本文运用理论分析、数值模拟、现场试验相结合的研究方法,对深部开采煤层瓦斯压力场特征与应用进行了系统深入的研究。开展了不同应力状态下瓦斯压力及流动特性与应力的相关性研究;在瓦斯压力实测数据的基础上,基于地球物理反演理论,建立了瓦斯压力场二元高阶多项式反演数学模型,对煤层瓦斯压力场进行了反演研究,获得了瓦斯压力场的三维分布特征及其控制方程;揭示了煤层瓦斯压力的采动应力响应规律;基于煤岩体所处的应力状态、瓦斯压力、物理力学性质等主要影响因素,分析了动力灾害发生的危险性和动力灾害的类型;依据煤层瓦斯压力赋存条件和工作面的开采顺序,建立了煤层瓦斯压力赋存特征的数值计算模型,通过数值模拟再现了各工作面依次开采过程中煤层瓦斯压力的分布特征及瓦斯压力场的宏观演化;针对石门揭煤容易诱发动力灾害的难题,以轨道上山下部车场石门揭煤为背景,提出了石门揭煤水力冲孔减压动力灾害防控技术,并在现场进行了试验,取得了明显的消突效果。论文的主要研究内容与取得的结论如下:1.分析了煤层瓦斯压力及流动特性的应力相关性基于等效驱替原理,建立方向性渗透率计算模型;采用理论分析和数值模拟研究不同应力状态下流动特性及瓦斯压力分布的应力相关性。主要结论如下:(1)基于等效驱替原理建立了方向渗透率的定量计算模型,可反映空间内任意方向所对应的渗透率矢量。(2)煤层内存在优势流动效应,优先沿着裂隙的走向方向流动。当裂隙所受的应力朝着有利于裂隙张开的方向变化时,优势效应逐渐增强,应力对裂隙的流动和瓦斯压力分布的影响大于孔隙,应力控制着煤层的流动场和瓦斯压力的总体分布形态。(3)同一应力状态相同时刻,煤层内瓦斯压力的大小依次为:贯通的裂隙>部分连通的裂隙>孔隙介质;应力对贯通裂隙的流动场和瓦斯压力分布影响最大,部分连通的裂隙次之,孔隙介质最小,即其影响程度依次为:贯通的裂隙>部分连通的裂隙>孔隙介质。(4)同一应力状态下,裂隙内渗流速度明显大于部分连通的裂隙和孔隙内的渗流速度,存在速度优势效应,应力控制着煤层渗流速度场的分布特征。2.基于地球物理反演理论,建立了瓦斯压力场反演数学模型,获得了煤层瓦斯压力曲面的控制方程和空间分布形态。在瓦斯压力实测数据的基础上,基于地球物理反演原理,采用阻尼最小二乘法对煤层瓦斯压力场进行反演与预测研究;依据地应力测量成果,采用多元线性回归反演方法,对井田初始地应力场分布规律进行模拟研究;在煤层瓦斯压力场与地应力场模拟成果的基础上,分析地应力场对瓦斯压力场分布特征的影响规律。主要结论如下:(1)针对煤层瓦斯压力场反演问题的不适定性,基于地球物理反演理论,建立了煤层瓦斯压力场二元高阶多项式反演数学模型,形成了一种基于阻尼最小二乘法的二元高阶多项式瓦斯压力场反演方法。(2)根据瓦斯压力实测数据,基于阻尼最小二乘法的二元高阶多项式反演方法对煤层静态瓦斯压力场律进行了反演研究,获得了瓦斯压力场的整体分布特征,得到了煤层瓦斯压力场三维分布特征的控制方程,可对盘区内其他地点煤层瓦斯压力进行有效预测。(3)煤层所处的应力状态对瓦斯压力梯度具有明显影响,在煤层内形成了具有一定方向性的瓦斯压力梯度,揭示了煤层最大瓦斯压力梯度与最大水平主应力近似垂直的规律。3.