾害的发生可导致少则数人，多则数十人伤亡，亦会引发瓦斯或煤尘爆炸等二次灾害，同时伴随着大量巷道设施的毁坏。其以长期性、复杂性和反复性多态势显著制约着矿井安全高效生产。近年来，随着深部开采的常态化，部分高瓦斯矿井逐步转变为突出矿井，使得突出矿井数逐年增加的同时，因高地应力、高瓦斯压力、煤岩低透气性以及煤体力学性能的转变突出灾害程度更为严重。虽然至今突出灾害的形势有所改善，但我国大多数突出煤层低透难抽、地质条件复杂。突出灾害的孕育受控于复杂的地质结构，呈“区域危险，局部灾变”特征，实施突出灾害的精准监测、精确预警、精细防控迫在眉睫，亟须研发系统、高效、可靠的突出危险探测与防治技术。
　　本章从当前煤与瓦斯突出事故分布特征及趋势、突出机理研究现状，以及突出预测技术方面简要阐述国内外当前突出防治的现状。
　　1.1 煤与瓦斯突出事故分布特征及趋势
　　1.1.1 我国煤炭生产形势
　　自改革开放以来，煤炭作为我国*重要的工业能源，在我国经济发展历程中发挥着重要的作用。目前，我国经济已经进入中高速发展新常态，煤炭产业随之进入“需求增速放缓期、产能过剩和库存消化期、环境制约强化期、结构调整攻坚期”，煤炭产业结束“十年黄金期”[1]。
　　进入21世纪以来，我国对煤炭产业投资力度在短时间内急速增加，导致煤炭产能过剩。与此同时，2014年开始我国加大了进口国外煤炭的力度，造成国内煤炭市场供过于求的局面，煤炭产量不断积累，国内消费能力下降，煤炭产业受到强大冲击，转型改革迫在眉睫[2]。
　　由于煤炭开采给城市的生态环境造成非常严重的后果，导致难以可持续发展，经济发展与生态保护矛盾突出，若干处以煤炭为主要产业的城市出现亏损现象[3]。此外，我国采取了经济速度放缓、能源结构加快转型的政策，导致积压的煤炭库存无法被消费，煤炭产能过剩的局面凸显。因此，未来一段时期内，我国煤炭产能过剩局面将继续存在。
　　虽然我国煤炭行业面临着一系列转型压力和挑战，但目前煤炭在我国一次能源生产和消费结构中仍占半数左右。我国富煤、贫油、少气的资源特点，决定了煤炭在一次能源中的重要地位，在未来相当长一段时间内，仍将作为我国*重要的基础能源和工业原料，在经济和社会发展中起到其他资源无法替代的作用[4，5]。
　　根据国家统计局2019年发布的全国煤炭生产能力数据[6]，全国生产煤炭矿井共有3996处，产能共计352589万t；全国建设煤炭矿井共有1010处，产能共计103875万t。中国在生产矿井及煤炭产能如图1-1所示。由图可知，中国煤炭生产现状在地理位置上呈“Y”形分布特征，根据煤炭实际情况大致分为九个区：东北区、黄淮海区、东南区、蒙东区、晋陕蒙宁区、西南区、北疆区、南疆—甘青区、西藏区。我国煤炭资源蕴藏不均，西北部区域煤炭资源丰富，其他区域资源较少，导致部分煤炭资源贫瘠地区的煤炭消费较紧张。根据上述划分的区域来看，亦存在部分地区煤炭产能富集，如华东地区约83%的煤炭资源储量集中在山东省和安徽省；华中地区约70%的煤炭资源集中在河南省；西南地区约64%的煤炭资源集中在贵州省；东北地区约51%的煤炭资源集中在黑龙江省。东南区域是我国经济发展的增长点，但煤炭资源保有量仅占全国总量的约0.4%。山西省、内蒙古自治区、陕西省的煤炭资源均超过4亿t；河南省、贵州省两省煤炭资源均超过1亿t。安徽省、黑龙江省、山东省、河北省、四川省、宁夏回族自治区、甘肃省和云南省的保有资源量均大于天津市、吉林省、北京市、辽宁省。东南区域如
　　图1-1 中国煤炭生产现状分布[1]
　　广东省、福建省、江西省等地区的煤炭资源保有量较少。
　　1.1.2 煤与瓦斯突出灾害现状
　　我国是世界上的产煤大国，开采强度大且煤炭资源蕴藏状态复杂，因此不可避免引发煤与瓦斯突出、冲击地压等煤炭开采安全事故。随着对煤炭资源开采深度的不断加大，处于深部复杂应力环境的含瓦斯煤层，受“高地应力-高瓦斯压力-高岩温-低透气性-强扰动”等因素的复合作用，突出矿井数在逐渐上升。我国煤层瓦斯赋存含量普遍较高，整体而言，现存有约1200座突出矿井。煤与瓦斯突出作为井工煤矿*严重的煤岩瓦斯动力灾害之一，经过180余年的研究，基本明晰了突出发生的主控因素、力学过程、能量特性，并在理论认识的基础上，提出了一系列突出预测、防治及风险监控的关键技术与方法，使得突出事故得到显著的遏制[7，8]。然而，近年突出事故仍不间断发生，且因突出事故导致的伤亡人数仍在煤矿事故中占比较高，如图1-2所示。
