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深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论项目
发布时间:2017-01-13  来源:未知  作者:admin

  一、立项依据

  (一)国家重大需求

  煤炭是我国的主体能源,在我国一次能源生产和消费结构中的比重分别占76%和69%,国家《能源中长期发展规划纲要(2004~2020 年)》中明确提出“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”目标,2005年国务院发布的《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中也进一步强调了煤炭工业在国民经济中的重要战略地位。在当前及今后相当长的时期内煤炭仍将作为我国的主导能源。但是,我国92%的煤炭生产是井工开采,井下开采平均深度近500m

  ,目前每年还以20m 的速度向下延伸,井下煤层赋存及开采条件复杂,煤层瓦斯含量普遍较高,其中50%以上的煤层为高瓦斯煤层,高突矿井占全国矿井总数的44%。同时,煤矿瓦斯事故的致死率长期居高不下,2000-2009 年间,一次死亡10 人以上的特大事故中,瓦斯事故死亡人数占事故总人数的79.9%。

  随着煤矿开采深度的增加,大量浅部低瓦斯矿井逐渐转变为高瓦斯矿井,高瓦斯矿井数量逐年增加。另一方面,瓦斯作为煤层伴生产物又是一种十分有用的不可再生能源,且我国瓦斯(煤层气)总量巨大,与天然气总量相当,在国际油价居高不下、减排压力空前增加的大环境下,瓦斯(煤层气)资源将扮演越来越重要的角色,在我国能源结构中的比例也将持续增加。实施煤与瓦斯共采,不仅能保障我国经济持续发展对能源的依赖,还将进一步提升我国煤矿安全高效生产水平,尤其对减少温室气体排放具有重要意义。

  1. 深部煤与瓦斯共采是国家能源持续发展的重要保障

  1.1 煤与瓦斯共采是安全高效洁净开发煤炭资源的重大需求

  煤与瓦斯共采实际上是在煤炭开采的准备、采中和采后等阶段,依据科学安排,采取合理、有效的技术手段,通过实施相关工程,实现煤炭与瓦斯的共同开采,并加以综合利用,即瓦斯的抽采贯穿煤炭开采的全过程。与传统的、单一的煤炭开采不同,对煤与瓦斯共采的认识,是基于对瓦斯认识的革命性转变,即从单一的灾害源向清洁且不可再生能源的转变。瓦斯抽采不仅是缓解和消除瓦斯灾害的需要,更是资源利用和环境保护、可持续发展的迫切要求。长期以来,瓦斯始终是影响煤矿安全生产的主要因素之一,我国煤矿事故导致死亡人员中,瓦斯事故所占比重较大,重特大事故尤其突出。根据对2000-2009年的煤矿事故分析,瓦斯事故死亡人数占煤矿事故死亡总量的36.4%,一次死亡3-9 人(重大事故)的占63.1%,一次死亡10 人(特大事故)以上的占79.9%。新中国成立以来,全国共发生24 起一次死亡百人以上的煤矿特别重大事故,其中22 起是瓦斯事故或有瓦斯参与的事故。近八年来由于瓦斯造成百人以上伤亡事故就有7 起。其次,瓦斯是一种对环境有害的气体,瓦斯对臭氧层的破坏是CO2 的7 倍,产生的温室效应是CO2 的21 倍。2009 年我国产煤达到30.5 亿t,释放的瓦斯超过150 亿m3,其中大部分排入大气,既浪费了大量宝贵的能源资源,也污染了大气环境。更加重要的是,瓦斯是一种与煤伴生的、不可再生的资源(从泥炭形成褐煤,每吨煤析出瓦斯68m3;如果继续形成肥煤,析出的瓦斯可增至130m3;继续形成无烟煤,析出的瓦斯最高可增至约240-400m3),是一种清洁、高效的能源,其利用不会产生氮氧化合物和硫化物等有害物质。瓦斯的发热量可达33.5-36.8MJ/m3,1m3 瓦斯相当于1.3kg 标准煤的发热量。因此,从安全生产、大气环境保护和不可再生资源的充分有效利用角度出发,实施煤炭与瓦斯两种能源的共同开采,不仅可有效保障我国能源安全,同时也是安全高效洁净开发煤炭资源的重大需求。

  1.2 煤与瓦斯资源在我国能源结构中的重要地位我国常规能源构成中,煤炭资源总量5.57 万亿吨,石油总资源量940 亿吨,瓦斯(煤层气)资源量30-35 万亿m3,属于人均资源贫乏的国家,有效开采和利用常规资源在我国国民经济发展中的重要地位日益凸显。我国50%以上的煤层为高瓦斯煤层,瓦斯储量相对丰富。据初步勘探,我国地下2000m

  以内的瓦斯资源量为30~35 万亿m3,接近全国陆上38 万亿m3 的常规天然气资源量,大约相当于450 亿吨标准煤,是继俄罗斯、加拿大之后的第三大瓦斯储量国,勘探开发潜力巨大。2009年中国天然气消费量为874.5 亿m3,产量830 亿m3。2008 年瓦斯抽采量只有58 亿m3,利用量大约18 亿m3,尚不及抽采量的1/3;2009 年我国煤炭产量达到30.5 亿吨,根据对国有重点煤矿的统计,吨煤瓦斯含量平均为8m3 左右,推算全国年释放瓦斯约240 亿m3,考虑到我国煤矿的平均回采率不到30%,由于煤矿开采导致的瓦斯储量损失可能超过800 亿m3,与天然气的产量相当。从瓦斯、天然气的储量、开采量(利用量)的对比可以看出,瓦斯抽采还有很大的提升空间。根据《“十五”能源发展规划》和国家能源局的要求,2010 年,瓦斯(煤层气)抽采量计划达到100 亿m3,利用80 亿m3,并形成完善的煤层气产业体系。2015 年,瓦斯(煤层气)抽采量计划达到200 亿m3。目前,晋城、淮南、淮北、阳泉、水城、松藻、宁煤等重点煤矿企业年瓦斯抽采量均超过1 亿m3。实施煤与瓦斯共采理论与技术研究,一方面可为煤炭开采提供安全保障,另一方面,将瓦斯作为与天然气同等重要的资源,还可有效地提高瓦斯的开发利用水平,对优化我国能源结构、有效保障能源安全、缓解能源紧张和改善矿区环境均具有重要意义。

  2. 煤与瓦斯共采的历史、现状和存在问题

  2.1 煤与瓦斯抽采发展概况

  1733 年英国的一座煤矿开始尝试回收煤矿瓦斯。在十九世纪后期,英国威尔士煤矿用井下穿层钻孔从未开采的煤层中抽采瓦斯。目前,美国是世界上开采瓦斯最成功的国家,其开发利用无论在技术水平还是在产业化方面均居世界前列。20 世纪六、七十年代,美国矿业局在瓦斯吸附、解吸、迁移及脱气作业方面做了大量的研究工作,80 年代初,对全美18 个含煤盆地进行了瓦斯资源评价工作,从80 年代中期起,在圣胡安、黑勇士、阿帕拉契亚、拉顿等4 个中煤阶盆地和尤因塔、粉河2 个低煤阶盆地勘探取得突破。到2002 年底,全美瓦斯生产井达14200多口,年抽采瓦斯量达到410 亿m3,2005 年达500 亿m3,比我国常规天然气产量还高。主要原因得益于煤层透气性好,煤层赋存结构简单,煤层中的瓦斯易于流动和抽采。我国的瓦斯抽采最早始于 1938 年,但系统的抽采利用起步更晚。20 世纪50年代初期,在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔预采煤层瓦斯,获得了成功,解决了抚顺矿区生产过程中的瓦斯安全问题,而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料进行利用。20 世纪50 年代中期,在煤层群的开采中,采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功,解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。此后,在阳泉又试验成功利用顶板高抽巷技术抽采上邻近层瓦斯,抽采率达60~70%。到了20 世纪60 年代以后,邻近层卸压瓦斯抽采技术在我国得到了广泛的推广应用。20 世纪70 年代至90 年代初,针对平顶山等矿区存在的单一低透高瓦斯煤层及有突出危险的煤层,采用通常的布孔方式预抽采瓦斯,而后陆续试验了强化抽采开采煤层瓦斯的方法,如煤层注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径(扩孔)钻孔、网格式密集布孔、预裂控制爆破、交叉布孔等,但效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁。同时,我国先后在抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等矿区施工地面钻孔40 余个,并且进行了水力压裂试验和研究,但是,均未取得预期效果。从20 世纪90年代后期至今,全面开展瓦斯(煤层气)勘探、地面抽采试验和井下规模抽采利用,这一阶段开始引进国外瓦斯开发技术,开展了瓦斯的勘探、抽采工程,但是,效果不理想,未能有效解决煤矿生产中的瓦斯安全问题,导致煤矿瓦斯事故时有发生。

