多年来,煤炭在我国能源消费结构中所占比重一直保持在70%以上,使得许多煤矿提高采掘速率和进入深部开采是必然的发展趋势,这将使得煤矿发生煤与瓦斯灾害事故的概率进一步增加,严重威胁到矿工的生命安全和矿山的经济效益。而煤与瓦斯灾害事故是在采掘影响下煤岩应力、损伤和渗透率三者不断演化的结果,因此采用岩石力学、损伤力学、渗流力学和热力学等基本理论对煤岩应力、损伤和渗透率的演化关系进行研究有助于了解煤与瓦斯灾害事故的发生机理,进而采取针对性的技术手段使三者的演化过程向抑制煤与瓦斯灾害事故的方向转变。基于上述分析,本文的主要研究内容如下:(1)采掘影响下煤岩应力分布的基本特征,并采用FLAC3D软件分别对回采面和掘进面开挖至不同距离和不同开挖速率时的应力分布特征进行了数值模拟分析。(2)以采掘应力路径为基础,采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服控制渗流试验装置进行了不同初始围压、不同加载速率、不同含水率和不同围压卸载速率条件下的渗流试验。(3)基于热力学定律,研究了煤岩在不同试验条件下的能量演化规律,并采用累积耗散能定义了损伤变量,研究了损伤演化的数学模型,分析了损伤与渗透率的演化规律。(4)研究如何采用煤层高压注水技术和超前瓦斯排放孔技术改变采掘工作面前方煤岩应力、损伤和渗流的演化关系向抑制煤与瓦斯灾害事故的方向转变。采掘影响下煤岩的应力变化是导致损伤和渗透率不断演化的根本条件,而煤岩的应力分布随着开挖距离和开挖速率的不同具有不同的集中程度和卸压程度,回采工作面以峰峰集团大淑村矿172103工作面为研究对象,数值分析了开挖至30m、60m和90m以及回采速率为2m/步、4m/步、6m/步和8m/步时的煤岩应力分布特征。数值模拟结果显示:随着回采距离的增加,工作面前方应力集中范围和集中程度均增加,其中竖直应力集中程度最大,倾向应力集中程度次之,走向应力集中程度最小,三个方向的应力集中在一定范围内的叠加将会加剧煤岩破坏程度,这将容易诱导煤与瓦斯灾害事故的发生。随着回采速率的增加,工作面前方应力集中范围和集中程度均增加,其中竖直应力的集中程度越大,但倾向应力和走向应力的变化受开挖速率的影响较小。煤巷掘进中煤岩应力分布特征的数值模拟以172103掘进工作面为研究对象,数值分析了开挖至9m、18m和27m以及掘进速率为1m/步、3m/步、5m/步和7m/步时的煤岩应力分布特征。数值模拟结果显示:随着掘进距离和掘进速率的增加,工作面前方和上下帮位置的竖直应力集中程度和集中范围增加,工作面前方倾向应力集中程度和集中范围增加,对走向应力的变化趋势影响较小,走向应力始终处于卸压状态。由采掘影响下煤岩应力分布特征的数值分析结果和现场实际情况可得,回采工作面的防突措施应以消除工作面前方煤岩的应力集中为主,而掘进工作面的防突措施要以消除工作面前方的应力集中和降低瓦斯含量两者为主。采掘影响下工作面前方存在竖直应力升高和水平应力降低以及竖直应力和水平应力降低的两种力学路径,以此力学路径为基础设计了不同初始围压、不同含水率和不同加载速率下的加轴压卸围压的渗流试验,以及围压不同卸载速率下的轴压和围压同时卸载的渗流试验。加卸载条件下的试验结果表明:随着初始围压的增加,煤样的三轴破坏强度随之增加,煤样破坏后,瓦斯流量瞬间增加幅度越大,且破坏时脆性越强,抵抗外部变形能力越强;煤样含水率越高,煤样的三轴强度越低,在屈服阶段失去抵抗外部载荷所产生破坏的能力越快,且塑性变形增强,脆性破坏减弱,瓦斯流量增加越小;加载速率越大,煤样的三轴破坏强度越大,煤样破坏后,瓦斯流量瞬间增加幅度较小,抵抗外部变形能力相对较强,不容易产生整体失稳以及变形程度较小。轴压和围压同时卸载条件下的渗流试验结果表明:煤样破坏过程激烈,应力-应变曲线经历一段近似平台阶段以后将发生破坏,且卸载速率越高,煤样脆性破坏越强,瓦斯流量瞬间增加幅度越小,屈服破坏过程越快,变形幅度越大。加卸载力学路径下煤样的破坏形式以剪切破坏为主,而轴压和围压同时卸载条件下煤样的破坏形态不仅具有剪切破坏特征,而且具有张剪破坏特征。最后,采用mogi-coulomb准则,并结合有效应力对不同试验条件下的煤岩强度破坏进行了分析,为预测煤岩破坏规律提供了参考价值。