煤与瓦斯突出是在井工开采煤矿生产过程中发生的一种极其复杂的动力现象。随着开采水平向深部延深,地应力和瓦斯压力增大、瓦斯含量增高,煤层透气性差,导致煤与瓦斯突出动力灾害日益严重和复杂,一些无煤与瓦斯突出危险性的矿井升级为突出矿井。为了有效预防和控制突出事故的发生,保障矿井安全生产,世界各主要产煤国家均投入了大量的人力、物力对煤与瓦斯突出进行了研究,以便为突出事故的预测和控制提供理论和技术依据。目前对于突出发生的机理以及突出过程中煤岩体破坏与发展机制的认识还停留在假说阶段,只能对突出过程中及突出发生后的一些现象进行解释,还没能形成一套完整的理论体系。由于煤与瓦斯突出事故的破坏性、突发性和特殊性,这就使准确监测并获取事故发生过程中的一系列参数不可能实现,也阻碍了科研工作的进一步发展。本文利用自主研发的大尺寸煤与瓦斯突出相似模拟装置对煤与瓦斯突出模拟试验进行了系统研究,对突出过程的各项物理参数进行测试;通过FLAC3D数值模拟软件模拟了大淑村矿煤样的突出试验过程中顶板应力变化规律,并通过煤与瓦斯突出的煤体损伤演化模型对突出过程中的煤;通过FLAC3D数值模拟软件,研究了工作面煤体采动应力的时空演化规律,并据此分析应力对突出的影响;通过开展煤体吸附瓦斯应变测试试验研究了孔隙气体对煤体的蚀损破坏作用,并据此分析瓦斯对突出的影响;最后通过所得到的结论对真实突出案例进行分析。本文取得了以下主要成果:(1)总结了国内外目前存在的各类突出模拟装置及突出模拟试验的优缺点,并此基础上,研发出一套“大尺寸煤与瓦斯突出模拟试验装置”。所研制的“大尺寸煤与瓦斯突出模拟试验装置”可以装填1t重的煤岩模型,注入100L左右的压力气体,能够较大程度真实地模拟在井下发生的突出现象。试验可以模拟不同成型压力、不同载荷大小、不同应力分布规律、不同瓦斯压力、不同顶底板岩层结构条件下的突出情况。(2)通过自主研发的大尺寸煤与瓦斯突出相似模拟装置开展大淑村煤矿2#煤层及振兴二矿2#煤层煤样的煤与瓦斯突出相似模拟试验。试验结果显示:在吸附稳定瓦斯压力分别为0.3MPa与0.6MPa条件下,突出煤岩样重量分别为369.9Kg及373.6Kg,最远抛射距离分别为41.4m及49.5m。吸附瓦斯压力越高,抛射距离越远,突出煤岩样中,纯煤样占的比重越大,煤样粉碎程度越高,验证了突出过程中吸附瓦斯主要对煤体进行粉碎作用的结论。突出发生后,突出煤样以突出口圆心所在直线为对称轴呈轴对称的扇形分布。在两次试验中,突出煤岩样以突出粉煤为边界,分别存在4个和6个扇形,扇形之间分布着垮落的顶板岩样。可以认为,在第一次和第二次试验过程中,分别存在4次和6次瓦斯粉碎煤体的过程。(3)通过图像处理的方法,对突出过程中获得的视频资料进行处理,得到突出粉煤-瓦斯混合流的速度分布规律。粉煤-瓦斯混合流在出口处的喷射速度为54.55m/s,然后速度逐渐衰减,在距离突出口1~6m范围内的平均速度下降为21.43m/s。在突出口前方无障碍物的情况下,突出煤样的重量主要分布在距离突出口较近处和较远处,而在有障碍物情况下,突出煤样重量主要集中在障碍物附近。突出发生后,煤层顶板岩层发生沉降,距离突出口越近的岩层,沉降值越大,挨着突出口所在壁面的岩层沉降了17.2cm,距离突出口越远,岩层沉降越少。突出煤层的直接顶岩层发生弯曲变形,呈现明显的自然拱形状。