  2.2 我国煤与瓦斯抽采的主要模式

  通过近 60 年的瓦斯抽采实践,我国煤炭企业陆续总结出一系列瓦斯抽采模式和技术,可概括为三种模式多种技术(表1)。

  2.3 我国煤与瓦斯共采面临的共性问题

  虽然近年来我国煤与瓦斯共采的工程实践取得了快速发展,在全国范围内已形成规模,技术也在全面推广。但是,由于我国煤层富集条件的复杂性,地下采掘诱发的采动应力场、煤岩体裂隙场及瓦斯流动场的互动性,相关技术进步主要依赖经验,尚未形成科学性、有效性、针对性的煤与瓦斯共采基础理论体系,面临的共性关键问题主要有:

  (1)深部采动含瓦斯煤岩体破裂机制、性质、特征及破裂程度之间的关系不清;

  (2)高强度大断面集中开采和工作面推进度与瓦斯抽放量、瓦斯排放量的动态关系关联机理不清;

  (3)瓦斯在破断煤岩体中的富集与运移规律不清;

  (4)煤与瓦斯共采时空协同机制及单一高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采理论与方法没有取得实质性进展,仍属世界难题。

  上述关键问题的本质是理论研究欠缺、机理分析不深入,缺乏适合我国煤与瓦斯共采的理论研究,导致我国实施的煤与瓦斯共采基本上缺乏科学性、针对性和有效性,即:

  (a)煤与瓦斯共采技术缺乏科学性

  煤与瓦斯共采实际上是通过采动卸压或人工措施产生破断煤岩体、使其中的瓦斯得以充分释放,并在一定范围富集,利用机械方式抽取富集区的瓦斯,然后开采煤炭,实现煤与瓦斯共采。但是,由于我国煤层赋存条件普遍复杂多变,原始煤层透气性低,对含瓦斯煤岩体破裂机制、特征不清楚,对采动导致的破断煤岩体中裂隙的密度、连通度等规律没有进行充分研究,对破断煤岩体中瓦斯解吸的机理、卸压瓦斯动态平衡的机制不清,因此煤与瓦斯共采技术的应用仍处在经验的层面,缺乏科学性、系统性的理论指导。

  (b)煤与瓦斯共采技术的针对性不强、有效性不够、稳定性不足由于对破断煤岩体中瓦斯的流动规律缺乏深入研究,对高瓦斯矿井不同区域、不同破坏程度的破断煤岩体中瓦斯的富集程度不了解,导致抽采钻孔的布置缺乏足够的科学性、合理性和针对性,抽采瓦斯的有效时间短、浓度低、流量小,达不到安全生产和高效率、大流量、稳定采气的要求。

  (c)煤与瓦斯共采技术的协调性、时效性不佳由于对采动影响范围内破断煤岩体的形成机制、发育程度缺乏系统的研究,相应范围破断煤岩体瓦斯卸压解吸、流动、富集的规律认识不足,瓦斯的抽采工程与煤炭的开采工程难以实现同步性、协调性,导致瓦斯抽采滞后于煤炭开采,既降低了煤炭开采的安全性,制约了煤炭开采的高产高效,又阻碍了瓦斯的充分高效抽采。因此,系统进行煤与瓦斯共采的理论研究、机理探索、实验室模拟,使我国煤与瓦斯共采具备科学性、有效性、针对性,进一步建立深部煤与瓦斯高效共采的理论和技术体系,具有十分重要的意义。

  2.4 我国煤与瓦斯共采面临的新挑战

  上述共性问题制约着我国煤与瓦斯共采的进一步健康发展,随着开采深度的加大和开采集约化程度的提高,导致开采条件更趋复杂,原有安全技术及理论基础已难以适应当前煤矿安全高效生产的迫切需求,以及国家能源安全的政策要求,给煤与瓦斯共采带来了新的挑战:

  (a)国外瓦斯抽采方法与技术在我国应用成效差、效率低我国高阶煤和低阶煤所含瓦斯在资源总量中占 2/3 以上,瓦斯(煤层气)赋存特征:微孔隙、低渗透率、高吸附。煤层渗透率平均只有1.1974×10-18~1.1596×10-14m2

  。其中渗透率小于0.1987×10-16m2

  的占35%,0.1987×10-16~0.1987×10-15m2

  占37%,大于0.1987×10-15m2 的仅占28%。而美国煤层气地面开发选区通常要求煤层的渗透率不低于0.1987×10-15m2,而我国煤层渗透率通常都小于0.1987×10-15m2。国外地面瓦斯抽采技术适合于中阶煤层高渗透、弱吸附的特征,不能适应我国高阶煤和低阶煤低渗透、强吸附的特点,国外先进技术在我国应用的实践表明:抽采影响半径只有美国的1/3~1/2,平均单井采气量只有美国的1/5~1/3。

  (b)深部开采所面临的瓦斯赋存条件更加复杂

  我国中东部浅部煤炭资源已逐渐枯竭,目前很多矿井的开采深度已超过800m

  。随着矿井开采深部的延深,瓦斯含量、瓦斯压力、绝对瓦斯涌出量逐年增加,透气性低,煤与瓦斯突出危险性越来越大,相当数量的低瓦斯矿井将转变为高瓦斯矿井,开采条件越来越复杂,给安全生产带来严重的威胁,矿井瓦斯成为制约安全生产的关键问题,如平顶山矿区,20世纪90 年代初仅有2 对高瓦斯矿井,目前煤与瓦斯突出矿井11 对,随着矿区向深部延伸,煤层瓦斯压力、含量不断增大,预计2012 年高突矿井数量将达到15 对。

  (c)高强度集约开采导致的瓦斯涌出量激增

  随着先进开采技术装备的应用,矿井单产能力大幅度提高,矿井瓦斯涌出量显著增加,低瓦斯矿井转化为高瓦斯矿井。一方面给煤矿的安全生产带来负面影响,如:我国近年瓦斯事故中近40%发生在传统的低瓦斯矿井,个别矿井回采工作面瓦斯涌出量超过100m3/min

  ,给工作面的安全管理和瓦斯处理提出了更高的要求;另一方面,低浓度瓦斯利用技术的进步和对能源需求的日益增长及环保意识的提高,也为瓦斯的抽采创造了良好的条件。

  (d)适应新的安全高效洁净开采的政策必须突破现有理论与技术

  近年来党中央、国务院多次作出关于加强煤矿安全生产和煤矿瓦斯治理利用的重要决定和指示,大力推进煤矿瓦斯抽采利用。国家发改委、国家能源局要求煤层瓦斯预抽率应大于30%,使开采煤层的瓦斯含量降低到8m3

