煤与瓦斯突出过程中能量失稳释放机制的多尺度研究

针对深部煤矿开采中煤与瓦斯突出灾害加剧的问题，研究人员通过物理实验与数值模拟(COMSOL)相结合，系统研究了不同渗透率(3.21-16.39 mD)条件下煤体破坏与能量释放机制。发现突出过程中瓦斯压力呈现延迟下降-快速下降-稳定三阶段特征，低渗透率煤体更易失稳破坏，弹性势能与游离瓦斯膨胀能同数量级，而解吸瓦斯膨胀能高1-2个数量级。该研究为突出灾害防控提供了理论依据。

　　

随着浅部煤炭资源枯竭，我国煤矿开采深度以每年10-25米的速度向深部延伸。深部开采面临高地应力、高温、高渗透压和强烈采动扰动的"四高"挑战，导致煤与瓦斯突出灾害风险剧增。突出发生时，高压瓦斯携带破碎煤体瞬间涌入巷道，对矿井安全构成严重威胁。然而，现有研究对突出过程中能量失稳释放机制的认识仍存在不足，特别是缺乏实验与数值模拟的相互验证，以及渗透率影响机制的深入探讨。

中国矿业大学的研究团队通过自主设计的物理模拟实验系统，结合COMSOL多物理场耦合数值模拟，开展了渗透率为3.21、7.62、11.44和16.39 mD四组煤样的对比研究。研究发现突出过程中瓦斯压力变化呈现三阶段特征：延迟下降期、快速下降期和稳定期。低渗透率(3.21 mD)煤体的峰值渗流力更高、持续时间更长，水平拉应力随渗透率增加而减小。研究建立了考虑渗流力、瓦斯压力、水平应力和煤体摩擦力的破坏判据，证实低渗透率煤体更易满足破坏条件。

能量分析表明，弹性势能和游离瓦斯膨胀能处于同一数量级，而解吸瓦斯膨胀能高出1-2个数量级，是突出的主要能量来源。能量耗散中，煤体破碎功占比随渗透率增加而增大。数值模拟获得的能量源与实验计算的能量耗散高度吻合，验证了模型的准确性。研究还从微观结构、宏观力学和能量演化多角度阐释了突出能量失稳释放机制。

该研究创新性地建立了渗透率与突出能量的定量关系，揭示了低渗透率煤体更易发生突出的力学本质，为深部煤矿突出灾害预警和防控提供了重要理论支撑。研究成果发表在能源领域顶级期刊《Fuel》上，对保障我国深部煤炭资源安全高效开采具有重要指导意义。

主要技术方法包括：1) 自主研发的物理模拟实验系统，可精确控制渗透率和瓦斯压力；2) COMSOL多物理场耦合数值模拟，建立双孔隙介质流固耦合模型；3) FLAC3D用于分析不同构造煤厚度的应力位移特征；4) 基于球形壳失稳理论的煤体破坏判据。

研究结果部分：

1. 突出过程中的力学状态演化
   通过对比四组渗透率煤样的实验和模拟数据，发现瓦斯压力变化具有高度一致性。渗流力在暴露面处最大，低渗透率煤体维持更长时间的高水平应力状态。

2. 能量来源与耗散机制
   数值模拟计算了弹性势能、游离瓦斯膨胀能和解吸瓦斯膨胀能三种能量源。实验测定了煤体破碎和运输的能量耗散，发现动能大于破碎能，且破碎功占比随渗透率增加。

3. 能量释放的失稳机制
   从微观尺度分析了煤体破裂过程中的能量转化，宏观尺度建立了能量平衡方程，揭示了渗透率影响能量释放的关键控制因素。

结论与讨论：
本研究通过多尺度方法系统阐明了煤与瓦斯突出能量失稳释放机制，特别是渗透率的关键作用。低渗透率煤体由于能维持更高的渗流力和更持久的应力状态，更容易达到破坏条件。解吸瓦斯膨胀能是突出的主要驱动力，其量级显著高于其他能量形式。研究成果不仅完善了突出机理理论体系，还为深部煤矿突出危险性评估提供了量化指标，对指导现场防突措施具有重要实践价值。未来研究可进一步考虑温度场和多组分瓦斯的影响，以更全面反映深部开采条件下的突出特征。