深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论.doc

项目名称：深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论首席科学家：谢和平四川大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部二、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臵方案；形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法三、研究方案（一）学术思路本项目以国家重大需求和学科前沿为导向，针对深部煤炭资源开采中煤与瓦斯共采的共性基础问题，以山西潞安、安徽淮北、河南平顶山矿区为研究试验基地，以深部开采下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸与物质流动规律、多场多尺度裂隙结构演化和瓦斯运移规律、破断煤岩体中瓦斯导向流动的形成机制及控制理论、深部煤与瓦斯共采的时空协同作用机制及优化理论4个关键科学问题为核心，综合运用矿山工程力学、工程地质学、构造地质学、岩石力学、采矿工程、灾变学、地球化学、流体力学和安全工程等多学科及其交叉前沿理论，采用理论研究、实验室实验、数值模拟、现场测试等多种方法，开展系统的理论和方法研究。

在深刻认识深部煤岩地质环境（深部煤岩体结构与复杂地质条件、裂隙场演化机制）、高应力环境（高地应力特征及高强度开采工程扰动规律）、共性问题（高应力强卸荷下深部多组裂隙煤岩体的力学行为、裂隙场演化规律、瓦斯场的富集及导向流动规律）的基础上，建立适合我国高瓦斯煤层赋存特点的深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论体系，建成1〜2个深部煤与瓦斯共采示范工程总体学术研究思路如图1所示研究方法涉及学科匸-图1总体学术硏究思路二）技术路线本项目将采用现场调查、实验室试验、理论分析、数值仿真和现场试验相结合的研究方法对深部煤炭开发中的煤与瓦斯共采理论开展深入细致的研究工作采用细观到宏观、二维到三维、理论-实验-现场结合的方法，考察深部煤岩体的微结构特征、裂隙特征和块系结构特征，从本质上把握含瓦斯煤岩体的宏细观力学特性的内在属性；研究深部多组裂隙煤岩体在高地应力和强卸荷条件下裂隙场演化特征、尺度律及生成理论与方法；应用带加载装置的工业CT断层扫描系统和带SEM的观测试验系统，探测深部煤岩体裂隙的宏细观几何形态、分布、结构面特征，运用分形几何、统计力学等方法建立采动过程中破断煤岩体的结构特征及联通性规律研究深部高应力和高强度开采条件下含瓦斯煤岩体内部多尺度裂隙结构的时空演化规律；利用新型高刚度试验机和带SEM原位观测试验系统获得不同加卸载速率和路径下深部含瓦斯煤岩体的屈服、峰值应力曲面及全程应力应变曲线，建立高应力和强卸荷条件下含瓦斯煤岩体的本构理论模型，并提出适合于深部含瓦斯煤岩的强度准则和破坏模式判据；基于深部岩体裂隙系统的宏细观几何形态、分布、结构特征，建立深部煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论，深入探讨覆岩裂隙场-采动应力场-瓦斯渗流场三场相互耦合过程中瓦斯运移规律、瓦斯富集及导向流动规律，进一步建立和完善深部煤炭开发的煤与瓦斯共采评价方法和理论体系。

总体技术路线框图（见图2）图2总体技术路线图（三）创新点与特色本项目根据深部煤与瓦斯共采的国家能源开发战略需求，突出“深部（高应力、高瓦斯含量、高瓦斯压力）、高强（大规模集约化开采）、低渗”三大特征针对我国煤与瓦斯共采实践应用超前、基础理论研究滞后的现状，围绕煤与瓦斯共采的关键基础理论开展系统研究本项目创新和特色如下：理论研究方面：（1）突破连续介质力学理论框架，提出和建立采动条件下深部含瓦斯破断煤岩体力学理论；（2）首次提出和研究深部采动应力场-裂隙场-瓦斯场耦合下破断煤岩体中瓦斯富集、运移的“导向流”机理与理论；（3）应用分形理论建立深部破断煤岩体分形模型，系统描述分析含瓦斯破断煤岩体内部破裂演化及瓦斯运移的“黑箱”问题研究方法方面：（1）运用物理与化学相结合的方法研究深部采动破断煤岩体中瓦斯解吸、富集与运移全过程；（2）从多尺度、多场角度研究瓦斯在深部采动破断煤岩体中的耦合作用机理与规律；（3）采用理论研究、实验研究、数值模拟和工程验证四位一体的研究方法，实现理论与工程的紧密结合实验手段方面：（1）利用国际上最先进的微焦点体扫描CT系统，通过自行研制加载和环境模拟装臵，实现实时观测分析瓦斯在破断煤岩体中瓦斯流动、运移演化全过程，建立破断煤岩体拓扑参数与瓦斯流态之间的关系；（2）利用国际上最先进的MTS815实验系统和高温SEM试验系统，自行设计加载与量测系统（两个美国专利和三个发明专利），通过声发射、微震、红外热辐射等多参量监测，实现多尺度多场含瓦斯煤岩体的破裂演化过程的系统研究（四）取得重大突破的可行性分析研究思路的可行性：针对煤与瓦斯共采“深部、高强、低渗”特征，以解决煤与瓦斯共采中的重大理论与技术难题为主攻方向，围绕采动条件下含瓦斯煤岩体破断结构演化及时空分布特征、深部采动破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸与物质流动规律、深部采动破断煤岩体中瓦斯导向流动的形成机制及控制理论、深部煤与瓦斯共采的理论模型和技术优化方法4个关键科学问题，综合运用矿山工程力学、工程地质学、构造地质学、岩石力学、采矿工程、流体力学和安全工程等多学科及其交叉前沿理论，建立深部煤与瓦斯共采理论体系，促进我国煤与瓦斯共采工程实践健康发展。