  /t 以下。为适应新的煤炭安全高效洁净开采的政策,必须突破现有理论与技术,建立适合我国的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法。

  3. 深部煤与瓦斯共采是国家中长期科技发展规划优先研究主题

  2005 年以来,党中央、国务院多次作出关于加强煤矿安全生产和煤矿瓦斯治理利用的重要决定和指示,成立了由七部委联合的瓦斯治理专门工作机构,安排专项资金,制定了防治结合、标本兼治的重要决策和一系列政策措施,大力推进煤矿瓦斯抽采利用。国务院第81、116 次常务会上确定了煤矿安全生产和煤矿瓦斯治理的7 项措施和12 条治本之策。《国民经济和经济发展第十一个五年规划纲要》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要》要求加大煤矿瓦斯治理利用科技攻关,两个纲要都将矿井瓦斯治理和利用作为重要内容。“十一五”期间,国家科技计划重点支持了一批煤矿安全特别是煤矿瓦斯治理利用的重大、重点项目,已经发挥了重要支撑作用,并力争到2010 年建成100 个瓦斯治理示范矿井和100 个瓦斯治理示范县。科技部正启动“十二五”各项科技规划的研究制定工作,煤矿瓦斯治理利用的科技创新工作将作为重点内容纳入到国家主体科技计划中,并拟制定煤矿瓦斯治理和利用的科技专项规划,争取到“十二五”末期实现煤矿瓦斯治理和利用关键技术的重点突破,为构建本质安全型、环境友好型、资源节约型矿井提供科技支撑。煤与瓦斯共采对于保障国家能源安全具有重要的战略意义。2008年我国瓦斯抽采总量约58 亿m3,国家能源局要求2010 年的瓦斯(煤层气)抽采量要达到100亿m3,按瓦斯与石油1,000 m3/t 换算,相当于1000 万吨原油。因此,只有实施煤与瓦斯共采,才能够有力保障国家能源局瓦斯抽采目标以及国家能源安全的实现;同时实施煤与瓦斯共采,相当于增加了国内石油供给、减少了石油对外依赖程度,客观上有助于优化我国能源结构,有效保障能源安全。煤与瓦斯共采是煤矿安全高效洁净生产的重要保障。瓦斯是煤矿最大的安全隐患。新中国成立以来,全国共发生24 起一次死亡百人以上的煤矿特别重大事故,其中22 起有瓦斯参与,占91.7%,瓦斯灾害事故也极大限制了煤矿生产规模、生产效率和经济效益。高瓦斯煤层瓦斯抽采是安全生产的需要、是煤炭生产安全高效的需要、是开采两个资源(煤和瓦斯)的需要、也是保护环境的需要;同时,有效控制瓦斯事故是解决我国煤矿安全问题的重中之重,也是保证煤炭工业可持续发展的一个关键性问题。煤与瓦斯共采是减少温室气体排放的重要手段。2009 年我国煤矿释放的瓦斯总量超过150 亿m3,约2/3 的瓦斯直接排入大气,既浪费了大量宝贵的能源资源,也污染了大气环境。由于瓦斯(煤层气)的温室效应是二氧化碳的21 倍,对臭氧层的破坏是CO2 的7 倍。按照目前世贸组织中减排权购买价格,目前在国际碳汇市场,每吨碳的减排量可以卖85 元人民币,每年150 亿m3 瓦斯(煤层气)的减排和利用,可获得170 亿人民币的收益。因此,瓦斯综合利用,既可以在瓦斯利用方面获得直接的经济收益,又可在节能减排方面再获得丰厚的回报。煤矿煤与瓦斯共采已成为我国煤炭工业能否健康发展的关键课题,我国政府在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确确定“矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术”为优先研究主题,“十一五”期间,按照“国家目标主导、整合多方资源,突破重点技术、加强集成应用,遵循科学发展、构建和谐社会”的指导思想,国家将重点突破一些关键技术,建立煤与瓦斯共采等技术示范工程,逐步实现煤矿安全保障从“被动应付型”向“主动保障型”的转变。实施深部煤与瓦斯共采,是贯彻落实科学发展观,推进煤矿安全发展、清洁发展、节约发展的必然要求。因此项目研究符合国家安全高效开采煤炭能源、保障国民经济可持续发展、“以人为本”、构建和谐社会的重大战略需求。

  (二)科学意义

  由于我国深部煤层普遍具有低渗透性、强吸附、高瓦斯(瓦斯压力高、瓦斯含量大)的特点,造成国外的理论与技术不适用于我国煤层赋存在条件,至今没有形成适合我国的煤与瓦斯共采理论与技术体系。具体而言,我国深部煤与瓦斯共采具有三大特征:

  (1)深部复杂环境:深部采掘导致地应力重分布,时空关系复杂多变,高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂;且大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤岩体经历多次变形、破坏过程,其介质属性十分复杂。

  (2)高强度集约开采:现代大型矿井大多采用装备功率大、重型化、高可靠性的先进采煤装备,集约开采的大空间快速推进的长壁开采对煤岩体形成强烈开采扰动,尤其是对于深部一矿一面集中开采的千万吨级矿井而言,强烈开采扰动更是浅部开采和其他岩土工程不能比拟的,导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点,瓦斯抽采技术也面临新的挑战。

  (3)高瓦斯、低渗透、强吸附:我国深部煤层普遍具有地质构造复杂、煤层松软和渗透率低、瓦斯含量高和瓦斯压力大、但吸附强和解吸速度慢,使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难,而且低渗透煤层瓦斯吸附、解吸、扩散、渗流运移过程表现出相互制约和非线性渗流等突出特点,国外先进理论和技术不能完全适应我国低渗透煤层瓦斯的抽采。“深部、高强、低渗”这三大特征构成了当今深部煤与瓦斯共采的主题,其中迫切需要突破的基础性关键问题包括:

  (1)开采活动导致的煤岩体破断机理和破断结构特征

  深部煤岩体的结构特征、高地应力环境和集约开采是深部煤炭工程灾害形成的基本条件。深部高温高压低渗透地质赋存环境以及深部强烈构造活动和复杂地质条件使得深部煤岩体的结构具有高度的隐蔽性和强烈的时空变异性等特征,以及当今煤炭大规模集约开采造成采场工作面大范围应力水平高、空间差异大等分布特征。开采将导致上覆岩层大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠加,其时空演化规律极其复杂。具有这些新特点的深部煤岩体结构在高应力强卸荷作用下如何演化以及如何控制岩体的力学行为?如何描述裂隙场的空间展布规律、揭示其迹长、开度等尺度关系、以实现对采动裂隙场更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。

  (2)多场耦合下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸、运移的基本规律

  深部含瓦斯煤岩体是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构。煤层中的孔隙及裂隙表面是吸附瓦斯存在的场所,其中吸附瓦斯占80%-90%,而游离状态瓦斯只有10%-20%。国内外大量的工程实践表明,直接抽采原始煤层中的瓦斯效率普遍较低,瓦斯的解吸及运移困难。但煤层在采动卸压后,被卸压煤层的透气性可增加千百倍,瓦斯可以得到充分解吸,可有效地提高抽采瓦斯效率。由此,通过有效抽采破断煤岩体中的瓦斯,可使高瓦斯煤层,甚至瓦斯突出危险煤层转化为低瓦斯煤层或无突出危险煤层,为实施高瓦斯煤层高产高效的开采创造良好的工作条件,实现煤与瓦斯两种能源安全高效共采。因此,深入研究__深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯的吸附机理、解吸机理以及运移规律显得极为重要,并由此建立深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯解吸及流动理论。

