預防煤礦瓦斯動力災害的基礎研究

預防煤礦瓦斯動力災害的基礎研究
首席科學家: 胡千庭 煤炭科學研究總院重慶分院
起止年限:2005.12至2010.11
依托部門:煤炭科學研究總院
一,研究內容
我國煤層賦存條件複雜多變,重大瓦斯動力災害(瓦斯煤塵爆炸,煤與瓦斯突出等)02manbetx.com 時有發生.特別是近十多年來,開采深度的加大使得生產條件更趨複雜,安全保障能力已經成為影響集約化開采技術推廣的關鍵,原有安全技術及理論基礎已難以適應當前煤礦安全高效生產的迫切需求,導致煤礦企業重特大02manbetx.com 居高不下.當前,製約我國煤礦瓦斯動力災害防治技術進步的關鍵科學問題有:
(1)煤礦瓦斯災害的地質構造作用機理
包括礦區,礦井多尺度構造和地應力場,流體運動場耦合條件下的瓦斯地質構造特征,瓦斯災害危險區域分布的構造控製作用,是煤礦瓦斯動力災害預防的地質理論基礎.
(2)采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應
包括采動應力場及煤岩體裂隙動態時空演化及分布規律,采動過程中煤層瓦斯解吸及滲流規律,采動裂隙場與瓦斯流動場耦合作用規律,是預測采動影響條件下的瓦斯流動和高效抽采瓦斯的理論基礎.
(3)煤礦瓦斯動力災害演化機製及地球物理響應
包括含瓦斯煤岩的物理力學特性及本構關係,煤礦井下采動及鑽孔過程中地應力,瓦斯與煤岩體之間相互耦合的煤岩動力災害演化機製,采動影響下煤岩體的地球物理響應,建立基於多場耦合的煤岩瓦斯動力災害多信息融合判識模型,是煤岩瓦斯動力災害監測預警及預防的理論基礎.
(4)瓦斯煤塵爆炸動力學演化機製
包括巷道網絡空間瓦斯與多種礦井氣體成分共存,煤塵參與條件下的爆炸動力學和化學演化特性,傳播規律及控製技術基礎,是開發預防控製瓦斯煤塵爆炸新技術的基礎.
基於我國煤炭安全開采過程中所麵臨的上述重大基礎理論問題,本項目擬以煤炭開采過程中瓦斯運移及災變的動力學機製為研究主線,以瓦斯災害機理及預防基礎為研究重點,開展以下研究:
(1)煤礦瓦斯災害的地質構造作用機理
①構造控製瓦斯分布的作用機理及規律.研究典型地質構造條件下以及多種構造耦合條件下煤層動力學原理與煤層瓦斯富集規律,煤層瓦斯富集過程中的吸附-解吸-擴散-滲流的動態演化過程.
②構造煤的成因和分布規律.研究不同應力-應變環境下,不同類型構造煤的形成機製及其與構造的耦合機理,係統03manbetx 不同類型構造煤的區域和層域分布規律,揭示構造動力學控製構造煤分布和構造煤結構的內在機理,確定我國主要煤層構造煤形成的構造環境條件及其主要控製因素,建立構造煤發育與瓦斯突出的地質構造控製理論.
③構造對煤與瓦斯突出等動力災害危險區域的控製作用.研究構造煤的"宏觀-微觀"多尺度裂隙和孔隙係統特征及其與構造演化過程與程度的關係,研究複雜環境條件下含瓦斯構造煤的吸附-解吸動力學過程及其與瓦斯突出災害的關係,提出煤與瓦斯突出構造控製作用機理與規律,建立煤礦煤與瓦斯突出危險區域分布的瓦斯地質理論與方法.
④含瓦斯煤岩體的三維地震波響應特征.研究含有不同瓦斯量,不同構造和構造煤的三維地震波吸收,反射和傳播特征,三維地震波的濾波以及三維三分量辨識,建立構造煤和瓦斯富集區以及煤與瓦斯突出危險區辨識的三維地震探測方法.
(2)采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應
① 采動條件下裂隙場形成機製及分布特征.研究采動條件下煤岩層的垮落與破壞機製及煤岩體裂隙時空演化與分布規律,建立煤岩層垮落,裂隙,變形與相關參數的關係,闡明裂隙發育與分布特征.
② 采動裂隙場條件下的瓦斯流動規律.研究采動裂隙場對瓦斯流動的作用機製,瓦斯在采動煤岩體裂隙場中的流動規律,得出瓦斯流動與煤岩體裂隙耦合的時空演化及分布規律,建立采動煤岩體裂隙中瓦斯流動理論與數值計算方法.