项目研究思路清晰，研究目标明确，研究内容具体，研究重点突出，可操作性强研究方法的可行性：本项目应用物理和化学相结合、多场多尺度相结合的研究方法，理论建模、数值模拟、实验研究和工程验证相结合的四位一体研究方法，形成深部煤与瓦斯共采理论体系，进一步指导工程实践项目采用现代高新技术的原理和实验手段，以及多学科交叉的集成攻关进行深部煤与瓦斯共采的应用基础研究，并以国家科技支撑计划、科技行动专项等为依托，较传统理论与技术研究方法有突破，具有可行性实验条件的可行性：项目主要承担单位拥有国际一流的研究手段（微焦点体扫描CT、MTS815、SEM），具备瓦斯基础实验室、煤与瓦斯突出基础实验室、采场瓦斯运移模拟试验台、岩石力学和材料实验室，相似材料模型实验室、采煤工作面和巷道相似模型试验台、动态多功能岩层控制实验系统，为本项目取得突破性进展提供了实验研究基础研究基础的可行性：首席科学家为代表的研究团队长期承担相关领域的国家基础研究项目，获得了首届国家杰出青年科学基金项目（1994）、本领域的第一个国家自然基金创新团队（2002）、本领域的第一个973项目（2002）、第一个煤矿瓦斯灾害预防的国家自然科学基金重点项目（2001）等。

1995年、2007年两次获得国家自然科学奖，以及多项国家科技进步奖和国家发明奖，具有雄厚的理论研究基础，可确保本项目的理论创新和突破1．学科与队伍优势本项目汇聚我国煤炭资源开采领域与瓦斯治理的主要研究力量（中国矿业大学、四川大学、中国矿业大学（北京）、重庆大学、山东科技大学、辽宁工程技术大学、煤炭科学研究总院、煤炭科学研究总院重庆研究院、煤炭科学研究总院沈阳研究院等10家单位），依托6个国家重点实验室、9个部级重点实验室和3个国家工程研究中心，集中各相关研究单位的优势共同研究深部煤与瓦斯共采理论相关单位承担过本领域国家973项目、国家自然科学基金创新团队项目、国家自然科学基金重大项目、重点项目、国家科技支撑项目等一批国家重大科学研究计划，已取得了一系列研究成果本项目聘请了周世宁、张铁岗、袁亮3位院士为学术顾问，研究队伍中有中国工程院院士1人，“国家杰出青年科学基金”获得者1人，国家级有突出贡献的中青年专家1人，"百千万人才工程"第一、二层次1人，“新世纪百千万人才工程”国家级人选3人，教育部“新世纪优秀人才支持计划”4人，国家安全生产专家4人，中国青年科技奖1人，中国青年科学家奖1人，中国煤炭青年科技奖1人，教育部“高校青年教师奖”1人，霍英东优秀青年教师奖4人，霍英东青年教师基金2人，孙越崎能源大奖1人，孙越崎优秀青年科技奖6人，"有突出贡献的中国博士"称号2人，国家级创新团队1个。

项目课题负责人6人和主要学术骨干共24人，其中拥有博士学位29人，博师生导师17人，教授（研究员）21人，副教授（高工）8人，中青年骨干（45岁以下）16人形成了一支多学科交叉、老中青结合、以优秀中青年科学家为骨干、具有良好合作基础的研究团队，为本项目的顺利实施提供了人才保障2．工作基础优势（1）研究基础与工作积累项目组人员长期从事矿山工程力学、岩石力学、煤与瓦斯共采工程、煤矿防灾减灾等方面的基础理论与工程应用研究谢和平院士为代表的课题组长期从事采矿工程和矿山工程力学研究，开创。