  (3)深部开采条件下煤岩体中瓦斯富集和导向流动机制

  深部高地应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动是煤与瓦斯共采工程中有效布置抽采钻孔系统的关键。随着埋深的增加、地质条件的复杂和开挖规模的增大,高地应力、强卸荷作用下深部采矿工程中,针对我国大多高瓦斯煤田具有低渗透性、低饱和度和强非均质性等特点,被卸压煤层工作面瓦斯绝对涌出量差异悬殊,瓦斯相对涌出量差异大,高瓦斯涌出量的地点分布广,瓦斯积聚时间延续长。具有这些新特征的深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程,如何深入研究深部高应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动的理论对于煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。以上关键基础问题的解决,将建立符合我国“深部、集约开采、低渗”三大特征的深部煤与瓦斯共采的理论体系,为我国深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程实践和煤炭资源安全高效开发提供科学理论支撑。同时将促进采矿工程、地质工程、岩石力学与工程、安全工程、地球物理以及环境工程等相关学科的交叉融合,推进深部煤炭资源开发技术的发展与变革,为深部煤炭安全生产和可持续发展提供理论与技术保障,进一步提升我国在能源与安全研究领域的国际地位。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  (二)科学意义

  由于我国深部煤层普遍具有低渗透性、强吸附、高瓦斯(瓦斯压力高、瓦斯含量大)的特点,造成国外的理论与技术不适用于我国煤层赋存在条件,至今没有形成适合我国的煤与瓦斯共采理论与技术体系。具体而言,我国深部煤与瓦斯共采具有三大特征:

  (1)深部复杂环境:深部采掘导致地应力重分布,时空关系复杂多变,高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂;且大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤岩体经历多次变形、破坏过程,其介质属性十分复杂。

  (2)高强度集约开采:现代大型矿井大多采用装备功率大、重型化、高可靠性的先进采煤装备,集约开采的大空间快速推进的长壁开采对煤岩体形成强烈开采扰动,尤其是对于深部一矿一面集中开采的千万吨级矿井而言,强烈开采扰动更是浅部开采和其他岩土工程不能比拟的,导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点,瓦斯抽采技术也面临新的挑战。

  (3)高瓦斯、低渗透、强吸附:我国深部煤层普遍具有地质构造复杂、煤层松软和渗透率低、瓦斯含量高和瓦斯压力大、但吸附强和解吸速度慢,使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难,而且低渗透煤层瓦斯吸附、解吸、扩散、渗流运移过程表现出相互制约和非线性渗流等突出特点,国外先进理论和技术不能完全适应我国低渗透煤层瓦斯的抽采。“深部、高强、低渗”这三大特征构成了当今深部煤与瓦斯共采的主题,其中迫切需要突破的基础性关键问题包括:

  (1)开采活动导致的煤岩体破断机理和破断结构特征

  深部煤岩体的结构特征、高地应力环境和集约开采是深部煤炭工程灾害形成的基本条件。深部高温高压低渗透地质赋存环境以及深部强烈构造活动和复杂地质条件使得深部煤岩体的结构具有高度的隐蔽性和强烈的时空变异性等特征,以及当今煤炭大规模集约开采造成采场工作面大范围应力水平高、空间差异大等分布特征。开采将导致上覆岩层大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠加,其时空演化规律极其复杂。具有这些新特点的深部煤岩体结构在高应力强卸荷作用下如何演化以及如何控制岩体的力学行为?如何描述裂隙场的空间展布规律、揭示其迹长、开度等尺度关系、以实现对采动裂隙场更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。

  (2)多场耦合下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸、运移的基本规律

  深部含瓦斯煤岩体是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构。煤层中的孔隙及裂隙表面是吸附瓦斯存在的场所,其中吸附瓦斯占80%-90%,而游离状态瓦斯只有10%-20%。国内外大量的工程实践表明,直接抽采原始煤层中的瓦斯效率普遍较低,瓦斯的解吸及运移困难。但煤层在采动卸压后,被卸压煤层的透气性可增加千百倍,瓦斯可以得到充分解吸,可有效地提高抽采瓦斯效率。由此,通过有效抽采破断煤岩体中的瓦斯,可使高瓦斯煤层,甚至瓦斯突出危险煤层转化为低瓦斯煤层或无突出危险煤层,为实施高瓦斯煤层高产高效的开采创造良好的工作条件,实现煤与瓦斯两种能源安全高效共采。因此,深入研究__深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯的吸附机理、解吸机理以及运移规律显得极为重要,并由此建立深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯解吸及流动理论。

  (3)深部开采条件下煤岩体中瓦斯富集和导向流动机制

  深部高地应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动是煤与瓦斯共采工程中有效布置抽采钻孔系统的关键。随着埋深的增加、地质条件的复杂和开挖规模的增大,高地应力、强卸荷作用下深部采矿工程中,针对我国大多高瓦斯煤田具有低渗透性、低饱和度和强非均质性等特点,被卸压煤层工作面瓦斯绝对涌出量差异悬殊,瓦斯相对涌出量差异大,高瓦斯涌出量的地点分布广,瓦斯积聚时间延续长。具有这些新特征的深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程,如何深入研究深部高应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动的理论对于煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。以上关键基础问题的解决,将建立符合我国“深部、集约开采、低渗”三大特征的深部煤与瓦斯共采的理论体系,为我国深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程实践和煤炭资源安全高效开发提供科学理论支撑。同时将促进采矿工程、地质工程、岩石力学与工程、安全工程、地球物理以及环境工程等相关学科的交叉融合,推进深部煤炭资源开发技术的发展与变革,为深部煤炭安全生产和可持续发展提供理论与技术保障,进一步提升我国在能源与安全研究领域的国际地位。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  (二)科学意义

  由于我国深部煤层普遍具有低渗透性、强吸附、高瓦斯(瓦斯压力高、瓦斯含量大)的特点,造成国外的理论与技术不适用于我国煤层赋存在条件,至今没有形成适合我国的煤与瓦斯共采理论与技术体系。具体而言,我国深部煤与瓦斯共采具有三大特征:

  (1)深部复杂环境:深部采掘导致地应力重分布,时空关系复杂多变,高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂;且大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤岩体经历多次变形、破坏过程,其介质属性十分复杂。

  (2)高强度集约开采:现代大型矿井大多采用装备功率大、重型化、高可靠性的先进采煤装备,集约开采的大空间快速推进的长壁开采对煤岩体形成强烈开采扰动,尤其是对于深部一矿一面集中开采的千万吨级矿井而言,强烈开采扰动更是浅部开采和其他岩土工程不能比拟的,导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点,瓦斯抽采技术也面临新的挑战。

  (3)高瓦斯、低渗透、强吸附:我国深部煤层普遍具有地质构造复杂、煤层松软和渗透率低、瓦斯含量高和瓦斯压力大、但吸附强和解吸速度慢,使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难,而且低渗透煤层瓦斯吸附、解吸、扩散、渗流运移过程表现出相互制约和非线性渗流等突出特点,国外先进理论和技术不能完全适应我国低渗透煤层瓦斯的抽采。“深部、高强、低渗”这三大特征构成了当今深部煤与瓦斯共采的主题,其中迫切需要突破的基础性关键问题包括:

  (1)开采活动导致的煤岩体破断机理和破断结构特征

  深部煤岩体的结构特征、高地应力环境和集约开采是深部煤炭工程灾害形成的基本条件。深部高温高压低渗透地质赋存环境以及深部强烈构造活动和复杂地质条件使得深部煤岩体的结构具有高度的隐蔽性和强烈的时空变异性等特征,以及当今煤炭大规模集约开采造成采场工作面大范围应力水平高、空间差异大等分布特征。开采将导致上覆岩层大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠加,其时空演化规律极其复杂。具有这些新特点的深部煤岩体结构在高应力强卸荷作用下如何演化以及如何控制岩体的力学行为?如何描述裂隙场的空间展布规律、揭示其迹长、开度等尺度关系、以实现对采动裂隙场更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。

