煤与瓦斯突出是世界范围内煤矿井下最严重的灾害之一,其预防和治理是长期制约我国煤矿安全生产的重大难题。要实现突出风险的精准预测和突出隐患的有效消除,就必须科学掌握煤与瓦斯突出的发生机理。大量调查研究资料表明,煤与瓦斯突出事故更多的发生在掘进工作面,当掘进巷道前方煤岩体出现硬-软变化区域（硬煤-软煤变化、石门揭煤等）时,突出发生的频率会升高、强度也会增大。课题组在前期对煤与瓦斯突出机理的探索过程中发现,当掘进工作面前方煤体出现硬-软煤变化区域时,煤体塑性区会产生间断扩展的现象,由于塑性区的间断扩展极易形成“瓦斯包”,进而增大了硬-软煤变化区域的突出危险性。因此,探索硬-软变化区域煤岩体塑性区产生间断扩展的力学本质,阐明其诱发煤与瓦斯突出的机理,并提出有效的防治方法,对于我国煤矿防突技术的进一步发展和防突体系的完善具有重要意义。论文采用现场调研、实验室实验、理论分析、数值模拟等综合研究方法,掌握了区域应力状态对煤岩体塑性区分布的控制作用,明晰了掘进面过硬-软变化区域时塑性区形态特征和非连续塑性区的演化规律,揭示了硬-软变化区域非连续塑性区形成的力学机制,获得了影响非连续塑性区形成与扩展演化的关键敏感因素,提出了非连续塑性区贯通诱发煤与瓦斯突出机理,剖析了煤与瓦斯突出的发展过程,并讨论了煤与瓦斯突出的基本条件,提出了硬-软变化区域突出危险性预测方法和防突钻孔布置优化方法,取得了如下主要结论和创新成果:（1）研究了区域应力状态对圆形孔洞及掘进巷道周边偏应力场分布的控制作用。区域应力场的大小控制圆孔及掘进巷道围岩偏应力场分布的范围,区域最大最小主应力的比值控制偏应力场的形态。掘进巷道的偏应力场在掘进头顶底角方向上的集中程度急剧升高,影响范围急剧扩展。在一定条件下,区域应力状态的改变会引起掘进巷道前方偏应力场的分布形态产生急剧突变。（2）研究了区域应力状态对平面圆孔和掘进巷道围岩塑性区分布的控制作用。同偏应力场的分布特征及规律基本一致,区域应力场的大小控制圆孔及掘进巷道围岩塑性区的范围,区域最大最小主应力的比值控制塑性区的形态;平面圆孔和掘进巷道围岩塑性区均具有方向性,其会随着主应力场方向的旋转而发生改变;在一定区域应力状态下,掘进面前方煤岩体会出现呈扁球状的蝶叶形塑性区。当巷道围岩的主应力场接近一定临界应力状态时,掘进工作面前方煤岩体的蝶叶塑性区对区域应力状态变化具有高度敏感性。（3）分析了不同应力状态下含孔洞砂岩试样的声发射及破坏特征。研究发现声发射事件发生的位置基本与岩石破裂面的展布形态吻合;含半穿孔试样的孔洞内端区域均存在沿最大最小主应力夹角方向的声发射事件积聚区,并且无论半穿孔角度如何变化,该声发射事件积聚区依然存在于半穿孔洞内端区域;含穿孔砂岩试样宏观破裂形态与高主应力比值下掘进巷道前方偏应力场的分布形态以及掘进头顶底角塑性区的空间分布基本相符。（4）建立了硬煤-软煤变化、石门揭煤、硬软分层变化、煤层厚度变化四种典型硬软变化区域数值计算模型,研究了掘进面过硬-软变化区域时前方塑性区的空间形态和演化特征。揭示了掘进面过硬-软变化区域时的孕灾过程。掘进面过硬-软变化区域时非连续塑性区的形成与演化决定了掘进面前方“瓦斯包”的孕育程度,即非连续塑性区的范围决定了“瓦斯包”的容积。在区域应力状态、围岩强度基本相同的情况下,掘进面过不同硬-软变化地质结构模型时,非连续塑性区的形成与演化的阶段不同,所孕育地“瓦斯包”的大小也不相同。掘进面过硬煤-软煤变化区域时,非连续塑性区产生到最终贯通过程中掘进面推进的步距越长,非连续塑性区的演化阶段也越长,“瓦斯包”孕育的过程更加隐蔽,非连续塑性区扩展的体积更大,“瓦斯包”可积蓄的能量更多,因而发生突出的风险性更大。（5）建立了硬-软变化区域岩体的简化孔洞力学模型,获得了硬-软变化区域岩体中孔洞围岩塑性区的边界方程,给出了非连续塑性区边界的数学表达。