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0 前 言

煤与瓦斯突出是严重危害矿井安全生产的动力灾害，在压力作用下，抛出煤体及瓦斯具有强大破坏力，摧毁工作面设备、巷道并造成严重的伤亡事故，突出后若引起瓦斯、煤尘等爆炸，后果将更加严重。随着我国矿井开采深度每年以10至20m速度向深部延伸^[1]，部分矿井逐步由非突出矿井转变为突出矿井，已成为威胁矿井安全生产的重要因素之一。

研究煤与瓦斯突出的意义在于为防止该类事故提供合理有效的科学依据，减少“防突”工程量和时间，保证矿山安全高效生产。国内外学者对固-气耦合模拟实验做了大量研究工作，主要有三种研究方法：物理相似模拟实验、数值模拟及理论分析，且取得了较大进展。理论方面，李萍丰^[2]等认为发生突出的主要动力源为两相流体压缩积蓄而卸压膨胀过程释放的能量；丁晓良等^[3]认为突出是煤体的破坏与瓦斯渗流相互耦合的结果；实验方面，韩光^[4]等利用有限元法，求解耦合动力学模型并用以解释煤与瓦斯突出机理；蔡峰^[5]等利用物理相似模拟实验对煤与瓦斯突出进行研究，验证煤与瓦斯突出的“球壳失稳”机理。

目前研究煤与瓦斯突出多采用一维模型研究突出过程煤体裂纹演化及煤岩渗透率变化等特征，对了解突出的启动、发展、结束具有一定意义，但未考虑地应力对突出过程煤体破裂演化的影响，研究多停留在理论层面。煤与瓦斯突出受地质条件、开采工艺、瓦斯赋存条件及煤岩渗透性等多因素影响，故实验室模拟难度较大；数值模拟虽可实现对固气耦合模拟，但可靠性低，难以得出有力科学结论。

1煤与瓦斯突出理论发展历程

（1）瓦斯作用假说

该假说认为煤体在成煤过程中生成大量气体，储存在煤体中的高压瓦斯是发生突出的主要动力源。瓦斯作用的假说包括：“突出波”假说、“瓦斯包”假说、“卸压瓦斯作用”假说、“煤空隙结构不均匀”假说、“闭合空隙瓦斯释放”假说、“瓦斯解析”假说、“地质破碎带”假说等。其中，“瓦斯包”假说占主导地位，认为煤体中瓦斯以“气包”的形式存在，开采影响煤体结构，出现薄弱域，在围压作用下瓦斯包中气体冲出薄弱位置，携带大量破碎煤体涌向巷道或工作面。

（2）地应力假说

大多学者认为高地应力作用是煤与瓦斯突出主要原因。高应力主要有两个来源，一是指自重应力与构造应力；一是指煤炭采动引起的工作面煤壁前方支承压力。地应力假说包括：“应力集中” 假说、“放炮突出”假说、“顶板位移不均匀”假说、“塑性变形”假说等。

（3）综合作用假说

目前学者普遍认同综合作用假说。该假说认为突出是因煤岩自身的物理力学性质、地应力、瓦斯含量及赋存状况、开采技术工艺、开采强扰动等因素综合作用结果。但对各因素在突出中所起的作用没有统一认识。

2突出实验案例分析

相比数值模拟，物理模拟实验能更全面、真实的反应地质构造和地下工程结构整体性，能科学模拟施工过程围岩力学动态变化及运移特征。因煤与瓦斯突出问题受多种因素影响，开展物理实验难度较大，但也取得了一些成果。

（1）案例一

2013年重庆大学许江^[6]等利用自主研发的煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，开展了不同突出口径的突出实验，分析矿山石门揭煤过程瓦斯煤体暴露面积与突出发展的关系。设计突出口径分别为30、60、100mm，瓦斯压力设定为1MPa，水平应力恒定为2.4MPa，垂直应力为4MPa。结果口径为60和100mm时均发生突出，口径30mm未发生突出，压力增至1.25MPa时，30mm口径发生突出。研究表明：暴露面积约大，越易发生突出事故；突出口径越小，突出发生的时间越长，突出强度越小。但实验装置未能与煤岩体结合，只是单纯验证了含瓦斯煤体面积的影响，相似性较低。

（2）案例二

2014年西安科技大学李树刚^[7]等利用自主研制固-气耦合实验台，研究采动裂隙演化与卸压瓦斯渗流耦合问题，并取得一定成果。实验装置由开采系统、充气系统、渗透率测定系统三部分组成。在密闭空间实现煤层开采是一技术难点，经大量实验，选用由铁盒、枕木和螺栓组成开采系统。实施方法为：模型铺设前，用螺栓将铁盒升高至煤层高度，实验过程中，在实验箱体外转动螺栓引导铁盒下降模拟煤层开采。充气系统利用压缩空气为动力源，将具有恒压的压缩空去冲入储气罐，调节平衡阀使储气罐内压力恒定输入模型，模拟高压瓦斯渗流过程。但实验装置未考虑模型与玻璃护板间不可能完全封闭，故冲入的气体会沿着模型表面与护板间的缝隙到达模型后部，影响实验结果的可靠性；且实验未能得出具体的渗透率值，只通过验证测量孔的气体流量与前后表面的压力平方差线性相关，符合流体普遍遵循的达西定律，对研究煤与瓦斯突出问题不具有明确的科学指导。