揭示了煤层瓦斯压力的采动应力响应规律以煤层开采技术条件和瓦斯赋存条件为背景,采用数值模拟的方法研究采动应力场的分布和演化规律、瓦斯压力的响应特征;基于煤岩体所处的应力状态、瓦斯压力、煤体的物理力学性质等主要影响因素,分析各因素所起作用的大小及其对应的容易诱发的动力灾害类型。主要结论如下:(1)在煤层开采过程中,应力和瓦斯压力均出现了局部升高和降低的现象,均经历了先增大后减小并随煤层的开采不断向前规律性移动的动态演化过程。在应力状态演化的过程中,瓦斯压力随之变化,应力状态的变化控制着瓦斯压力的演化,瓦斯压力受控于应力的演化。(2)采掘扰动影响下,瓦斯在煤岩体内产生的相互交叉的裂隙网络中的流动服从流动阻力最小、瓦斯压力梯度最大的优势流动路径原则,朝着流动阻力最小、瓦斯压力梯度最大的方向流动。在煤岩体应力状态发生转变的过程中,瓦斯压力和瓦斯流动场随之动态演化,应力状态的变化控制着瓦斯压力和瓦斯流动场的演化,瓦斯压力和瓦斯流动场受控于应力的演化,揭示了瓦斯压力的采动应力响应规律。(3)煤与瓦斯突出动力灾害的发生受多种因素的制约,基于煤岩体所处的应力状态、瓦斯压力、煤体的物理力学性质等主要影响因素,分析了煤与瓦斯突出动力灾害发生的危险性。根据各因素所起的作用的大小,可分为应力主导型的动力灾害、应力-瓦斯共同作用主导型的动力灾害。4.揭示了煤层瓦斯压力场的宏观演化规律以11-2煤层不同工作面的开采条件和瓦斯压力赋存特征为背景,采用数值模拟的方法研究各工作面依次开采过程中煤层瓦斯压力的整体分布形态和瓦斯压力场的宏观演化。主要结论如下:(1)在煤层开采过程中,煤层瓦斯赋存状态被打破,产生了以采空区为中心的宏观方向性流动,煤层瓦斯得到了多重释放,瓦斯压力经历了多重不同程度的降低。(2)煤层开采后,形成了以采空区为中心、具有不同卸压宽度的瓦斯压力卸压带。开采相邻工作面形成的瓦斯压力卸压带相互叠加,增大了瓦斯压力卸压范围,形成了较大范围的低瓦斯压力区域,在一定程度上增强了瓦斯压力卸压效果。5.提出了石门揭煤水力冲孔减压动力灾害防控技术,进行了工业性试验,取得了明显的消突效果。针对石门揭煤容易诱发煤与瓦斯突出动力灾害的问题,以谢桥矿二水平东一B组采区轨道上山下部车场石门揭煤为研究对象,提出了石门揭煤水力冲孔减压动力灾害防控技术,并在现场进行了试验,达到了明显的消突效果。主要结论如下:(1)构建了瓦斯流动优势性与动力灾害危险性矩阵,综合分析了瓦斯流动的优势性和动力灾害发生的危险性。(2)水力冲孔减压动力灾害防控试验使煤体经历了多次压裂—破碎—压出的过程,破坏了煤体的整体性,弱化了煤岩体的整体力学性能,降低了原始应力,改善了煤岩体的受力状态,煤层应力场经历了多次演化,最终处于低应力的稳定状态。(3)水力冲孔减压动力灾害防控试验降低了煤层内瓦斯压力、瓦斯含量,改善了瓦斯的赋存状态和瓦斯压力场的分布形态,煤层瓦斯压力场经历了多次演化,煤层瓦斯最终处于低瓦斯含量和低瓦斯压力的稳定状态,达到了明显的消突效果。(4)实现了由抽采瓦斯减小瓦斯压力到通过水力冲孔减压试验降低煤层应力减小瓦斯压力的转变,节省了石门揭煤过程抽采瓦斯的时间和费用,提高了石门揭煤的效率。