新南威尔士大学Fatemeh Soleimani和Guangyao Si研究团队针对煤与瓦斯突出这类常见的煤矿动力灾害进行了综述性研究，主要参考了近年来采用数值模拟方法而复现煤与瓦斯突出过程的研究，并对影响煤与瓦斯突出的主要因素及其相互作用关系进行了分析。相关成果以“Numerical modelling of gas outburst from coal: a review from control parameters to the initiation process”为题发表在International Journal of Coal Science & Technology，https://doi.org/10.1007/s40789-023-00657-7或点击文末“阅读原文”）。
封面基于本篇论文的学术思想，以地层中采煤区域发生煤与瓦斯突出现象为背景，辅以采用数值模拟方法得到的应力变化曲线和气体压力曲线，放大部分重点展现煤块随着气流飞射出来，体现煤与瓦斯突出的危害性，揭示了影响煤与瓦斯突出的主要因素及其相互作用关系。
煤与瓦斯突出是指煤矿井下煤与瓦斯不受控制地喷出，其发生概率随着采矿深度的增加而显著增加。瓦斯突出是一种复杂的现象，因为其影响因素过于复杂，众多学者一直在寻找有效预测突出及防控的方法。瓦斯突出的发生与煤体的力学性质和储层流动性质有关，其具体包括瓦斯成分、瓦斯含量、瓦斯压力、温度、吸附/解吸速率、扩散速率、绝对渗透率和相对渗透率、孔隙度、煤层厚度、煤种、煤强度、地应力、煤粒度、断裂韧性、含水率等。此外，采矿过程中地质结构的存在和诱发应力可能在引发突出方面发挥重要作用。多年来，人们提出了不同的方法来确定合理的突出阈值，以帮助矿山管理突出风险。随着计算机技术和数值模拟软件的发展，利用数值模拟通过考虑各种控制参数来研究瓦斯突出的能力得到了明显提升。本文通过回顾不同数值模拟方法及其优缺点，阐述在瓦斯突出模拟中应用这些方法的差异性。
在迭代耦合瓦斯突出的数值模拟方面，Guangyao Si研究团队通过建立煤层裂隙动态演化和瓦斯袋状突出模型，并将突出模型应用到实际地质环境中，解释了现场条件下发生的瓦斯突出案例。其中地质力学模拟器 FLAC3D 和油藏模拟器 ECLIPSE 则分别用于模拟瓦斯突出中的地质力学和流体流动行为。该研究中，假定各单元孔隙压力超过煤体粘聚力时发生突出（图1）。
图1 迭代耦合瓦斯突出数值模型
此外，Guangyao Si研究团队使用 COMSOL Multiphysics 并利用能量守恒的概念来评估煤层开挖过程中发生突出的可能性，通过假设煤的不同部分有不同的力学特性，并对不同的瓦斯压力阈值进行了计算。通过能量平衡概念，观察受损区域与瓦斯突出发生强度之间的关系，结果表明，虽然在采掘靠近受地质构造影响的煤层时更容易观察到突出的发生，但较高的瓦斯压力会易于导致突出提前发生，而且一般会更加严重（图2）。
图2 瓦斯突出易发区域和受损区域对比
煤与瓦斯突出是严重的煤矿安全问题，数值模拟是进行系统性的、多参数的瓦斯突出风险性评估的最佳方法。为此，必须对地质力学和流体力学进行耦合模拟，大多数现有研究工作都使用了连续介质力学和达西定律，却很少尝试研究基于煤体颗粒行为聚集的现象。而且大多数研究都假设煤体突出颗粒是球形的，而忽视了不同形状和大小的煤颗粒可能会影响煤体破碎突出所需的能量。此外，从能量守恒和随机建模的角度来研究瓦斯突出被证实是一种行之有效的煤与瓦斯突出模拟方法。总之，由于瓦斯突出灾害的多样性和复杂性，结合多种不同的数值模拟方法可以更好地模拟突出过程、预防突出危害。
Guangyao Si，新南威尔士大学矿物、能源与资源学院（School of Minerals and Energy Resources Engineering, University of New South Wales）副教授，博士生导师。本科毕业于中国矿业大学，获得英国帝国理工学院博士学位。负责和参与过多项澳洲煤炭研究基金（ACARP）、澳大利亚研究委员会（ARC）和工业界资助项目，总金额超过1450万澳元。主要从事煤矿瓦斯捕集与利用，采空区管理和自燃防治，多物理场耦合仿真，采矿诱发微震活动监测与管理，煤岩动力灾害防治，采矿中的机器学习应用等研究。已发表SCI期刊论文70余篇，其中Q1区期刊66篇，排名前10%期刊57篇，排名前1%期刊36篇。已顺利指导4名博士毕业，现团队中有9名博士生和1名研究型硕士。目前担任Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering编委，国际岩石力学学会（ISRM）、澳大利亚采矿和冶金学会（AusIMM）以及采矿、冶金和勘探学会（SME）会员。
Fatemeh Soleimani, 新南威尔士大学在读博士生，本科及硕士毕业于伊朗谢里夫理工大学（Sharif University of Technology）。主要从事煤与瓦斯突出的数值模拟研究，开发了基于COMSOL多场耦合瓦斯突出模型，创新性的提出了利用能量守恒定律来确定突出的阈值并进行突出危险性评价。
引用格式： Soleimani, F., Si, G., Roshan, H. et al. Numerical modelling of gas outburst from coal: a review from control parameters to the initiation process. Int J Coal Sci Technol 10, 81 (2023). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00657-7
International Journal of Coal Science & Technology (IJCST) 创刊于2014年，由中国科协主管，中国煤炭学会主办，煤炭科学研究总院承办，采取钻石开放获取出版模式（即作者、读者均不需支付文章处理费APC），发表地质、采矿、化工、能源、环境等领域的原创性研究成果和高质量综述，为全球从事相关领域的学者提供国际交流平台。目前，IJCST已被ESCI、Ei、Scopus、CSCD、CAS、GeoBase等国内外重要数据库和检索系统收录，2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”，2022年JCR Impact Factor=8.3，2023年进入中科院分区1区。
编辑整理：陶 赛
审 核：王婉洁
