煤与瓦斯突出是采动影响后煤层中应变能与瓦斯潜能突然失稳释放的结果。尽管我国采取了极为严格的两级“四位一体”综合防突措施，但突出事故仍时有发生，且大多数突出与构造煤有关。以断层、褶*、煤层变厚带等为代表的煤矿地质异常区，控制着瓦斯的赋存和运移。《能量单元切割理论与煤矿瓦斯防治工程示范》聚焦煤矿地质异常区含瓦斯构造煤能量特性和煤力学特性，结合矿井生产实践，从能量释放和地应力角度出发，围绕含瓦斯构造煤的弹性能及瓦斯膨胀能，形成煤矿地质异常区能量单元切割理论和相应的瓦斯防治技术，力求有效解决煤矿地质异常区的突出灾害治理难题，实现分区精准治理，显著降低煤与瓦斯突出风险。

目录
序
前言
第0章 绪论 1
0.1 研究背景与意义 1
0.2 国内外研究现状 2
0.2.1 地质异常区突出能量释放理论研究 2
0.2.2 地质异常区松软低渗煤层增透技术研究 5
0.3 工程示范矿井 10
0.3.1 薛湖煤矿 10
0.3.2 陈四楼煤矿 14
0.3.3 梁北煤矿 17
参考文献 21
第1章 能量单元切割理论 27
1.1 地质异常区煤与瓦斯突出治理难点 27
1.2 地质异常区突出能量分布特征 29
1.3 地质异常区均一化瓦斯治理措施的弊端 30
1.4 能量单元切割理论的定义 31
参考文献 33
第2章 含瓦斯构造煤弹性能计算模型构建及试验分析 35
2.1 含瓦斯构造煤弹性能计算 35
2.1.1 传统弹性能计算方法 35
2.1.2 基于临界状态理论的弹性能模型 36
2.2 含瓦斯构造煤弹性能测试试验方案 38
2.3 静水压力条件下含瓦斯构造煤弹性能计算模型 39
2.3.1 静水压力加/卸载试验分析 39
2.3.2 卸载速度对构造煤弹性能计算的影响 43
2.3.3 不同瓦斯压力下构造煤弹性能变化规律 47
2.4 偏应力条件下含瓦斯构造煤弹性能计算模型 48
2.4.1 偏应力加/卸载试验分析 48
2.4.2 偏应力加载下弹性能计算模型及影响因素分析 53
参考文献 57
第3章 含瓦斯构造煤瓦斯膨胀能计算模型构建 59
3.1 瓦斯膨胀能的定义与研究对象 59
3.2 突出连续发展过程中的孔洞壁涌出瓦斯量 60
3.2.1 煤层瓦斯流动控制方程 61
3.2.2 孔洞壁涌出瓦斯数值模拟 61
3.2.3 孔洞壁在突出过程中的涌出瓦斯量分析 62
3.3 瓦斯膨胀能的计算方法 64
3.3.1 基于气体状态方程的瓦斯膨胀能计算 64
3.3.2 基于气体扩散模型的瓦斯膨胀能计算 66
3.3.3 不同学者的瓦斯膨胀能计算模型汇总 68
3.4 瓦斯膨胀能计算的现有问题 69
参考文献 72
第4章 瓦斯吸附与急速卸压对含瓦斯构造煤力学特性的影响 75
4.1 试验方法 75
4.1.1 试验仪器 75
4.1.2 试验方案 76
4.2 不同应力路径下含瓦斯构造煤的力学特性 79
4.2.1 常规三轴加载试验 79
4.2.2 峰前卸围压加载试验 82
4.2.3 应力-应变关系 84
4.3 瓦斯吸附与卸压对含瓦斯构造煤强度与变形特性的影响 85
4.3.1 构造煤的强度参数与变形参数 85
4.3.2 瓦斯吸附与急速卸压对构造煤强度特性的影响 87
4.3.3 瓦斯吸附与急速卸压对构造煤变形特性的影响 90
4.4 本章小结 95
参考文献 96
第5章 急速卸压诱导含瓦斯构造煤能量释放机制 98
5.1 含瓦斯构造煤加载过程的能量变化特征 98
5.1.1 能量计算原理与分析 98
5.1.2 常规三轴加载过程能量分析 99
5.1.3 峰前卸围压加载过程能量分析 101
5.2 急速卸压条件下含瓦斯构造煤能量释放结构损伤特性 105
5.2.1 不同应力条件下含瓦斯构造煤宏观破坏与粒径分布 105
5.2.2 以能量表征含瓦斯构造煤破坏程度 109