一定条件下,在硬-软变化区域岩体中,当双向围压相等或比值差别不大时,孔洞围岩塑性区在硬岩体中呈圆形或近似椭圆形分布,随着双向压力比值的增大,塑性区逐渐呈现出蝶形分布的特征,并且蝶形塑性区的蝶叶部位可以在硬软岩体之间产生间断扩展,进而在软岩体中形成非连续塑性区。（6）基于硬-软变化区域岩体的孔洞围岩塑性区边界方程,理论分析了非连续塑性区形成的影响因素。非连续塑性区的形成主要受区域应力状态、软岩体的强度参数及分布区域和孔洞尺寸等因素的影响,其中,区域最大主应力越大且主应力比值越小,越容易产生非连续塑性区;当最大主应力增大到一定值及主应力比值减小到一定值后,非连续塑性区会出现急剧扩展现象;不同的主应力方向同样会造成非连续塑性区形态和范围的差异;软弱岩体内聚力和内摩擦角越小,岩体强度越低,越容易出现非连续塑性区,当岩体强度降低到一定值后,非连续塑性区会出现急剧扩展的现象;非连续塑性区随孔洞尺寸的增加而迅速增大,随软岩体的分布范围增大而增大,但是软岩体的分布对软岩体内非连续塑性区最大破坏深度的影响并不明显。（7）获得了影响非连续塑性区形成与扩展演化的关键敏感因素,为认识“瓦斯包”的演化规律和煤与瓦斯突出的有效防治提供了重要理论依据。掘进巷道过硬-软变化区域时,非连续塑性区形成与扩展演化的关键敏感因素包括区域应力状态（区域主应力场的大小、方向）和煤岩体强度参数（内聚力和内摩擦角）,当区域最大主应力场增大或区域最小主应力场减小或煤体强度减弱时,非连续塑性区会在掘进面距离硬-软分界面更远的位置出现,且随着掘进面的推进,非连续塑性区不断演化增长;当主应力方向处在合适的角度时,非连续塑性区会在掘进面距离硬-软分界面更远的位置会出现,且随着掘进面的推进,非连续塑性区会不断演化增长。（8）提出了硬-软变化区域非连续塑性区贯通诱发煤与瓦斯突出机理,阐明了非连续塑性区扩展演化诱发煤与瓦斯突出的物理力学过程。即在满足一定条件的情况下,当掘进巷道过硬-软变化区域时,掘进面前方的塑性区会产生非连续扩展而形成封闭“瓦斯包”,随着工作面继续推进或外部动力扰动使得非连续塑性区形成贯通时,“瓦斯包”突然被打破,同时释放其内储存的巨大能量,促使破碎煤岩在瓦斯的裹挟下产生动力失稳,形成煤与瓦斯突出。其中,塑性区的非连续扩展是形成高压“瓦斯包”进而引发煤与瓦斯突出的一个重要因素。（9）阐释了非连续塑性区贯通诱发煤与瓦斯突出的发展过程。非连续塑性区贯通诱发煤与瓦斯突出的发展过程包括:突出准备、突出启动、突出发展和突出终止四个关键环节,突出准备阶段是指非连续塑性区的形成与扩展演化过程,也是“瓦斯包”形成与能量积聚的一个过程;突出启动阶段是指从非连续塑性区贯通至封闭“瓦斯包”的部分煤岩体破坏失稳并被抛出;突出发展阶段是指从“瓦斯包”内煤岩体暴露失稳开始到突出终止所经历的过程。（10）对非连续塑性区贯通诱发煤与瓦斯突出的基本条件进行了讨论。非连续塑性区贯通诱发突出的过程需要满足四个条件:非连续破坏条件、触发条件、破坏区连续扩展条件和能量条件。其中非连续破坏条件也就是非连续塑性区的形成条件,是形成高压“瓦斯包”进而诱发突出的前提条件,能量条件是形成煤与瓦斯突出动力灾害的基础保证,触发条件又是“瓦斯包”内积聚能量得以集中释放的关键环节,而破坏区连续扩展条件是突出能够持续发展的核心所在。（11）提出了硬-软变化区域突出危险性预测方法。即在掘进面过硬-软变化区域时,在常用的突出敏感指标对突出危险性进行预测的基础上,重新考虑非连续塑性区这一诱发突出的重要因素,通过查明硬-软变化区域的区域应力状态和软岩体的强度参数及分布区域等指标,对突出危险性进行综合研判,进而为硬-软变化区域的突出危险性作出更为精准的预测。（12）基于煤岩体塑性区非连续扩展而形成高压“瓦斯包”的潜在危险,给出了防突钻孔布置优化的基本思路,并结合中马村矿巷道揭煤的实际工程背景,对防突钻孔布置进行了优化。防突钻孔布置优化的核心在于准确判定工作面前方存在的潜在突出危险区域,并且保证防突钻孔的布置区域在满足规定性要求的前提下还必须要覆盖非连续塑性区贯通时的最大分布范围,同时还应考虑施工过程中外部扰动事件对煤体塑性区扩展的影响。