  (2)多场耦合下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸、运移的基本规律

  深部含瓦斯煤岩体是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构。煤层中的孔隙及裂隙表面是吸附瓦斯存在的场所,其中吸附瓦斯占80%-90%,而游离状态瓦斯只有10%-20%。国内外大量的工程实践表明,直接抽采原始煤层中的瓦斯效率普遍较低,瓦斯的解吸及运移困难。但煤层在采动卸压后,被卸压煤层的透气性可增加千百倍,瓦斯可以得到充分解吸,可有效地提高抽采瓦斯效率。由此,通过有效抽采破断煤岩体中的瓦斯,可使高瓦斯煤层,甚至瓦斯突出危险煤层转化为低瓦斯煤层或无突出危险煤层,为实施高瓦斯煤层高产高效的开采创造良好的工作条件,实现煤与瓦斯两种能源安全高效共采。因此,深入研究__深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯的吸附机理、解吸机理以及运移规律显得极为重要,并由此建立深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯解吸及流动理论。

  (3)深部开采条件下煤岩体中瓦斯富集和导向流动机制

  深部高地应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动是煤与瓦斯共采工程中有效布置抽采钻孔系统的关键。随着埋深的增加、地质条件的复杂和开挖规模的增大,高地应力、强卸荷作用下深部采矿工程中,针对我国大多高瓦斯煤田具有低渗透性、低饱和度和强非均质性等特点,被卸压煤层工作面瓦斯绝对涌出量差异悬殊,瓦斯相对涌出量差异大,高瓦斯涌出量的地点分布广,瓦斯积聚时间延续长。具有这些新特征的深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程,如何深入研究深部高应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动的理论对于煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。以上关键基础问题的解决,将建立符合我国“深部、集约开采、低渗”三大特征的深部煤与瓦斯共采的理论体系,为我国深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程实践和煤炭资源安全高效开发提供科学理论支撑。同时将促进采矿工程、地质工程、岩石力学与工程、安全工程、地球物理以及环境工程等相关学科的交叉融合,推进深部煤炭资源开发技术的发展与变革,为深部煤炭安全生产和可持续发展提供理论与技术保障,进一步提升我国在能源与安全研究领域的国际地位。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  2. 煤与瓦斯共采的历史、现状和存在问题

  2.1 煤与瓦斯抽采发展概况

  1733 年英国的一座煤矿开始尝试回收煤矿瓦斯。在十九世纪后期,英国威尔士煤矿用井下穿层钻孔从未开采的煤层中抽采瓦斯。目前,美国是世界上开采瓦斯最成功的国家,其开发利用无论在技术水平还是在产业化方面均居世界前列。20 世纪六、七十年代,美国矿业局在瓦斯吸附、解吸、迁移及脱气作业方面做了大量的研究工作,80 年代初,对全美18 个含煤盆地进行了瓦斯资源评价工作,从80 年代中期起,在圣胡安、黑勇士、阿帕拉契亚、拉顿等4 个中煤阶盆地和尤因塔、粉河2 个低煤阶盆地勘探取得突破。到2002 年底,全美瓦斯生产井达14200多口,年抽采瓦斯量达到410 亿m3,2005 年达500 亿m3,比我国常规天然气产量还高。主要原因得益于煤层透气性好,煤层赋存结构简单,煤层中的瓦斯易于流动和抽采。我国的瓦斯抽采最早始于 1938 年,但系统的抽采利用起步更晚。20 世纪50年代初期,在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔预采煤层瓦斯,获得了成功,解决了抚顺矿区生产过程中的瓦斯安全问题,而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料进行利用。20 世纪50 年代中期,在煤层群的开采中,采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功,解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。此后,在阳泉又试验成功利用顶板高抽巷技术抽采上邻近层瓦斯,抽采率达60~70%。到了20 世纪60 年代以后,邻近层卸压瓦斯抽采技术在我国得到了广泛的推广应用。20 世纪70 年代至90 年代初,针对平顶山等矿区存在的单一低透高瓦斯煤层及有突出危险的煤层,采用通常的布孔方式预抽采瓦斯,而后陆续试验了强化抽采开采煤层瓦斯的方法,如煤层注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径(扩孔)钻孔、网格式密集布孔、预裂控制爆破、交叉布孔等,但效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁。同时,我国先后在抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等矿区施工地面钻孔40 余个,并且进行了水力压裂试验和研究,但是,均未取得预期效果。从20 世纪90年代后期至今,全面开展瓦斯(煤层气)勘探、地面抽采试验和井下规模抽采利用,这一阶段开始引进国外瓦斯开发技术,开展了瓦斯的勘探、抽采工程,但是,效果不理想,未能有效解决煤矿生产中的瓦斯安全问题,导致煤矿瓦斯事故时有发生。

  2.2 我国煤与瓦斯抽采的主要模式

  通过近 60 年的瓦斯抽采实践,我国煤炭企业陆续总结出一系列瓦斯抽采模式和技术,可概括为三种模式多种技术(表1)。

  2.3 我国煤与瓦斯共采面临的共性问题

  虽然近年来我国煤与瓦斯共采的工程实践取得了快速发展,在全国范围内已形成规模,技术也在全面推广。但是,由于我国煤层富集条件的复杂性,地下采掘诱发的采动应力场、煤岩体裂隙场及瓦斯流动场的互动性,相关技术进步主要依赖经验,尚未形成科学性、有效性、针对性的煤与瓦斯共采基础理论体系,面临的共性关键问题主要有:

  部采动含瓦斯煤岩体破裂机制、性质、特征及破裂程度之间的关系不清;

  部采动含瓦斯煤岩体破裂机制、性质、特征及破裂程度之间的关系不清;

  (2)高强度大断面集中开采和工作面推进度与瓦斯抽放量、瓦斯排放量的动态关系关联机理不清;

  (3)瓦斯在破断煤岩体中的富集与运移规律不清;

  (4)煤与瓦斯共采时空协同机制及单一高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采理论与方法没有取得实质性进展,仍属世界难题。

  上述关键问题的本质是理论研究欠缺、机理分析不深入,缺乏适合我国煤与瓦斯共采的理论研究,导致我国实施的煤与瓦斯共采基本上缺乏科学性、针对性和有效性,即:

  (a)煤与瓦斯共采技术缺乏科学性

  煤与瓦斯共采实际上是通过采动卸压或人工措施产生破断煤岩体、使其中的瓦斯得以充分释放,并在一定范围富集,利用机械方式抽取富集区的瓦斯,然后开采煤炭,实现煤与瓦斯共采。但是,由于我国煤层赋存条件普遍复杂多变,原始煤层透气性低,对含瓦斯煤岩体破裂机制、特征不清楚,对采动导致的破断煤岩体中裂隙的密度、连通度等规律没有进行充分研究,对破断煤岩体中瓦斯解吸的机理、卸压瓦斯动态平衡的机制不清,因此煤与瓦斯共采技术的应用仍处在经验的层面,缺乏科学性、系统性的理论指导。

  (b煤与瓦斯共采技术的针对性不强、有效性不够、稳定性不足由于对破断煤岩体中瓦斯的流动规律缺乏深入研究,对高瓦斯矿井不同区域、不同破坏程度的破断煤岩体中瓦斯的富集程度不了解,导致抽采钻孔的布置缺乏足够的科学性、合理性和针对性,抽采瓦斯的有效时间短、浓度低、流量小,达不到安全生产和高效率、大流量、稳定采气的要求。