5.2.3 以渗透率表征含瓦斯构造煤破坏程度 110
5.3 急速卸压条件下构造煤能量释放规律 112
5.4 本章小结 114
参考文献 114
第6章 松软构造煤高压气动脉冲造穴卸压增透机理分析 116
6.1 高压气动脉冲造穴卸压增透机理 116
6.2 高压气动脉冲造穴钻孔周围煤体应力演化 117
6.3 高压气动脉冲造穴卸压增透范围模拟 120
6.3.1 数值模型建立 120
6.3.2 造穴钻孔周围煤体应力分布 121
6.3.3 造穴钻孔周围煤体塑性区分布 126
6.4 本章小结 128
参考文献 128
第7章 高压气动脉冲造穴钻孔对松软煤层渗透率分布及瓦斯抽采的影响 130
7.1 煤层渗透率的基本概念 130
7.2 高压气动脉冲造穴钻孔抽采多场耦合模型 131
7.2.1 基质瓦斯扩散方程 131
7.2.2 裂隙瓦斯渗流方程 132
7.2.3 渗透率演化方程 133
7.3 不同应力条件煤体渗透率演化 134
7.4 高压气动脉冲造穴钻孔抽采效果模拟 137
7.4.1 造穴钻孔周围煤体瓦斯压力分布 138
7.4.2 钻孔间距对瓦斯抽采效果的影响 140
7.5 高压气动脉冲造穴卸压增透技术现场应用效果考察及示范 142
7.5.1 梁北煤矿概况 144
7.5.2 高压气动脉冲造穴效率考察 144
7.5.3 煤层瓦斯抽采效果对比分析 147
7.5.4 煤巷掘进期间瓦斯参数测定 150
7.6 本章小结 152
参考文献 153
第8章 煤层冲爆协同技术增透机理与数值模拟分析 155
8.1 冲爆协同技术增透机理 155
8.1.1 煤与瓦斯突出的能量来源 155
8.1.2 煤层冲孔卸压增透技术与原理 155
8.1.3 冲孔钻孔应力分布特征 156
8.1.4 冲爆协同增透强化瓦斯抽采机理分析 161
8.2 煤层可控定向聚能爆破技术 162
8.2.1 聚能管的聚能作用 162
8.2.2 煤体裂隙的扩展机制 163
8.2.3 控制孔的作用机理 164
8.3 冲爆协同增透数值模拟 165
8.3.1 ANSYS/LS-DYNA数值模拟方法 166
8.3.2 数值模型建立 169
8.3.3 数值模拟结果与分析 175
8.4 本章小结 188
参考文献 189
第9章 能量单元切割理论与煤矿瓦斯防治工程示范 192
9.1 薛湖煤矿冲爆协同增透技术现场试验与工艺优化 192
9.1.1 冲爆协同增透技术初次试验 192
9.1.2 可控定向聚能爆破技术工艺优化 197
9.1.3 冲爆协同增透技术二次试验 201
9.1.4 薛湖煤矿可控定向聚能爆破技术影响范围 204
9.2 薛湖煤矿冲爆协同增透技术示范及应用效果 209
9.2.1 示范地点概况 209
9.2.2 技术应用方案与参数设计 211
9.2.3 瓦斯抽采效果 212
9.2.4 煤巷掘进情况 215
9.3 陈四楼煤矿冲爆协同增透技术现场试验 216
9.3.1 冲爆协同增透技术示范地点概况 216
9.3.2 冲孔现场应用与效果考察 220
9.3.3 冲爆协同增透技术效果 223
9.3.4 双根聚能管爆破与影响半径 229
9.3.5 瓦斯抽采影响范围 232
9.4 陈四楼煤矿冲爆协同增透技术示范及应用效果 233
9.4.1 爆破孔设计及参数 233
9.4.2 瓦斯抽采效果 235
9.5 冲爆协同增透技术适宜性评价 237
9.6 本章小结 237
参考文献 239

第0章绪论
　　0.1研究背景与意义
　　煤炭是当今推动国家经济发展的主要能源，我国煤炭资源储量丰富。虽然我国正在持续推动能源消费结构向绿色和非化石能源转型，但统计资料显示煤炭还是我国的主要消费能源，占能源消费总量的50%以上[1]，反映了在我国未来的很长时间，煤炭会依旧保持重要的战略地位[2-4]。
