煤炭在未来很长一段时期内仍将是我国的主体能源,同时也是我国能源安全的保障。随着浅部资源不断减少,煤炭开采深度及强度逐步增加,地应力、瓦斯压力和瓦斯含量也不断增高,煤与瓦斯突出等动力灾害日趋严峻及复杂,监测预警难度增大,严重威胁着煤矿安全高效生产。对煤与瓦斯突出前兆特征及精准监测方法的研究是亟需解决的科学难题。前期研究表明,电位信号具有对煤岩体应力及破裂过程敏感性强、抗干扰能力好的优势。本文针对采掘现场煤与瓦斯突出监测预警的应用需求,紧密围绕含瓦斯煤损伤破坏电位响应时空演化规律的关键科学问题,采用实验研究、理论分析、现场应用等方法,对含瓦斯煤受载破坏过程电位时空响应规律、电位响应机制、损伤演化电位本构模型、掘进工作面电位分布演化规律及突出危险电位精细判识方法等进行研究。主要结果如下:建立了含瓦斯煤受载及电位测试实验系统,研究了应力与瓦斯耦合作用下煤体损伤破坏电位时序响应特征与空间分布规律。结果表明:(1)电位信号与试样载荷及损伤状态呈正相关;试样局部剧烈损伤时,电位强度发生“阶跃式”突变,并在试样失稳破坏时最为显著。随着瓦斯压力的增加,电位强度峰值及变异性系数呈增大趋势,电位响应增强。(2)电位数据时间序列具有多重分形特征与临界慢化特征,多重分形参量Δ?、Δf_m及方差V可作为监测含瓦斯煤失稳破坏的时序前兆信息。试样发生主破裂前,多重分形谱参量Δ?突增至峰值,同时Δf_m显著变化降至负值,方差V突增至峰值。(3)电位空间分布云图在煤体损伤剧烈区域出现局部高值中心与等值线密集特征,与声发射矩张量反演结果(破裂类型、空间分布与运动矢量)、裂纹扩展实物图等验证结果相对应,高值中心的连线为诱发煤体断裂的裂隙带贯通区域。电位空间分布的异常演化规律反映了煤体损伤局部化特征,能够监测识别含瓦斯煤发生动力破坏的危险区域。研究揭示了含瓦斯煤损伤破坏电位响应机制,建立了损伤演化电位本构模型。结果表明:(1)电荷分离是电位响应的物质基础,主要来源于受载煤体裂隙尖端应力集中效应、裂纹扩展、摩擦作用等过程;原生带电缺陷及新生电荷在煤岩介质非均匀变形中的运移诱发电荷分布发生改变;吸附态瓦斯能够蚀损煤基质,游离态瓦斯改变裂隙面应力分布,促进煤体变形破裂,增强了电位响应。(2)静电荷电场能够诱发煤介质形成极化电场,两者的共同作用在含瓦斯煤介质表面产生电位信号;理论分析了等效静电荷电场、煤介质极化效应及电荷扩散过程的电位响应特征;利用分离变量法构建了电位计算的数学模型。(3)基于双重孔隙模型研究了裂隙分布与扩展对煤体损伤特性的影响,修正含瓦斯煤有效应力方程;构建了损伤演化电位本构模型,得到含瓦斯煤有效应力与损伤的电位表征方法。结果表明,该模型计算结果与实测结果在数值及变化趋势上具有较好的一致性,能够反映含瓦斯煤受载状态与损伤程度。开发了矿用多通道电位监测仪器,现场测试分析了掘进工作面煤体电位分布与演化规律,提出了煤与瓦斯突出危险电位精细判识方法。结果表明:(1)随着掘进工作面的推进,工作面前方煤体电位信号呈先增大后降低变化,与采动应力的分布变化相一致;工作面后方煤体电位信号在巷道发生煤炮、瓦斯浓度突增等现象时处于高值且波动剧烈,电位信号的时序变化整体上与对应区域煤体采动应力、煤体变形破裂产生的电磁辐射信号的变化具有良好的对应性,能够反映煤体受载破坏状态的变化。(2)利用掘进工作面多点电位测试结果进行电位反演成像,研究电位分布与煤体损伤异常区域的关系。结果表明,工作面后方煤体单边反演云图中高值区域与电磁辐射指标高值及巷帮断层、底鼓现象等分布区间基本重合,能够反映煤体局部损伤剧烈区域;工作面前方煤体双边反演云图中高值区域与钻屑量、瓦斯涌出初速度指标的超限位置及喷孔、顶钻现象的发生位置在空间分布上具有较好的一致性。(3)基于模糊数学理论确定了电位反演临界值,利用双边反演结果判识掘进工作面前方煤体突出危险区域,并结合常规监测指标进行验证。统计表明,电位判识结果准确率高且针对性强,无漏报事例,能够精细判识煤与瓦斯突出危险区域。本文研究揭示了应力与瓦斯耦合作用下煤体损伤破坏电位响应的时空演化规律,提出了煤与瓦斯突出危险电位精细判识方法,对于深入认识煤岩瓦斯动力灾害的孕育发展过程,保障煤矿安全生产具有重要的工程应用意义。该论文有图100幅,表7个,参考文献199篇。