煤与瓦斯突出是煤炭资源地下开采过程中诱发的动力灾害,突出发生瞬间抛出数以吨计的煤并释放高达数万立方米的瓦斯。在过去的150年里,大量专家学者对突出发生机理进行了探索,并取得了极大的进展,而目前仍没有一种理论,能够充分地解释突出的完整过程。突出的综合作用假说广泛为大家所接受,但由于人们尚未完全认识煤地质材料的天然属性,现有的突出理论仍有待进一步的完善。本文充分运用表面物理化学、弹塑性力学、渗流力学和采矿学等理论知识,综合采用理论分析、实验室实验、数值模拟和实例分析的方法,围绕采动环境中煤与瓦斯突出发生的微观过程,从煤储层微结构入手,研究了不同阶煤的表面形貌、开孔与闭孔孔隙分布特征;分析了煤的有效应力与弹塑性特征,得出了扰动条件下煤体的渗透率演化规律;建立了煤体应力集中状态和煤体失稳条件下的孔隙破坏模型,深入探讨了微观孔隙破坏诱发突出的过程,并采用突出实验和典型突出实例分析了突出发生的微观机理;提出了突出的孕育发生模型,采用拉格朗日点有限元法（FEMLIP）方法进行了数值计算。得到研究成果主要如下:（1）煤样的SEM图像显示出煤样表面结构的复杂性和非均质性,采用图像识别的方法,计算了表面孔形貌分形维数和孔分布分形维数,发现接近中阶煤,煤表面形貌复杂程度降低。采用CO2吸附法、N2吸附法、压汞法以及小角X射线散射（SAXS）测试方法,对8种不同瓦斯赋存条件下煤样开孔孔径（0.34～10000nm）和闭孔孔径（小于2～100 nm范围）分布进行了测试和综合表征,结果表明:纳米孔隙分布（直径≤100nm）是煤微观孔隙结构的主要特征,占总孔容最高92.7%,比表面积占总98%以上;由于介孔分布量少,造成微孔与大孔之间的连通性差,产生瓦斯运移的“瓶颈”效应;煤中的封闭孔广泛存在,SAXS测试孔隙范围内,闭孔孔隙比例占14%～79.7%,对比表面积贡献率22.9%～86.3%。依据煤微观吸附过程中吸附势和表面自由能的变化,从微观和宏观角度分别研究了煤吸附瓦斯过程产生的吸附热和变形物理效应。（2）基于煤样的吸附变形实验,分析了煤的双重有效应力特征,瓦斯气体通过吸附膨胀效应和产生孔隙压力来影响煤的有效应力,吸附膨胀效应改变了煤颗粒之间的接触并影响到整体对应力的承载,而孔隙游离气体分担了部分外载荷。含瓦斯煤是一种天然损伤材料,采用单轴压缩、蠕变、松弛声发射实验,研究了煤的弹塑性特征。煤在塑性破坏过程中,发生明显的峰前硬化和峰后软化,累积较大的塑性变形最终发生破坏,采用考虑应变软化/硬化的摩擦类材料强度准则描述该过程更为适用。（3）通过煤样的轴向加压和卸围压渗流实验,研究了扰动条件下渗透率的演化规律,提出采用第一有效应力不变量与渗透率的指数函数方程描述采掘扰动条件下渗透率的演化。采用煤层均一赋值和随机赋值（Weibull分布）模型分别进行了采场巷道开挖数值模拟,得到了工作面煤体渗透率与采动应力的空间演化规律。煤的渗透率对工作面煤体应力状态变化极为敏感,卸压区煤样渗透率发生指数级增长;煤的强度参数变化导致高渗透率区域（卸压区）和低渗透区域（应力集中区）范围的不规则变化,变化范围分别为工作面前方5～7 m和4～9 m,采动应力对渗透率影响范围为掘进工作面前方60 m以上。（4）基于纳米压痕技术测试了煤样600μm×600μm尺度范围的断裂韧度分布,发现了微观尺度断裂韧度的高度不均匀分布,断裂韧度范围0.0104～0.1178MPa·m1/2,采用Weibull分布拟合方法得到特征参数为0.078,形状参数为0.32;蠕变压痕的测试发现,微观刚度随加载速度的增加而瞬间增加,但最终随载荷稳定,刚度值也趋于稳定。基于采掘扰动规律,采用“Ⅱ”型（滑移型）裂纹应力强度因子描述煤体应力集中状态下孔隙的破坏,采用“Ⅰ”型（张开型）裂纹应力强度因子描述煤体失稳条件下瓦斯对孔隙的破坏。（5）将采掘扰动影响下微观孔隙发生破坏而释放瓦斯能量的过程称之为“微气爆”。采用微观孔隙气爆的概念阐述了突出孕育发生的过程:采掘扰动条件下煤体失稳,煤体内部迅速形成较高的瓦斯压力梯度,微气爆加剧,局部孔隙的破坏使得压力梯度影响范围扩大,产生连锁效应;随着释放的瓦斯量能量汇聚,对工作面煤体产生进一步的破坏,导致突出的发生;地应力和瓦斯气流对煤体的持续破坏,微气爆发生,使得瓦斯能量持续释放,突出进入发展阶段;当地应力对煤体的破坏停止,压力梯度减小,微气爆的发生减弱,释放的瓦斯能量不足以克服突出空洞的阻力而停止。（6）突出孕育发生的条件为:一是足够的瓦斯能量（即瓦斯压力值）,能够诱发微气爆并积累能量对煤体产生宏观破坏;二是工作面前方煤体发生失稳破坏,是高瓦斯压力梯度形成的触发条件。煤体微观孔隙的破坏——微气爆的持续发生,是瞬间释放大量瓦斯的来源;采动裂隙的发育使得煤体内部瞬间形成较高的瓦斯压力梯度,诱发微气爆。（7）基于实验室中等尺度煤与瓦斯突出实验,从突出过程中瓦斯压力、煤体温度、突出煤的传播及粒度分布分析了突出现象的宏观演化,从能量守恒角度计算并分析了煤体弹性能、瓦斯膨胀能、煤体内能向破碎功、抛出功、流场损失能的转化,得出瓦斯潜能占突出能量90%以上,启动并维持突出的发生和发展。从突出煤粒径的减小和孔隙结构的变化分析了突出过程瓦斯对煤孔隙的破坏作用,分析得出闭孔的破坏会对突出的孕育发生产生推动作用。选择前苏联红色国际煤矿突出和中国中梁山煤矿突出两个典型突出实例,应用“微气爆”的概念,分析了瓦斯压力梯度变化导致微气爆发生的规律,描述了突出的发生过程。（8）将含瓦斯煤看作一种颗粒材料,颗粒之间的细观接触力学特征可以呈现含瓦斯煤的应力状态。借鉴固-流转化的思想,含瓦斯煤体的固流转化为突出的孕育发生,采用突出的能量标尺瓦斯压力和保守的破坏准则二阶功联合作为固流转化的条件,即（?）,建立了煤与瓦斯突出孕育发生模型。固流转化准则将突出的孕育发生和发展结束统一地联系起来,有助于描述突出发生的全过程。基于FEMLIP数值模拟方法,采用含瓦斯煤单轴压缩实验对参数进行校准,建立工作面开挖模型,对突出的过程进行了数值模拟。研究得出FEMLIP方法克服了有限元法只能描述小变形问题的缺陷,二阶功在描述含瓦斯煤体失稳上具有很好的适用性。模拟突出过程符合突出孕育、发生、发展和结束的4阶段描述,体现了该数值模拟方法的应用潜力。