  (c)煤与瓦斯共采技术的协调性、时效性不佳由于对采动影响范围内破断煤岩体的形成机制、发育程度缺乏系统的研究,相应范围破断煤岩体瓦斯卸压解吸、流动、富集的规律认识不足,瓦斯的抽采工程与煤炭的开采工程难以实现同步性、协调性,导致瓦斯抽采滞后于煤炭开采,既降低了煤炭开采的安全性,制约了煤炭开采的高产高效,又阻碍了瓦斯的充分高效抽采。因此,系统进行煤与瓦斯共采的理论研究、机理探索、实验室模拟,使我国煤与瓦斯共采具备科学性、有效性、针对性,进一步建立深部煤与瓦斯高效共采的理论和技术体系,具有十分重要的意义。

  2.4 我国煤与瓦斯共采面临的新挑战

  上述共性问题制约着我国煤与瓦斯共采的进一步健康发展,随着开采深度的加大和开采集约化程度的提高,导致开采条件更趋复杂,原有安全技术及理论基础已难以适应当前煤矿安全高效生产的迫切需求,以及国家能源安全的政策要求,给煤与瓦斯共采带来了新的挑战:

  (a)国外瓦斯抽采方法与技术在我国应用成效差、效率低我国高阶煤和低阶煤所含瓦斯在资源总量中占 2/3 以上,瓦斯(煤层气)赋存特征:微孔隙、低渗透率、高吸附。煤层渗透率平均只有1.1974×10-18~1.1596×10-14m2

  。其中渗透率小于0.1987×10-16m2

  的占35%,0.1987×10-16~0.1987×10-15m2 占37%,大于0.1987×10-15m2 的仅占28%。而美国煤层气地面开发选区通常要求煤层的渗透率不低于0.1987×10-15m2,而我国煤层渗透率通常都小于0.1987×10-15m2。国外地面瓦斯抽采技术适合于中阶煤层高渗透、弱吸附的特征,不能适应我国高阶煤和低阶煤低渗透、强吸附的特点,国外先进技术在我国应用的实践表明:抽采影响半径只有美国的1/3~1/2,平均单井采气量只有美国的1/5~1/3。

  (b)深部开采所面临的瓦斯赋存条件更加复杂

  我国中东部浅部煤炭资源已逐渐枯竭,目前很多矿井的开采深度已超过800m

  。随着矿井开采深部的延深,瓦斯含量、瓦斯压力、绝对瓦斯涌出量逐年增加,透气性低,煤与瓦斯突出危险性越来越大,相当数量的低瓦斯矿井将转变为高瓦斯矿井,开采条件越来越复杂,给安全生产带来严重的威胁,矿井瓦斯成为制约安全生产的关键问题,如平顶山矿区,20世纪90 年代初仅有2 对高瓦斯矿井,目前煤与瓦斯突出矿井11 对,随着矿区向深部延伸,煤层瓦斯压力、含量不断增大,预计2012 年高突矿井数量将达到15 对。

  (c)高强度集约开采导致的瓦斯涌出量激增

  随着先进开采技术装备的应用,矿井单产能力大幅度提高,矿井瓦斯涌出量显著增加,低瓦斯矿井转化为高瓦斯矿井。一方面给煤矿的安全生产带来负面影响,如:我国近年瓦斯事故中近40%发生在传统的低瓦斯矿井,个别矿井回采工作面瓦斯涌出量超过100m3/min

  ,给工作面的安全管理和瓦斯处理提出了更高的要求;另一方面,低浓度瓦斯利用技术的进步和对能源需求的日益增长及环保意识的提高,也为瓦斯的抽采创造了良好的条件。

  (d)适应新的安全高效洁净开采的政策必须突破现有理论与技术

  近年来党中央、国务院多次作出关于加强煤矿安全生产和煤矿瓦斯治理利用的重要决定和指示,大力推进煤矿瓦斯抽采利用。国家发改委、国家能源局要求煤层瓦斯预抽率应大于30%,使开采煤层的瓦斯含量降低到8m3

  /t 以下。为适应新的煤炭安全高效洁净开采的政策,必须突破现有理论与技术,建立适合我国的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法。

  3. 深部煤与瓦斯共采是国家中长期科技发展规划优先研究主题

  2005 年以来,党中央、国务院多次作出关于加强煤矿安全生产和煤矿瓦斯治理利用的重要决定和指示,成立了由七部委联合的瓦斯治理专门工作机构,安排专项资金,制定了防治结合、标本兼治的重要决策和一系列政策措施,大力推进煤矿瓦斯抽采利用。国务院第81、116 次常务会上确定了煤矿安全生产和煤矿瓦斯治理的7 项措施和12 条治本之策。《国民经济和经济发展第十一个五年规划纲要》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要》要求加大煤矿瓦斯治理利用科技攻关,两个纲要都将矿井瓦斯治理和利用作为重要内容。“十一五”期间,国家科技计划重点支持了一批煤矿安全特别是煤矿瓦斯治理利用的重大、重点项目,已经发挥了重要支撑作用,并力争到2010 年建成100 个瓦斯治理示范矿井和100 个瓦斯治理示范县。科技部正启动“十二五”各项科技规划的研究制定工作,煤矿瓦斯治理利用的科技创新工作将作为重点内容纳入到国家主体科技计划中,并拟制定煤矿瓦斯治理和利用的科技专项规划,争取到“十二五”末期实现煤矿瓦斯治理和利用关键技术的重点突破,为构建本质安全型、环境友好型、资源节约型矿井提供科技支撑。煤与瓦斯共采对于保障国家能源安全具有重要的战略意义。2008年我国瓦斯抽采总量约58 亿m3,国家能源局要求2010 年的瓦斯(煤层气)抽采量要达到100亿m3,按瓦斯与石油1,000 m3/t

  换算,相当于1000 万吨原油。因此,只有实施煤与瓦斯共采,才能够有力保障国家能源局瓦斯抽采目标以及国家能源安全的实现;同时实施煤与瓦斯共采,相当于增加了国内石油供给、减少了石油对外依赖程度,客观上有助于优化我国能源结构,有效保障能源安全。煤与瓦斯共采是煤矿安全高效洁净生产的重要保障。瓦斯是煤矿最大的安全隐患。新中国成立以来,全国共发生24 起一次死亡百人以上的煤矿特别重大事故,其中22 起有瓦斯参与,占91.7%,瓦斯灾害事故也极大限制了煤矿生产规模、生产效率和经济效益。高瓦斯煤层瓦斯抽采是安全生产的需要、是煤炭生产安全高效的需要、是开采两个资源(煤和瓦斯)的需要、也是保护环境的需要;同时,有效控制瓦斯事故是解决我国煤矿安全问题的重中之重,也是保证煤炭工业可持续发展的一个关键性问题。

  煤与瓦斯共采是减少温室气体排放的重要手段。2009 年我国煤矿释放的瓦斯总量超过150 亿m3,约2/3 的瓦斯直接排入大气,既浪费了大量宝贵的能源资源,也污染了大气环境。由于瓦斯(煤层气)的温室效应是二氧化碳的21 倍,对臭氧层的破坏是CO2 的7 倍。按照目前世贸组织中减排权购买价格,目前在国际碳汇市场,每吨碳的减排量可以卖85 元人民币,每年150 亿m3 瓦斯(煤层气)的减排和利用,可获得170 亿人民币的收益。因此,瓦斯综合利用,既可以在瓦斯利用方面获得直接的经济收益,又可在节能减排方面再获得丰厚的回报。煤矿煤与瓦斯共采已成为我国煤炭工业能否健康发展的关键课题,我国政府在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)》中明确确定“矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术”为优先研究主题,“十一五”期间,按照“国家目标主导、整合多方资源,突破重点技术、加强集成应用,遵循科学发展、构建和谐社会”的指导思想,国家将重点突破一些关键技术,建立煤与瓦斯共采等技术示范工程,逐步实现煤矿安全保障从“被动应付型”向“主动保障型”的转变。实施深部煤与瓦斯共采,是贯彻落实科学发展观,推进煤矿安全发展、清洁发展、节约发展的必然要求。因此项目研究符合国家安全高效开采煤炭能源、保障国民经济可持续发展、“以人为本”、构建和谐社会的重大战略需求。