　　在煤矿或煤田中，煤层的地质构造特征相对均匀、稳定的区域称为煤矿构造区。煤层的地质构造特征表现出明显的异常或不规则性的区域，如厚度变化剧烈、倾角不稳定、煤层的走向突变，或者存在煤层断层、褶皱等的区域，统称为煤矿地质异常区。地质异常区往往会对煤的开采产生负面影响，导致开采难度增加或资源的不可利用。
　　研究表明，煤层内积聚的弹性能与瓦斯膨胀能作为不稳定释放的重要动力源，是煤与瓦斯突出事故的主要原因。其典型特征表现为在极短的时间内，大量的煤和岩石以及瓦斯向生产环境如工作面迅速喷射。针对突出事故的调查发现，突出发生后存在喷出的煤岩量高达上万吨的情况，其在工作环境中的堆积长度可达百米。煤与瓦斯突出所造成的巨大破坏，不仅会损坏井下设施，还可能导致人员伤亡等严重后果。另外，突出过程伴随大量瓦斯产生，进而会引发次生灾害[5]。因此，煤与瓦斯突出具有明显的瞬时性、高能性、辐射性等特征。随着开采深度的增加，地应力和瓦斯压力不断增加，煤矿地质异常区地应力分布存在集中现象，生产过程中常出现工作面顶板周期性来压异常和“响煤炮”现象，易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害。因此，煤与瓦斯突出事故与地质构造关系紧密，突出地点多位于地质异常区或其附近，突出煤层多为构造煤层[6]。
　　由此可见，煤矿井下地质异常区煤层内积聚的弹性能与应力能是诱发煤与瓦斯突出灾害的重要因素。因此，本书专门针对煤矿地质异常区含瓦斯构造能量特性、煤力学特性，结合矿井生产实践，从能量释放和地应力角度出发，围绕含瓦斯构造煤弹性能、瓦斯膨胀能计算模型构建与验证，形成煤矿地质异常区能量单元切割理论和配套的瓦斯治理技术，力求有效地解决煤矿地质异常区的煤与瓦斯突出灾害治理难题，以便显著降低其防治的困难程度。
　　0.2国内外研究现状
　　0.2.1地质异常区突出能量释放理论研究
　　1.构造煤力学特性与本构理论
　　煤体的力学强度会对突出的发生产生深远影响，它决定了破坏所需的应力条件和*低能量[7]。当煤的硬度增加且裂隙减少时，破碎煤体所需的能量会相应提高，两者可以在一定程度上降低突出发生的可能性。因此，煤的力学属性是评估地下煤层突出风险的关键因素，它影响着突出事件的发展过程[8]。根据0和Chen[9]的研究，在矿井开采活动中，如果煤体的强度较低，那么引发和促进突出所需的应力条件就会降低，应力破坏区域会扩大，瓦斯的解吸速率也会增加，从而为突出事件的发生提供了条件。因此，突出事故在低硬度的构造煤煤层中更易发生。Dong等考虑到构造煤和部分原煤的力学性能难以获得，因此在进行单轴压缩试验时以构造煤和原煤颗粒为对象，通过记录构造煤和原煤颗粒的力-位移关系、有效弹性模量以及抗拉强度，揭示了原煤的脆性特征明显，而构造煤则显示出较低的脆性。构造煤强度低、变形大等特点，加大了煤层气开采的难度和风险。众多学者倾向于通过混合煤粉与黏合剂来制备模拟煤样，即重构煤岩心试件，以此解决构造煤结构相对较松散[11-13]无法达到开展相关力学试验要求的问题。程远平和雷杨综合分析了不同地区煤体的抗压强度与弹性模量，发现构造煤在这两个指标上通常低于原煤。普遍情况下，构造煤的单轴抗压强度小于3MPa，弹性模量小于1GPa。针对卸压条件下煤体的力学特性和瓦斯渗流机制，一些学者进行了相关研究。例如，Lm等[14]在不同应力路径下对原煤和型煤进行了力学试验，发现围压卸荷会引起裂缝表面剪切应力增加和剪切强度降低，从而导致煤强度显著降低;Yang等[15]开展了恒轴应力和分层循环卸荷-加载围压下的渗流试验，发现累积塑性变形和相应的渗透率随卸荷水平逐步增加，当卸荷水平较小时，相同卸荷水平的渗透率随循环数而降低，卸荷水平较大时则相反；Xue等[16]在不同应力加卸载路径下对煤样进行了甲烷渗透率试验，发现卸荷速率越高，煤的破坏结构越复杂，分形维数越大，煤样破裂后的渗透率越大。通过这些学者的研究可以发现，相较于原煤，构造煤强度更低、更易发生变形；围压的升高有助于应变能的积聚；卸荷作用会导致煤体强度降低；在不同卸荷水平下煤体渗透率受循环次数的影响而不同。
