(3) 水合固化防突力学作用方面已经形成初步研究框架，但在深部条件下煤体中瓦斯水合物的生成、水合物实时监测及力学性质测试设备研发、含瓦斯水合物煤体强度准则与本构模型建立、水合物不均匀分布对力学性质的影响以及强化机理揭示、考虑渗流-应力耦合条件下的含瓦斯水合物煤体三轴试验离散元研究以及基于水合物固化方法进行煤与瓦斯突出危险评价方面，还需进一步探索。
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煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展
目前，预防煤与瓦斯突出方法主要有穿层预抽钻孔、松动爆破、水力冲孔等。预抽煤层瓦斯是目前消除揭煤期间突出危险性的有效措施，但存在抽采时间长、抽采效率低等问题，常需实施水力割缝等增透措施。松动爆破技术是提高瓦斯抽采率、降低煤层瓦斯突出危险性的重要手段之一，但爆破有效半径快速测定技术有待探究。水力冲孔作为煤层卸压增透的强化措施能够增强煤层透气性，提高瓦斯预抽效率，但会使冲孔中心周围应力集中区的渗透率和钻孔瓦斯流量降低。基于改善煤体的力学强度的动机，学者们普遍利用低温冻结方法提高煤体强度。
笔者团队提出的瓦斯水合固化防突技术主要核心是降低气压以及提高煤体强度。首先通过向煤层注水或注入促进剂溶液，在低温高压条件下将瓦斯固化为水合物。1体积水合物可以固化约164体积的瓦斯，水合固化后瓦斯压力降低，加之水合物的生成填充煤体孔隙或胶结于煤体，使煤体强度增大，改善煤体力学性质，以期达到减弱或预防煤与瓦斯突出目的。
笔者聚焦水合物生成前后煤体力学性质原位测试以及水合固化后煤体力学性质的数值模型技术，从理论、试验、数值模拟3方面概述瓦斯水合固化防突技术可能性、含瓦斯水合物煤体渗流及力学特性的相关研究现状及发展趋势。理论研究包括瓦斯水合物生成后揭煤瞬间瓦斯压力和瓦斯涌出量的计算。试验涉及应力−渗流−化学耦合作用下含瓦斯水合物煤体三轴试验系统及测试技术及其力学参数和渗透率测试。模拟方面主要阐述三轴试验离散元模型的建立、细观参数对宏观力学特性的影响。此外，讨论瓦斯固化预防煤与瓦斯突出方法中的关键问题，并对其发展趋势进行讨论和展望。
图 1 瓦斯水合固化防突技术思路示意(修改自文献[9])
图 2 瓦斯水合物实物及空间结构示意
图3 瓦斯水合物相平衡曲线
图 4 不同饱和度下煤体中瓦斯水合物分布模式
图 5 水合物在煤孔裂隙中的微观分布模式
图 6 试样的孔径分布
图 7 煤体中水合物生成、分解过程压力−温度−时间曲线
图 8 围压12 MPa下煤体中水合物生成过程压力−温度−时间曲线
图9 围压20 MPa下煤体中水合物生成过程气体消耗量−时间曲线
图10 含瓦斯煤体/含瓦斯水合物煤体的峰值强度
图11 突出煤体中瓦斯水合固化阻抗特性监测实验装置
图 13 煤体中瓦斯水合物平均生长速率/饱和度与初始压力关系曲线
图 14 含瓦斯水合物煤体力学性质原位测试装置
图 19 不同围压下试样变形破坏
图20 应力−渗流−化学耦合作用含瓦斯水合物煤体三轴试验系统
图 23 卸围压条件下含瓦斯水合物煤体破坏照片
图24 煤体中水合物分布模式
图25 含瓦斯水合物煤体三轴压缩试验模拟
图27 不同饱和度下含瓦斯水合物煤体接触个数、接触力、配位数以及孔隙率与轴向应变的关系
图29 试验结果与预测渗透率对比(修改自文献[37])
研究方向
主要成果
主要从事矿井通风、瓦斯防治、瓦斯水合物应用等领域研究，开拓了利用瓦斯水合物技术进行煤与瓦斯突出预防及矿井瓦斯（煤层气）固化储运的新领域。长期深入煤矿从事科技攻关、技术服务工作，多项技术研究成果直接应用到煤矿安全生产领域中，为企业创造了较大的经济与社会效益。
来源：
吴强，张保勇. 煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展[J]. 煤炭学报，2024，49(2)：720−738.