  (二)科学意义

  由于我国深部煤层普遍具有低渗透性、强吸附、高瓦斯(瓦斯压力高、瓦斯含量大)的特点,造成国外的理论与技术不适用于我国煤层赋存在条件,至今没有形成适合我国的煤与瓦斯共采理论与技术体系。具体而言,我国深部煤与瓦斯共采具有三大特征:

  (1)深部复杂环境:深部采掘导致地应力重分布,时空关系复杂多变,高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂;且大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤岩体经历多次变形、破坏过程,其介质属性十分复杂。

  (2)高强度集约开采:现代大型矿井大多采用装备功率大、重型化、高可靠性的先进采煤装备,集约开采的大空间快速推进的长壁开采对煤岩体形成强烈开采扰动,尤其是对于深部一矿一面集中开采的千万吨级矿井而言,强烈开采扰动更是浅部开采和其他岩土工程不能比拟的,导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点,瓦斯抽采技术也面临新的挑战。

  (3)高瓦斯、低渗透、强吸附:我国深部煤层普遍具有地质构造复杂、煤层松软和渗透率低、瓦斯含量高和瓦斯压力大、但吸附强和解吸速度慢,使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难,而且低渗透煤层瓦斯吸附、解吸、扩散、渗流运移过程表现出相互制约和非线性渗流等突出特点,国外先进理论和技术不能完全适应我国低渗透煤层瓦斯的抽采。“深部、高强、低渗”这三大特征构成了当今深部煤与瓦斯共采的主题,其中迫切需要突破的基础性关键问题包括:

  (1)开采活动导致的煤岩体破断机理和破断结构特征

  深部煤岩体的结构特征、高地应力环境和集约开采是深部煤炭工程灾害形成的基本条件。深部高温高压低渗透地质赋存环境以及深部强烈构造活动和复杂地质条件使得深部煤岩体的结构具有高度的隐蔽性和强烈的时空变异性等特征,以及当今煤炭大规模集约开采造成采场工作面大范围应力水平高、空间差异大等分布特征。开采将导致上覆岩层大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠加,其时空演化规律极其复杂。具有这些新特点的深部煤岩体结构在高应力强卸荷作用下如何演化以及如何控制岩体的力学行为?如何描述裂隙场的空间展布规律、揭示其迹长、开度等尺度关系、以实现对采动裂隙场更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。

  (2)多场耦合下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸、运移的基本规律

  深部含瓦斯煤岩体是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构。煤层中的孔隙及裂隙表面是吸附瓦斯存在的场所,其中吸附瓦斯占80%-90%,而游离状态瓦斯只有10%-20%。国内外大量的工程实践表明,直接抽采原始煤层中的瓦斯效率普遍较低,瓦斯的解吸及运移困难。但煤层在采动卸压后,被卸压煤层的透气性可增加千百倍,瓦斯可以得到充分解吸,可有效地提高抽采瓦斯效率。由此,通过有效抽采破断煤岩体中的瓦斯,可使高瓦斯煤层,甚至瓦斯突出危险煤层转化为低瓦斯煤层或无突出危险煤层,为实施高瓦斯煤层高产高效的开采创造良好的工作条件,实现煤与瓦斯两种能源安全高效共采。因此,深入研究__深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯的吸附机理、解吸机理以及运移规律显得极为重要,并由此建立深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯解吸及流动理论。

  (3)深部开采条件下煤岩体中瓦斯富集和导向流动机制

  深部高地应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动是煤与瓦斯共采工程中有效布置抽采钻孔系统的关键。随着埋深的增加、地质条件的复杂和开挖规模的增大,高地应力、强卸荷作用下深部采矿工程中,针对我国大多高瓦斯煤田具有低渗透性、低饱和度和强非均质性等特点,被卸压煤层工作面瓦斯绝对涌出量差异悬殊,瓦斯相对涌出量差异大,高瓦斯涌出量的地点分布广,瓦斯积聚时间延续长。具有这些新特征的深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程,如何深入研究深部高应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动的理论对于煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。以上关键基础问题的解决,将建立符合我国“深部、集约开采、低渗”三大特征的深部煤与瓦斯共采的理论体系,为我国深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程实践和煤炭资源安全高效开发提供科学理论支撑。同时将促进采矿工程、地质工程、岩石力学与工程、安全工程、地球物理以及环境工程等相关学科的交叉融合,推进深部煤炭资源开发技术的发展与变革,为深部煤炭安全生产和可持续发展提供理论与技术保障,进一步提升我国在能源与安全研究领域的国际地位。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  (二)科学意义

  由于我国深部煤层普遍具有低渗透性、强吸附、高瓦斯(瓦斯压力高、瓦斯含量大)的特点,造成国外的理论与技术不适用于我国煤层赋存在条件,至今没有形成适合我国的煤与瓦斯共采理论与技术体系。具体而言,我国深部煤与瓦斯共采具有三大特征:

  (1)深部复杂环境:深部采掘导致地应力重分布,时空关系复杂多变,高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂;且大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤岩体经历多次变形、破坏过程,其介质属性十分复杂。

  (2)高强度集约开采:现代大型矿井大多采用装备功率大、重型化、高可靠性的先进采煤装备,集约开采的大空间快速推进的长壁开采对煤岩体形成强烈开采扰动,尤其是对于深部一矿一面集中开采的千万吨级矿井而言,强烈开采扰动更是浅部开采和其他岩土工程不能比拟的,导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点,瓦斯抽采技术也面临新的挑战。

  (3)高瓦斯、低渗透、强吸附:我国深部煤层普遍具有地质构造复杂、煤层松软和渗透率低、瓦斯含量高和瓦斯压力大、但吸附强和解吸速度慢,使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难,而且低渗透煤层瓦斯吸附、解吸、扩散、渗流运移过程表现出相互制约和非线性渗流等突出特点,国外先进理论和技术不能完全适应我国低渗透煤层瓦斯的抽采。“深部、高强、低渗”这三大特征构成了当今深部煤与瓦斯共采的主题,其中迫切需要突破的基础性关键问题包括:

  (1)开采活动导致的煤岩体破断机理和破断结构特征

  深部煤岩体的结构特征、高地应力环境和集约开采是深部煤炭工程灾害形成的基本条件。深部高温高压低渗透地质赋存环境以及深部强烈构造活动和复杂地质条件使得深部煤岩体的结构具有高度的隐蔽性和强烈的时空变异性等特征,以及当今煤炭大规模集约开采造成采场工作面大范围应力水平高、空间差异大等分布特征。开采将导致上覆岩层大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠加,其时空演化规律极其复杂。具有这些新特点的深部煤岩体结构在高应力强卸荷作用下如何演化以及如何控制岩体的力学行为?如何描述裂隙场的空间展布规律、揭示其迹长、开度等尺度关系、以实现对采动裂隙场更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。

  (2)多场耦合下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸、运移的基本规律

  深部含瓦斯煤岩体是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构。煤层中的孔隙及裂隙表面是吸附瓦斯存在的场所,其中吸附瓦斯占80%-90%,而游离状态瓦斯只有10%-20%。国内外大量的工程实践表明,直接抽采原始煤层中的瓦斯效率普遍较低,瓦斯的解吸及运移困难。但煤层在采动卸压后,被卸压煤层的透气性可增加千百倍,瓦斯可以得到充分解吸,可有效地提高抽采瓦斯效率。由此,通过有效抽采破断煤岩体中的瓦斯,可使高瓦斯煤层,甚至瓦斯突出危险煤层转化为低瓦斯煤层或无突出危险煤层,为实施高瓦斯煤层高产高效的开采创造良好的工作条件,实现煤与瓦斯两种能源安全高效共采。因此,深入研究__深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯的吸附机理、解吸机理以及运移规律显得极为重要,并由此建立深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯解吸及流动理论。