　　图1-3为2011～2020年各省份突出事故起数和死亡人数统计。由图可知，贵州省10年间发生突出事故起数和死亡人数均为*高，分别是27起和247人，占比分别为29%和38%。吉林省10年只发生一起突出事故，死亡12人，突出事故起数*低。黑龙江省10年发生两起突出事故，死亡8人，突出事故死亡人数*少[9]。
　　众多研究均表明，突出发生时间(月、日、时)呈现一定规律性，基于上述统计，得到了近10年共93起突出事故发生时间分布特征，如图1-4和图1-5所示。
　　图1-2 中国2001～2020年突出事故起数和死亡人数统计[9]
　　图1-3 2011～2020年各省份突出事故起数和死亡人数统计[9]
　　图1-4 2011～2020年突出事故起数和死亡人数的日期分布[9]
　　图1-5 2011～2020年突出事故起数和死亡人数的时段分布雷达图[9]
　　由图1-3(a)可知，每年5月份属突出事故*多发时期(共14起)，平均死亡人数为4.9人/起。11月份共发生突出事故10起，死亡112人，平均死亡人数11.2人/起，高于10年间平均值6.9人/起。2月份发生突出事故*少，为5起，平均死亡人数*低为3.2人/起。总体而言，5～7月份是每年突出事故高发期，2月份和9月份为突出事故低发期，11～12月份发生的突出事故更易造成人员的严重伤亡。图1-4(b)表明，每月的5日发生突出事故*多，共7起，致52人死亡，平均死亡人数为7.4人/起。每月的4～6日、15～17日、28～29日为突出事故高发期。每月的10～12日、24～25日虽然突出事故起数相对不高，然而平均死亡人数较高。如每月的10日发生突出事故仅3起，却造成52人死亡，平均死亡人数高达17.3人/起[9]。
　　由图1-5可知，突出事故起数和死亡人数在每天的不同时段分布差异较大，其中，1～2时、5～6时、10～12时、17～20时等时段为突出事故高发期。我国煤矿生产制度多采用“3班制”作业，统计发现早班(8～16时)、中班(16～24时)和晚班(0～8时)突出事故起数和死亡人数占比分别为31%、32%、37%和29%、31%、40%，可见晚班发生突出事故较多，且多为重大突出事故[9]。
　　据笔者不完全统计，“十三五”期间，我国发生的17起典型突出事故，共造成111人死亡，8人受伤，由图1-6可知，根据突出发生地点可看出，煤巷掘进工作面依然是突出易发、多发的地点。
　　图1-6 “十三五”期间我国突出事故发生地点分布
　　总体而言，突出事故在地域分布上具有“分布范围广、分布较为集中，南多北少、南重北轻”等特点。之所以形成该局面与南北地区煤层的赋存条件息息相关。我国南方地区相比北方地形复杂，总体上南部多丘陵、北部多平原。故而地形差异导致了南方煤层赋存条件差、煤层渗透率低，并且有利于瓦斯赋存。其次南方地区规模小的煤矿占比较大，煤矿结构不合理、产能不足、增长方式粗放、生产力水平低、技术装备水平差等现象比北方严重，极易引发突出事故。
　　1.2 煤与瓦斯突出机理研究现状
　　一次突出的发生会向工作面采掘空间喷出几吨到上万吨不等的煤岩体，同时会涌出少则上百立方米，多则几十万立方米的瓦斯。整个发生发展过程短暂，短则数秒、数十秒，长则数十分钟。国外研究人员统计得出，突出主要阶段的持续时间为2～35s，21次突出的平均时间为11.8s±4.4s。由于喷出煤岩体的动力效应、瓦斯流的冲击效应和窒息性，一旦在现场遭遇突出事故，人员很难逃生。1834年3月22日，世界上**次有记录的突出事故发生在法国的伊萨克矿井，此次突出事故造成2人死亡，其中一人被喷出的煤岩掩埋，一人因涌出的瓦斯流而窒息。之后约有几十个国家相继报道了多起突出事故。为有效防止突出事故发生，世界上相关学者对突出的发动、发展及终止过程进行了广泛的研究，并于1964年10月在法国利莫城召开了**次煤与瓦斯突出学术报告国际会议。虽距**次报道的发生在法国的突出事故已过去将近200年，