③采空冒落區瓦斯運移規律.研究采空冒落區空間瓦斯流動的特點及規律,采煤工作麵邊界條件對采空冒落區內瓦斯流動的作用,采空冒落區不同部位外加流動場條件下的瓦斯流動規律.
(3)煤礦瓦斯動力災害演化機製及地球物理響應規律
①含瓦斯煤體物理力學特性及本構關係.研究含瓦斯煤岩體的損傷作用機理,含瓦斯煤岩體滲透特性的應力響應規律,瓦斯對煤岩流變-突變規律及其本構關係,含瓦斯煤體峰後滲透性及失穩破壞條件,建立含瓦斯煤體動力學失穩判據;研究含瓦斯煤岩力學特性的尺度效應,外加物理場對含瓦斯煤體吸附,解吸特性的作用機製.
② 煤岩瓦斯動力災害的動力學演化機理.研究煤與瓦斯突出機理及其發生發展過程中各參數之間的相互關係,瓦斯,煤體,應力之間的耦合作用,煤與瓦斯突出煤岩與瓦斯流在采掘空間的運動規律,動力效應及其向瓦斯煤塵爆炸等災害的轉化條件; 研究采動影響下衝擊地壓形成的條件,機製及影響因素.
③ 煤岩動力災害演化過程的地球物理響應規律.
研究並揭示煤岩破裂過程及煤岩動力災害過程的地球物理場(電磁輻射,聲發射,煤岩物理參數等)響應特征,規律及機理,建立煤岩破裂前兆信息的數學物理模型以及煤岩瓦斯動力災害多信息辨識準則,為實現煤岩動力災害監測及預警奠定理論基礎:
(4)瓦斯煤塵爆炸動力學演化機製
① 瓦斯煤塵爆炸條件參數的耦合量化關係.研究點火能量與環境條件(壓力,溫度,風流等),氣體和氣固成分之間的耦合效應,建立耦合量化關係.
② 瓦斯燃燒,爆燃,爆轟各階段的特征及轉化條件.研究瓦斯爆炸與火災行為相互轉化機製,揭示燃燒,爆燃,爆轟各階段的演化規律和動力學特征,建立相互轉化的條件.
③ 巷道網絡條件下瓦斯煤塵爆炸傳播機製.研究巷道網絡條件下(具有煤礦井下實際巷道尺度,壁麵粗糙度,彎道和變坡,瓦斯分布特征的巷道網)瓦斯爆炸火焰和爆炸波的傳播規律,瓦斯爆炸過程中熱動力學特征,中間瞬態產物變化規律及其對爆炸傳播的作用機理;研究瓦斯(煤塵)爆炸傳播過程的尺度效應,建立尺度效應對爆炸傳播參數影響的關係.為模擬03manbetx 煤礦井下瓦斯煤塵爆炸奠定基礎.
二,預期目標
1. 總體目標
通過本項目的研究,對煤與瓦斯突出發生與致災機理以及瓦斯煤塵爆炸發生,傳播機製由定性描述逐步向定量描述轉化,解決煤礦瓦斯災害防治中的相關科學問題,建立有效預防煤礦瓦斯災害02manbetx.com 的基礎理論體係,為開發煤礦瓦斯災害預防技術,建立煤礦瓦斯災害有效預警預防機製,確保有效控製一次死亡10人以上特大瓦斯02manbetx.com 奠定基礎.
2. 五年預期目標
五年的預期目標是:在礦區地質構造控製突出危險區分布的演化及預測探測理論,含瓦斯煤的物理力學定量化描述及本構關係,大空間快速推采條件下裂隙場演化及分布規律以及裂隙和采空冒落空間範圍的瓦斯流動理論,煤與瓦斯突出演化機製及定量化描述機理,突出瓦斯煤流運動規律及動力效應理論,衝擊地壓發生條件及控製基礎,瓦斯煤塵爆炸點火能量與環境條件和氣固成分耦合關係,巷道網絡受限空間條件下瓦斯爆炸火焰,壓力和溫度傳播機製及試驗設施尺度效應,采動和構造條件下聲發射與電磁輻射,物理參數變化規律的前兆信息監測基礎等方麵取得突破,與已有研究成果一起初步形成預防瓦斯動力災害的基礎理論體係,並與已有科技攻關成果和"十一五"科技攻關項目配合,形成一套適合我國煤層條件下的有效預防瓦斯災害技術,達到有效控製重大瓦斯災害的目的.具體考核指標為:
(1)建立我國煤礦瓦斯地質區域分布及采動影響區瓦斯流動場理論,高瓦斯低滲透性煤層高效抽采瓦斯的基礎理論,煤與瓦斯突出,瓦斯(煤塵)爆炸發生,致災機理及控製理論;
(2)構建預防煤礦瓦斯動力災害的基礎理論體係,並在關鍵理論與技術基礎方麵實現重大突破,為建立我國煤礦瓦斯災害預測與防治技術體係提供有效的理論支撐;
(3)過對原生狀態,采動影響,采掘過程或地質構造影響的煤岩體電磁輻射,聲發射,物性參數等特征,傳播規律,濾噪理論,煤岩動力災害前兆信息特征規律以及外加電磁波,彈性波信號在采掘空間周圍全空間條件下煤岩體中的傳播規律,衰減特征等的深入研究,推動電磁輻射,聲發射預測煤與瓦斯突出技術達到實用化階段,突出易發區探測精度提高50%.