基于热力学定律,采用能量的观点对煤岩的变形破坏过程进行分析,有助于解释煤岩变形破坏的本质和煤与瓦斯灾害发生的能量机理,也是研究煤岩损伤演化的理论基础。在加卸载试验条件下煤岩三轴变形破坏的能量演化规律表明:煤岩的变形破坏过程是能量不断演化的过程,在煤样屈服破坏前,煤体内部的总能量以不断积聚的弹性应变能为主,而耗散能处于较低的演化状态。当煤样进入屈服状态以后,弹性应变能的增长速率变缓,耗散能的增加速率开始增加,直到煤样达到破坏点以后,弹性应变能达到最大值,并开始突然下降,耗散能开始突然增加。当初始围压越高和加载速率越快时,煤样内部积聚的弹性应变能越大,而含水率较高的煤样破坏时,煤样内部积聚的弹性应变能越小。在轴压和围压同时卸载试验条件下煤岩三轴变形破坏的能量演化规律表明:在轴压加载至屈服点的过程中,煤体内部的总能量以不断积聚的弹性应变能为主,而耗散能处于较低的演化状态。从卸载点开始,弹性应变能开始进入近似稳定阶段演化,并且围压卸载速率越快,该稳定阶段持续时间越短,稳定时间与围压卸载速率之间服从幂函数变化关系。基于能量分析的结果,通过对比损伤变量的定义方法,采用累积耗散能定义了损伤变量,并得到了损伤演化过程。基于logistic方程建立了损伤演化的数学模型,并采用麦夸特法(levenberg-marquardt)+通用全局优化法,在非线性拟合软件1stopt中进行拟合分析,拟合结果表明:建立的数学模型能够较好的描述损伤演化过程。同时研究了损伤与渗透率的耦合关系,在损伤处于较低的演化阶段时,渗透率也处于较低的阶段,随着损伤的不断累积,直到煤样产生损伤破坏时,渗透率急剧猛增。当初始围压越大,煤样损伤破坏时渗透率急剧增加的幅度越大;当含水率和加载速率较高时,煤样损伤破坏时渗透率急剧增加的幅度越小;在轴压和围压同时卸载过程中,煤样发生损伤破坏时,渗透率急剧猛增,且卸载速率越快,渗透率增加的幅度越大,但回弹现象抑制了渗透率的增加幅度。煤与瓦斯动力灾害事故是煤岩应力、损伤和渗流不断演化的结果,然而提高采掘速率和向深部开采的趋势使得三者的演化结果增加了灾害事故发生的概率。因此,必须采取有效的技术手段改变三者的演化过程,预防灾害事故的发生。结合回采面的防突措施应以控制应力集中为主和掘进面的防突措施应以控制应力集中和降低瓦斯含量两者为主的特点,分别对回采面采用煤层高压注水技术和对掘进面采用超前瓦斯排放孔技术改变三者的演化过程,使演化结果向抑制灾害事故发展的方向转变。在分析了煤层高压注水防突机理和结合现场实际情况的基础上,研究了煤层高压注水工艺参数确定方法。基于能量原理,结合不同的侧向应力系数确定了注水临界水压;采用数值分析的方法确定了不同注水时间下的煤岩损伤破坏范围,得到损伤破坏范围与注水时间之间具有对数函数变化关系,从而确定了注水孔间距。现场应用效果表明:煤层注水后,瓦斯解吸指标明显下降,工作面前方煤体中的部分游离瓦斯得到释放,回采过程中上隅角和回风巷瓦斯浓度明显下降,基本杜绝了瓦斯超限现象。基于掘进过程中煤岩应力分布特征,对掘进工作面超前瓦斯排放孔进行了设计,经现场应用表明,突出预测敏感指标超标现象和瓦斯突出动力现象明显减少,巷道掘进安全状况大大提升,表明现场参数设计合理,可为煤巷安全快速掘进提供重要保障。本文通过上述理论研究、试验研究、数值分析和现场应用所具有的创新点如下:(1)以采掘影响下的力学路径为基础,研究了原煤试件在加卸载的力学路径下,不同初始围压、不同加载速率和不同含水率的渗流试验,以及轴压和围压同时卸载下不同围压卸载速率的渗流试验。并采用mogi-coulomb准则,结合有效应力对不同试验条件下的煤岩强度破坏进行了分析。(2)基于热力学定律,研究了不同试验条件下煤岩变形破坏的能量演化特征,分析了能量演化和煤与瓦斯突出的关系。基于累积耗散能定义了煤岩损伤变量和研究了不同试验条件下煤岩的损伤演化过程,并采用logistic方程建立了损伤演化数学模型,分析了损伤与渗透率的演化关系。(3)针对采掘工作面煤与瓦斯灾害事故的发生特点,研究了如何采用煤层高压注水技术和超前瓦斯排放孔技术改变煤岩应力、损伤和渗流的演化过程,从而使得三者的演化结果向抑制事故发生的方向转变。基于能量原理结合不同的侧向应力系数确定了注水临界水压。同时,采用数值分析的方法研究了注水时间与煤岩损伤破坏范围的关系,从而确定了注水孔间距。基于采掘过程中的煤岩应力分布特征,对瓦斯排放孔的相关参数进行了详细设计。