  (3)深部开采条件下煤岩体中瓦斯富集和导向流动机制

  深部高地应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动是煤与瓦斯共采工程中有效布置抽采钻孔系统的关键。随着埋深的增加、地质条件的复杂和开挖规模的增大,高地应力、强卸荷作用下深部采矿工程中,针对我国大多高瓦斯煤田具有低渗透性、低饱和度和强非均质性等特点,被卸压煤层工作面瓦斯绝对涌出量差异悬殊,瓦斯相对涌出量差异大,高瓦斯涌出量的地点分布广,瓦斯积聚时间延续长。具有这些新特征的深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程,如何深入研究深部高应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动的理论对于煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。以上关键基础问题的解决,将建立符合我国“深部、集约开采、低渗”三大特征的深部煤与瓦斯共采的理论体系,为我国深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程实践和煤炭资源安全高效开发提供科学理论支撑。同时将促进采矿工程、地质工程、岩石力学与工程、安全工程、地球物理以及环境工程等相关学科的交叉融合,推进深部煤炭资源开发技术的发展与变革,为深部煤炭安全生产和可持续发展提供理论与技术保障,进一步提升我国在能源与安全研究领域的国际地位。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  (二)科学意义

  由于我国深部煤层普遍具有低渗透性、强吸附、高瓦斯(瓦斯压力高、瓦斯含量大)的特点,造成国外的理论与技术不适用于我国煤层赋存在条件,至今没有形成适合我国的煤与瓦斯共采理论与技术体系。具体而言,我国深部煤与瓦斯共采具有三大特征:

  (1)深部复杂环境:深部采掘导致地应力重分布,时空关系复杂多变,高应力释放、转移以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、块度分布极其复杂;且大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤岩体经历多次变形、破坏过程,其介质属性十分复杂。

  (2)高强度集约开采:现代大型矿井大多采用装备功率大、重型化、高可靠性的先进采煤装备,集约开采的大空间快速推进的长壁开采对煤岩体形成强烈开采扰动,尤其是对于深部一矿一面集中开采的千万吨级矿井而言,强烈开采扰动更是浅部开采和其他岩土工程不能比拟的,导致瓦斯运移富集规律呈现极度复杂的特点,瓦斯抽采技术也面临新的挑战。

  (3)高瓦斯、低渗透、强吸附:我国深部煤层普遍具有地质构造复杂、煤层松软和渗透率低、瓦斯含量高和瓦斯压力大、但吸附强和解吸速度慢,使得瓦斯解吸及其在煤层中的运移十分困难,而且低渗透煤层瓦斯吸附、解吸、扩散、渗流运移过程表现出相互制约和非线性渗流等突出特点,国外先进理论和技术不能完全适应我国低渗透煤层瓦斯的抽采。“深部、高强、低渗”这三大特征构成了当今深部煤与瓦斯共采的主题,其中迫切需要突破的基础性关键问题包括:

  (1)开采活动导致的煤岩体破断机理和破断结构特征

  深部煤岩体的结构特征、高地应力环境和集约开采是深部煤炭工程灾害形成的基本条件。深部高温高压低渗透地质赋存环境以及深部强烈构造活动和复杂地质条件使得深部煤岩体的结构具有高度的隐蔽性和强烈的时空变异性等特征,以及当今煤炭大规模集约开采造成采场工作面大范围应力水平高、空间差异大等分布特征。开采将导致上覆岩层大范围移动,在采动和煤体瓦斯压力耦合影响下,上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠加,其时空演化规律极其复杂。具有这些新特点的深部煤岩体结构在高应力强卸荷作用下如何演化以及如何控制岩体的力学行为?如何描述裂隙场的空间展布规律、揭示其迹长、开度等尺度关系、以实现对采动裂隙场更深层次的描述与建模对煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。

  (2)多场耦合下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸、运移的基本规律

  深部含瓦斯煤岩体是一种具有气相、吸附相和固相存在的三相介质结构。煤层中的孔隙及裂隙表面是吸附瓦斯存在的场所,其中吸附瓦斯占80%-90%,而游离状态瓦斯只有10%-20%。国内外大量的工程实践表明,直接抽采原始煤层中的瓦斯效率普遍较低,瓦斯的解吸及运移困难。但煤层在采动卸压后,被卸压煤层的透气性可增加千百倍,瓦斯可以得到充分解吸,可有效地提高抽采瓦斯效率。由此,通过有效抽采破断煤岩体中的瓦斯,可使高瓦斯煤层,甚至瓦斯突出危险煤层转化为低瓦斯煤层或无突出危险煤层,为实施高瓦斯煤层高产高效的开采创造良好的工作条件,实现煤与瓦斯两种能源安全高效共采。因此,深入研究__深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯的吸附机理、解吸机理以及运移规律显得极为重要,并由此建立深部含瓦斯破断煤岩体内瓦斯解吸及流动理论。

  (3)深部开采条件下煤岩体中瓦斯富集和导向流动机制

  深部高地应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动是煤与瓦斯共采工程中有效布置抽采钻孔系统的关键。随着埋深的增加、地质条件的复杂和开挖规模的增大,高地应力、强卸荷作用下深部采矿工程中,针对我国大多高瓦斯煤田具有低渗透性、低饱和度和强非均质性等特点,被卸压煤层工作面瓦斯绝对涌出量差异悬殊,瓦斯相对涌出量差异大,高瓦斯涌出量的地点分布广,瓦斯积聚时间延续长。具有这些新特征的深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程,如何深入研究深部高应力强卸荷条件下含瓦斯煤岩体内瓦斯富集和导向流动的理论对于煤与瓦斯共采具有十分重要的意义。以上关键基础问题的解决,将建立符合我国“深部、集约开采、低渗”三大特征的深部煤与瓦斯共采的理论体系,为我国深部煤炭开发中煤与瓦斯共采工程实践和煤炭资源安全高效开发提供科学理论支撑。同时将促进采矿工程、地质工程、岩石力学与工程、安全工程、地球物理以及环境工程等相关学科的交叉融合,推进深部煤炭资源开发技术的发展与变革,为深部煤炭安全生产和可持续发展提供理论与技术保障,进一步提升我国在能源与安全研究领域的国际地位。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

  三、预期目标

  (一)总体目标

  针对我国煤炭开采的“深部(高应力、高瓦斯、强吸附性)、高强、低渗”的三大突出特征,揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律,发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律,建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制,形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法,为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础,促进相关学科的发展。

  在国内外核心学术期刊发表论文 150 篇以上,其中SCI、EI 收录论文120篇以上,有重要国际影响的论文30 篇以上,出版著作6~7 部。申请专利8~10项。在深部煤与瓦斯共采研究领域,取得一批具有国际影响的研究成果。培养博士后、博士生和硕士生70~90 名,凝聚和培育国内一批高水平研究队伍,培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台,完成1~2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程,为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

  (二)五年预期目标

  (1)揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

  揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征;获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律;建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论,并发展相应的反演方法。

  (2)建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

  揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律;建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型;建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型;应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术,从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

  (3)发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

  通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下,瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究,得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律,建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理,揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律;阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法;提出瓦斯通道形成与控制理论,为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

  (4)提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

  解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制,建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型;以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段,实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控,以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率,实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制;针对煤层群赋存条件,揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律,建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法,建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型;基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型,提出瓦斯抽采优化布置方案;形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。




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