辽宁工程技术大学范超军科研团队提出了煤与瓦斯突出的地质动力系统灾变理论，阐述了突出地质动力系统的基本构成和演化过程，构建了含瓦斯煤体应力-损伤-渗流耦合模型，揭示了煤与瓦斯突出的“卸荷+降压”消突机制，并用数值模拟手段进行了验证，对于准确预测与防治煤与瓦斯突出具有重要意义。相关成果以“Elimination mechanism of coal and gas outburst based on geo-dynamic system with stress-damage-seepage interactions”为题发表在IJCST(International Journal of Coal Science & Technology，https://link.springer.com/article/10.1007/s40789-023-00651-z或点击文末“阅读原文”)。
煤与瓦斯突出是一种矿井瓦斯动力灾害，威胁着煤矿安全生产。中国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家。从2012年到2022年，全国共有12个省市发生了煤与瓦斯突出事故82起，死亡474人。截止2022年，我国仍有713处煤与瓦斯突出矿井。随着煤矿开采强度、深度的增加，突出矿井数量还在继续增加，突出威胁更加严峻。许多学者分析了煤与瓦斯突出的发生机理，重点关注了突出煤、瓦斯、地质构造和地应力共同作用或主导作用。在多物理场耦合理论和综合作用假说的启发下，范超军科研团队提出了煤与瓦斯突出的地质动力系统的煤与瓦斯突出消除机理，利用底抽巷穿层钻孔与冲孔结合的“卸荷+降压”方式 消除突出危险，为煤与瓦斯突出灾害防治提供参考。
煤与瓦斯突出地质动力系统由含瓦斯煤体、地质动力环境和采掘扰动构成，其中含瓦斯煤体是突出的物质基础，地质动力环境是内部驱动力，采掘扰动是外部驱动力。煤与瓦斯突出地质动力系统的演化过程包括孕育、形成、发展和终止四个阶段。建立了煤与瓦斯突出地质动力系统的形成判据和失稳判据。形成判据F1为地质动力系统尺度，失稳判据F2为突出地质体尺度。构建了煤体弹性变形阶段和损伤破坏阶段的渗透率数学模型，综合煤体变形破坏、瓦斯吸附、瓦斯渗流、水渗流的相互作用，获得了含瓦斯煤体应力-损伤-渗流耦合模型。
图1 含瓦斯煤体应力-损伤-渗流耦合模型
基于煤与瓦斯突出地质动力系统灾变理论，建立了“卸荷+降压”消突机制，数值反演了底抽巷穿层“钻孔+冲孔”消突全过程。当抽采10天时，煤层中钻孔周围瓦斯压力降低范围较小；而抽采120天时，瓦斯压力明显降低，煤层中大部分区域的瓦斯压力小于0.4 MPa。当瓦斯抽采10、30、60和120天后，巷道前方突出体的体积分别为25 m3、13 m3、4 m3和0 m3，说明突出危险逐渐降低。进一步证实了“卸荷+降压”消突机制的正确性。
图 2 基于地质动力系统的“卸荷+降压”消突机制
图 3 抽采不同时间后煤层内瓦斯压力分布
图4 抽采不同时间后突出地质体三维空间演化
范超军科研团队认为，在煤与瓦斯突出发生时，破碎煤岩体与瓦斯快速涌入巷道或采场空间，是一个高度离散的动力学问题，目前耦合模型采用有限元方法求解难以模拟离散的煤岩体在巷道中的运移和致灾过程。今后应进一步考虑使用有限元与离散元相结合的模拟方法，再现突出地质动力系统的孕育、演化以及突出体涌入采掘空间致灾的全过程，以期对突出发生机理有更加深入的认识。
范超军，工学博士，教授，博士生导师，美国宾夕法尼亚州立大学访问学者。入选中国科协青年人才托举工程、辽宁省“兴辽英才”青年拔尖人才、辽宁省“百千万人才工程”万层次人选、全国矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才，获全国煤炭青年五四奖章、辽宁省优秀博士学位论文奖。担任International Journal of Coal Science & Technology科学编辑、International Journal of Mining Science and Technology中青年编委、Rock Mechanics Bulletin青年编委、Geohazard Mechanics青年编委、《煤炭科学技术》青年编委。致力于煤与瓦斯突出预测与防治、瓦斯（煤层气）强化抽采、CO2地质封存、废弃矿井资源开发等领域研究。主持国家自然科学基金（面上和青年项目）、中国博士后科学基金（特别资助和面上资助）、辽宁省自然科学基金重点项目以及企业合作项目14项。在Energy、Fuel《煤炭学报》《中国矿业大学学报》等刊物上发表论文69篇，其中第一或通讯作者发表SCI检索论文32篇（ESI热点2篇、高被引5篇），担任Fuel、Rock Mechanics and Rock Engineering等国内外30余个SCI期刊审稿专家；申请/授权发明专利24项，获省部级科技奖励9项，出版专著1部，起草地方标准4部。
徐令金，在读博士研究生，研究方向为煤矿瓦斯灾害防治、废弃矿井瓦斯抽采等领域，参与国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金等课题7项，在International Journal of Coal Science & Technology、Rock Mechanics and Rock Engineering、ACS Omega期刊发表SCI检索论文3篇，在国际学术会议作报告1次。曾获得国家奖学金、辽宁省普通高等学校优秀毕业生、阜新市向上向善好青年、孙越崎优秀学生奖、博士研究生二等学业奖学金、校优秀研究生干部等荣誉称号。
引用格式：Xu, L., Fan, C., Luo, M. et al. Elimination mechanism of coal and gas outburst based on geo-dynamic system with stress–damage–seepage interactions. Int J Coal Sci Technol 10, 74 (2023). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00651-z