3 目前研究存在问题

3.1 突出假说存在问题

各种煤与瓦斯突出假说虽能对突出发生条件及能量来源做出定性认识，但突出受多种因素影响且各矿地质条件差异较大，而各假说都是针对某种地质条件提出的，存在局限性，尚无某种假说可以解释所有矿的突出现象。

瓦斯主导假说未能解释：煤层中未发现瓦斯空洞、瓦斯含量和突出没有明显关系、强烈响声发生在突出前的煤体深处、突出空洞周围出现重复突出、突出点煤岩温度升高等现象。

地应力作用假说未能解释：开采深度很大但瓦斯含量低的工作面很少发生突出，突出发生前回风流中瓦斯浓度增大、突出煤体中常含大量煤粉，在大型突出事故中，喷出瓦斯量比煤层中赋存瓦斯量高许多，可短时间内涌出百万立方米瓦斯气体充满整个回采巷道。

综合作用假说未能解释：爆破诱发的突出、当煤体中水分增加或煤体强度降低、突出率反而降低、石门揭煤时发生大强度突出、过煤门时发生突出等现象。

3.2 突出实验存在问题

(1) 因构造应力存在，地下煤岩体常处于“三相不等压”状态，而目前研究煤与瓦斯突出的物理实验大多未考虑中间主应力的影响，煤岩试件或实验模型常采用一维加载路径或模拟静水压力的常规三轴试验加载方式，与工程实际相差甚远。

(2) 地下煤岩体在应力场、温度场、渗流场等多场耦合作用下，其物理力学性质及其复杂，目前实验较少涉及多场耦合。

(3) 此外，煤岩具有明显的各项异性、不连续性等特征，在研究其力学特征和渗流规律时，应考虑其三轴应力状态、内部裂隙发育形态与渗透率各相异性间的相互关系。

3.3 今后展望

随着研究不断深入，突出机理已由单因素向多因素发展，综合作用假说得到国内外学者普遍认可，为突出的预测、预报及防治提供理论借鉴。但目前研究还存在理论不完善、实验可靠性低等问题，需要科技工作者不断深入探索，为我国深井开采开辟绿色安全通道。在今后的研究中，应当进一步完善以下理论。

（1）将突出中煤体、煤尘、瓦斯、围岩、裂隙场、应力场、温度场及渗流场当成有机整体分析，并考虑其非连续性、各项异性等特征。

（2）应进一步明确引发突出的动力源。开采引起采场围岩应力重新分布，转移的应力以能量的形式储存在围岩中。煤岩体中储存的弹性能以及高压瓦斯团是引发突出的主要动力源，大型突出事故常伴随着高压瓦斯的大量突然释放。

（3）固-气耦合相似模拟实验是研究煤与瓦斯突出的主要实验手段，需要在实验装置上有所突破，研制出可以模拟多场耦合的突出实验装置。应力加载问题一直是物理实验的短板，如何模拟较真实地下空间应力场是今后亟需解决的问题。

4 结论

（1）经过大量文献查阅，总结了国内外关于煤与瓦斯突出及固气耦合先关的科学研究。分析了固气耦合物理相似模拟实验难点所在并指出了实验中存在的问题。

（2）目前学者经过长期对大量矿井煤与瓦斯突出现象的观测和研究，已基本掌握了突出发生的机理、条件和过程，明确参与突出的煤体、瓦斯、和应力场是统一体系，煤体中积聚的弹性能和瓦斯在压力作用下所产生的内能是突出的主要动力源。

（3）对突出机理的研究仍然停留在定性分析上，还需要更加深入的研究其力学本质，进而定量化的描述突出现象。

参考文献

[1] 蒋承林,俞启香.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术[M].徐州,中国矿业大学出版社, 1998.

[2] 李萍丰.浅谈煤与瓦斯突出机理的假说——二相流体假说[J].煤矿安全,1989(11):29-35+19.

[3] 丁晓良,丁雁生,俞善炳.煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏[J].力学学报,1990(02):154-162.

[4] 韩光.煤和瓦斯突出的气固耦合机理及分析研究[D].阜新：辽宁工程技术大学, 2005.

[5] 蔡峰.煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出机理的研究[D].淮南：安徽理工大学, 2005.

[6] 许江,刘东,彭守建等.不同突出口径条件下煤与瓦斯突出模拟试验研究[J].煤炭学报, 2013, 38(1):9-14.

[7] 肖鹏,李树刚,林海飞等.基于固-气耦合物理相似模拟的实验装置研究[J].西安科技大学学报, 2014, 34(3):255-260.

作者简介: 焦彪 （1985年），男，汉族，陕西三原人，本科学历，工程师，现在中煤西安设计工程有限公司从事矿井开采设计工作。单位邮编710054。