　　现阶段并没有专门适用于构造煤的本构关系模型，大部分学者在研究煤体本构模型时并未严格区分原煤与构造煤，研究基础主要包括弹性本构模型、弹塑性本构模型和损伤本构模型等。尹光志等[17-2。]通过大量的理论与试验研究构建了在
　　弹塑性耦合背景下的含瓦斯煤损伤模型以及蠕变阶段的本构关系；基于内时理论和不可逆热力学原理，他们推导了含瓦斯煤的内时损伤本构方程，以有效描绘含瓦斯煤在损伤前后的变形行为，并准确表征了其非线性特性及剪切膨胀等力学行为。Wang等[21]提出了一个新的本构方程，该方程基于煤的双孔结构理念，并且纳入了吸附变形对含瓦斯煤弹性特性的影响，可将煤的结构参数与其力学性能(如弹性模量和泊松比)在受限应力条件下联系起来。
　　随着研究深入，开始有学者关注到不同性质的煤体的本构模型存在差异，因此他们在进行煤体本构关系研究时对适用煤体的性质做出了强调[22，23]。在李浩等[23]的研究中，他们成功地将二维Park-Paulino-Roesler势能函数推广至三维应力空间。利用立方定律，研究者建立了描述煤结构面韧性断裂与裂缝切向渗流耦合的本构方程组。刘洪涛等[22]通过在损伤力学理论中用Mogi-Coulomb强度准则描述煤样微元强度随机分布，获得适用于脆性煤体在三向应力状态下的应力-应变关系表征模型，并建立了煤样三维统计损伤本构关系。
　　2.构造煤与瓦斯突出理论
　　煤层特性是导致煤与瓦斯突出的关键因素之一。众多研究表明，多数突出事故均与构造煤煤层有关。Fisne和Esen[24]分析了土耳其1969？2012年发生的煤与瓦斯突出事故，发现突出事故发生地点均与构造运动相关联，77%的突出事故均发生在断层带及其附近的地质异常区。Gray和Wood[25]统计了来自八个国家的105次煤与瓦斯突出事故，与构造煤关系紧密的突出事故高达87件，其中95.4%都发生在断层褶*等构造带及其附近。Lei等[26]的研究表明我国河南省西部煤矿的松软煤层中发生的煤与瓦斯突出事故也与构造煤有关。Shepherd等[27]认为亚欧、北美等地区发生在构造带的煤与瓦斯突出事故超过了90%。蒋静宇等[28]研究了低阶煤的分子结构并进行了吸附解吸实验，结果表明采动影响下地质异常区的低阶煤层容易发生煤与瓦斯突出事故。构造运动会对煤层进行改造，原煤经历复杂构造运动的破坏会形成低强度、弱黏结和低渗透性的构造煤[6]。
　　煤体的原有结构会在地质构造的改造下，产生变形破碎等物理化学变化[29]。为了探究构造煤与突出事故的内在联系，学者对构造煤的各项性质开展了大量的研究。胡彪等[3。]运用压汞、气体吸附和稳压吸附试验对原生结构煤样和构造煤样进行了研究，分析了两种煤样的孔隙结构特征，结果表明两种煤样的小孔、中孔和大孔的孔长度远小于微孔，构造煤的初始瓦斯吸附速率强于原煤。王振洋和程远平[31]以构造煤和原煤两种煤样为研究对象，研究了其孔隙结构和瓦斯解吸规律，结果表明构造煤具有更复杂的孔隙结构和更强的瓦斯解吸能力。Pan等[32]通过高分辨率透射电子显微镜观察构造煤的大分子结构，发现构造应力不仅会造成煤体宏观结构的改变，而且对其大分子结构也有重要影响。范顺利等[33]研究了各种类
　　型的构造煤微观特性，结果表明试验样品的大分子结构与构造关系紧密，构造应力不仅破坏了煤体的表面结构，而且对其有机大分子结构也产生了一定的影响。