(4)通过flac3d数值模拟软件,模拟了大淑村矿突出模拟试验过程中应力演化规律。结果表明:突出过程中,煤层顶板应力分布沿工作面走向和倾向发生应力转移,突出口两侧应力集中区范围和应力值增大,沿走向煤层顶板应力向煤层深部转移趋势。利用123131对突出过程中的煤层应变演化特征进行分析,并结合应力演化特征,对能量演化特征进行分析。结果表明:在突出发展的第Ⅰ阶段,共消耗了30.26kj的弹性潜能,775.65kj的瓦斯内能,煤体抛出功为594.815kj,煤体破碎功为211.095kj。从突出发展的第Ⅰ阶段至突出结束阶段,共消耗了15.1kj的弹性潜能,481kj的瓦斯内能,煤体抛出功为409.8517kj,煤体破碎功为86.24kj。(5)通过对大淑村矿172103工作面的采动应力进行数值模拟研究,得到断层对采动应力时空演化规律的影响。模拟结果表明:在工作面前方煤体无断层构造时,在距离工作面3~5m范围内,煤体所受应力达到最大值为25.5mpa,为原岩应力的1.7倍,并在距离工作面8m左右的位置降低到原岩应力大小。所以,在距离工作面8m范围内的煤体,应力发生了急剧的变化,在应力转移过程中,这部分煤体所受应力先逐渐升高,在载荷的作用下被压缩,随着工作面的推进,峰值应力继续向深部转移,这部分煤体所受应力降低,并向采空空间膨胀,在膨胀过程中,部分煤体会被破坏,并发育新的裂隙;在工作面前方煤体中有断层构造时,峰值应力最大为28.5mpa,应力集中系数为1.9,在工作面推进到距离断层200m以内后,工作面前方煤体的峰值应力最大值有先增大后减小的现象。(6)通过岩石力学和弹性力学的理论知识,分析了断层构造带附近煤与瓦斯突出多发的原因。断层构造对附近煤体的应力分布影响较大,构造断层使峰值应力增大了3mpa,应力集中系数也从1.7增大到1.9,并使工作面前方应力值整体升高,越是靠近断层处,越产生更多的应力值起伏。同时,断层也使其两侧的煤岩体都产生了不同程度的应力集中。在断层构造附近,地应力与构造应力叠加,增加了断层附近煤体的峰值应力。同时,断层附近,构造软煤的发育,煤的透气性差、抗拉及抗压强度低,容易与卸压区之间产生较高的瓦斯压力梯度,处于脆弱的稳定状态,在外界扰动下,容易发生煤与瓦斯突出。(7)通过开展煤体吸附瓦斯应变试验研究瓦斯对煤体的蚀损破坏机制。结果表明:比表面积越大,煤体的吸附能力越强,吸附膨胀变形越大,随着吸附瓦斯压力的升高,吸附膨胀变形越大;吸附性越强的气体对煤体的蚀损破坏作用越明显。孔隙气体对煤体的蚀损破坏作用主要是孔隙气体的存在,使煤岩体内部的微裂隙、裂隙表面产生膨胀能,导致煤体颗粒之间的作用力减弱,被破坏时需要的表面能减小,降低了煤体强度,导致煤在瓦斯拉应力作用下发生突出。(8)根据论文前部分的研究结论,对大淑村矿的突出案例进行分析。通过SEM(扫描电子显微镜)对大淑村矿2#煤层的孔隙结构进行分形维数分析、开展分级加载条件下的蠕变试验及工作面回风巷道变形规律的现场观测,均表明大淑村矿2#煤层具有较强的流变特性。当1772205运料巷掘进到靠近煤柱下方时,地应力、煤柱集中应力、构造应力和工作面超前应力在此区域叠加,相比于不存在煤柱的煤体,这部分煤体所受的应力要高很多,远远超过煤体的屈服强度,极大缩短了蠕变第Ⅱ阶段的时长,迅速进入第Ⅲ阶段,在外界扰动下,发生煤与瓦斯突出。