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本期导读
本篇主要分享由张超林，王培仲，王恩元，许 江，李忠辉，刘晓斐，彭守建共同发表在《煤田地质与勘探》学术杂志上的学术论文“我国煤与瓦斯突出机理 70 年发展历程与展望”，本篇论文可以说是煤与瓦斯突出机理研究的集大成者：①系统阐述了70年来我国煤与瓦斯突出灾害现状及特点；②对煤与瓦斯突出领域文献进行科学知识图谱分析，划分研究阶段并探讨热点主题和发展前沿；③全面地综述我国煤与瓦斯突出代表性假说、物理模拟研究成果和数值模拟研究进展；④总结我国煤与瓦斯突出机理研究趋势和存在的问题,并提出未来研究方向和发展建议。
煤与瓦斯突出概念及灾害现状
煤与瓦斯突出，是煤矿中一种极其复杂的动力现 象，能在很短的时间内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的煤岩和瓦斯，在煤体中形成特殊形状的孔洞，并伴随一定的动力效应，如推倒矿车、破坏支架等，喷出的煤粉可以充填数百米长的巷道，喷出的煤粉−瓦斯流有时带有暴风般的性质，瓦斯可以逆风流运行，充满数千米长的巷道。
图1 煤与瓦斯突出不同分类标准
煤与瓦斯突出机理，是指煤与瓦斯突出发生的原 因、条件及其发生、发展过程。现阶段，煤与瓦斯突 出机理研究手段主要有理论分析、物理模拟、数值模 拟、现场测试和现场试验等，研究内容主要包括以下方面：①通过突出事故分析和现场调研,对突出原 因、条件、过程及规律进行定性解释;②利用数学和 力学等手段对煤与瓦斯突出模型进行近似定量研究; ③建立物理模型或数值模型,开展物理模拟试验研究 或数值仿真模拟研究;④通过物理、化学、构造地质 学等对瓦斯赋存、地质构造和构造煤特性进行研究; ⑤通过现场试验评价突出预测预警及防突措施效果。
图2 2001−2021 年我国煤与瓦斯突出事故起数及死亡人数
煤与瓦斯突出机理研究历程
图3 我国煤与瓦斯突出机理研究阶段划分
表1 1955-2022 年我国煤与瓦斯突出领域不同单位发文量统计
表2 1955-2022 年我国煤与瓦斯突出领域核心作者发文量统计
表3 2000-2022 年我国煤与瓦斯突出领域研究生培养情况统计
图4 煤与瓦斯突出领域文献关键词共现知识图谱
图5 煤与瓦斯突出领域前20个突显关键词
图6 煤与瓦斯突出领域关键词聚类分布图谱
图7 煤与瓦斯突出领域关键词时区分布
煤与瓦斯突出理论与假说
表4 国外早期煤与瓦斯突出假说
图8 CSIRO 模型中突出影响因素及其相互关系
综合作用假说由于考虑因素比较全面，自提出以来就受到广大学者认可，但由于煤岩物理力学性质的非线性、煤岩体破坏形式的多样性、瓦斯赋存与运移过程的复杂性,导致对于突出发生的原因、过程及一些细节的认识还不十分明确,如无法解释突出的区域性分布、石门的自行揭开、震动放炮揭开煤层时的延 期突出、突出瓦斯量超过煤层瓦斯含量上百倍等现象。我国学者从20世纪60年代起就对煤与瓦斯突出的机理开展了研究,提出了以下具有代表性的突出假说：（1）中心扩张学说(于不凡,1979 年)；（2）二相流体假说(李萍丰,1989 年，如图9)；（3）流变假说(周世宁、何学秋,1990 年，如图10)；（4）球壳失稳理论(蒋承林、俞启香，1995年，如图11）；（5）固流耦合失稳理论(梁冰、章梦涛,1995 年）；（6）关键层−应力墙瓦斯突出机理(吕绍林、何继善, 1999 年。如图12)；（7）延期突出机理(鲜学福、刘保县,2000 年)；（8）突出黏滑失稳机理(郭德勇、韩德馨，2003年）；（9）力学作用假说(胡千庭,2008 年，如图13)；（10）统一失稳理论(章梦涛,1991 年;潘一山,2016 年，如图14)；（11）蝶型突出机理( 马念杰,2017 年，如图15）；（12）突出微观机理（如图16）此外，还有卸压带理论、承压散体失控机理、气球模型理论、渗透失稳机理、物理爆炸假说、微元体破坏机理、旋流场假说、关键结构体致灾机理等一系列煤与瓦斯突出假说相继被提出,进一 步丰富完善了煤与瓦斯突出机理。
图9 煤与瓦斯突出二相流体假说模型
图10 巷道掘进过程中流变区域划分
图11 煤与瓦斯突出球壳失稳理论
图13 煤与瓦斯突出的力学作用过程描述
图14 复合动力灾害类型划分
图15 掘进工作面前方蝶形塑性区形态
图16 微破坏的复合和连锁效应诱发煤与瓦斯突出
突出物理模拟试验研究进展
煤与瓦斯突出往往具有突发性、隐蔽性和破坏性，现场实时监控与追踪难度大，而物理模拟试验过程可控、参数可调、结果可重复、数据可采集，已成为研究煤与瓦斯突出机理的重要科研手段之一。21 世纪以来,煤与瓦斯突出物理模拟试验装置性能得到极大 提升，试件尺寸、加载方式、密封压力、诱突方式等得到全面优化，见表 5。
表5 近 20 年我国煤与瓦斯突出物理模拟试验装置
图17 多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统
图18 多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统
图19 大型真三维煤与瓦斯突出定量物理模拟试验系统
图20 煤与瓦斯突出物理模拟试验流程
图21 煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯压力场与表面裂纹分布
图22 煤与瓦斯突出过程中多信号响应特征
图23 煤与瓦斯突出过程中能量转化过程
图24 煤与瓦斯突出与地质构造关系
图25 突出煤体破碎需要的应力条件
图26 构造带煤与瓦斯突出过程
图27 突出两相流在直巷中运移分布规律
图28 突出两相流在巷道网络中运移分布规律
煤与瓦斯突出机理研究展望
基于当前煤矿开采发展形势和突出灾害防治需求，结合突出机理研究进展和前沿趋势，提出以下发展方向和研究展望：
(1)突出多因素耦合演化机理;
(2)含瓦斯煤多尺度流变行为;
(3)煤层储能与动态释放过程;
(4)复合与次生灾害成灾机制;
(5)复杂地层下物理模拟试验;
(6)突出全过程数值模拟反演。
由于篇幅的限制，本篇推文主要精选论文的精华部分进行展示，建议感兴趣的读者下载全文阅读。
张超林,王培仲,王恩元,等. 我国煤与瓦斯突出机理 70 年发展历程与展望[J]. 煤田地质与勘探,2023,51(2):59−94. doi: 10.12363/issn.1001-1986.23.02.0054
编辑丨湛金飞 重庆大学
审核丨刘苏雨 重庆大学