　　构造煤煤体低强度、高瓦斯放散特性是其易发生突出的根本原因。其内聚力较低，可以轻易碎裂成粉状细煤[6]，突出的激发和发展往往离不开煤体粉碎[13，34-36]。Jin等[37]研究表明，构造煤的瓦斯吸附量会随着粉化程度的增大而增大，其瓦斯吸附特性受到其复杂发育的孔隙结构影响。由于构造煤结构较为松散，无法像原煤或者岩石一样直接获得完整的力学试样，为研究构造煤的力学强度特征，大多采用压制的型煤来开展构造煤的力学试验[38-4。]。煤与瓦斯突出事故发生时，突出孔洞后方煤体处于卸压状态，蒋静宇等[41]通过开展不同急速卸压条件下构造煤煤体三轴加载试验研究，发现急速卸压条件下构造煤更易发生失稳破坏，煤体弹性能释放会控制瓦斯膨胀能的非稳态释放，从而造成构造煤突出的连续发展。
　　3.构造煤与瓦斯突出能量释放理论
　　在地下深处，由于开采活动的干扰，煤炭岩石展现出了其能量变化的显著特点。这些能量的变化导致了煤体结构的不稳定和崩溃[42]。物质和能量的交换是持续进行的过程，煤炭岩石的结构破坏也受到这些物质和能量交换的影响[43，44]。基于能量的耗散和释放，谢和平[45]提出了一种新的岩石强度和破坏的理论。这一理论将岩石力学的概念扩展到了从宏观到微观的多个层面，为地下岩石工程问题提供了有效的解决方案[46]。在煤体工程中，能量对煤体的储能状态及受力后失稳破坏具有重要意义。外界向煤体输入的总能量会转化为弹性能和耗散能，弹性能是由煤体形状、体积改变储存的能量，而耗散能是外界输入能量时煤体微裂纹张拉、局部塑性变形损耗的能量。
　　研究不同类型的煤和煤体的能量演化特性对于指导地下开采活动至关重要。学者将能量变化的原理应用于理解煤矿中的瓦斯突出现象，通过能量视角来分析这一机制，为防止煤矿瓦斯突出灾害提供了重要的理论基础。自霍多特[47]提出煤矿瓦斯突出的能量平衡理论以来，这一领域的研究引起了广泛关注。其所提出的能量假说认为，煤与瓦斯突出事件是由煤的变形势能和瓦斯的内能共同作用引发的。开采活动中的扰动会使煤体部分破碎，导致煤层应力状态急剧变化，进而释放弹性能，引发煤体的破坏和移动。Paterson[48]提出了一个描述地下采矿期间突出爆发的定量模型，他认为突出是瓦斯压力梯度造成煤结构失稳的结果。
　　20世纪以来，国内多位代表性学者也注意到能量在突出中的作用。蒋承林和俞启香[49]依据球壳不稳定性假设，构建了一个描述煤体破碎及其不稳定性的力学模型。郑哲敏[5。]的研究揭示了瓦斯在煤矿突出事件中的重要性，它为这些事件提供了关键能量；通过对量纲的分析，他还提出了从力学角度判断突出激发的依据。Wang和Cheng[12]建立了新的突出全过程能量释放模型，指出预先释放构造煤的变形能是积累自由瓦斯膨胀能和防止煤与岩石突出的关键。采动作用影响下，煤层周围的围压会降低，导致井下煤层的应力状态发生变化，并进一步改变煤体的各种性质，这些都会为突出的激发阶段提供条件。而在后续突出的发展阶段中，构造煤的破碎性质对于突出现象的能量供应至关重要。破碎的构造煤容易转化为大量细小的颗粒，这些颗粒由于其快速的瓦斯解吸特性，能够为煤岩突出过程提供必要的动力。Peng等[42]的研究指出，开采活动扰乱了煤层原本平衡的应力状态，导致应力集中并增加了煤体的能量，增加的能量进一步促进了煤体的破坏，从而导致了煤与瓦斯突出的发生。Tu等[51]的研究表明，煤体的破碎过程主要受应力能释放的影响。释放出的解吸瓦斯量，尤其是来自小于临界粒径的煤体的部分，为突出现象的持续发展提供了关键能量，起到了至关重要的作用。突出一旦开始，大量煤岩在短时间内随瓦斯喷涌而出，突出点附近煤体处于急速卸围压环境，破坏了煤体原有的应力及气体平衡，后续煤体也进入了突出的激发阶段，如此往复，为突出的持续发展创造了良好条件。王成浩等[52]建立了考虑工作面应力和瓦斯非均匀分布特征的突出激发能量判据，结合传统能量守恒式构建了突出不同阶段煤体搬运功的计算模型，同时提出了能量链式释放理论并建立了