(4)在國內外核心刊物上發表120篇以上高質量科學論文,出版學術著作6～9部,形成一支在國際上有影響的煤礦安全領域學術團隊.
三,研究方案
1. 總體思路
本項目立足於中國煤礦采動誘發的瓦斯動力災害複雜多變的特點,堅持前瞻性,強調基礎性,突出創新性,體現代表性,堅持交叉性,依托互補性的原則,以煤炭開采過程中瓦斯運移及災變的動力學機製為研究主線,以瓦斯致災機理及預防基礎為研究重點,研究"四個特性"(含瓦斯煤岩體物理力學特性,煤礦瓦斯地質區域動力學特性,點火能量與環境條件及氣固成分特性,瓦斯煤塵爆炸熱動力學特性),建立"三個動態演化機製"(采動裂隙場,煤岩瓦斯動力災害,瓦斯(煤塵)爆炸),構建"三個動力效應理論"(瓦斯流動,煤岩瓦斯動力災害和瓦斯煤塵爆炸動力效應理論),形成"一個預防瓦斯災害基礎理論體係"(煤礦瓦斯災害預警及控製的基礎理論體係).突破複雜地質,多變賦存條件和高強度大空間采礦方法條件下采動誘發的重大瓦斯災害預防和控製的"四個"關鍵科學問題,奠定預防瓦斯災害及抗災能力建設評估基礎,有效地帶動本領域的技術創新.
2. 技術路線
(1)針對我國煤礦瓦斯災害典型特征,利用關聯的科技攻關項目,科技行動專項機遇和成果測定並收集有關現場資料,采集實驗樣品和氣體成分.收集並補充測定小構造及其附近的構造煤,瓦斯賦存參數,物理力學參數,構造參數,突出危險性參數等;收集並補充測定現場含瓦斯煤岩體物理力學參數,瓦斯參數,相對應力參數,利用鑽孔電視觀測裂隙演化及分布規律;利用傳感器和監測係統監測不同尺度采掘空間和采掘推進速度條件下的瓦斯參數,相對地應力參數,煤岩體變形和位移參數,聲發射和電磁輻射參數等,利用束管係統測定裂隙場瓦斯流動規律,並采取相關樣品作為模擬試驗材料.
(2)建立和完善有關實驗係統,開展實驗研究工作.建立構造模擬,采場裂隙模擬,煤與瓦斯突出模擬,采動煤岩物理力學參數模擬,瓦斯流動模擬等實驗室,完善瓦斯煤塵爆炸巷道和管網試驗係統及快速溫度,壓力,高速攝影,紋影等測試係統,熱動力學實驗係統等.(3)采用地質構造動力學,岩體力學,流體動力學,氣固兩相運動學,爆炸動力學,工程熱力學和物理化學等多學科交叉知識進行理論03manbetx 和數值模擬試驗,結合現場數據和實驗室模擬數據,建立和完善有關數學力學模型.
(4)03manbetx 相關研究的成果,並通過廣泛的學術交流,密切的協作配合,建立和完善煤礦瓦斯動力災害防治的有關理論體係及災害防治技術基礎.
(5)根據現場試驗結果和瓦斯災害事故案例,對研究成果進行驗證和修改完善.
3. 可行性分析
針對我國煤層及瓦斯賦存特點,本項目研究人員對相關研究內容已經進行了長期的研究,取得了一係列研究成果:
已在全國範圍開展了大規模的瓦斯地質調查和瓦斯地質編圖工作,查明了煤礦瓦斯災害分布的主要控製因素.得到了不同尺度的構造通過對煤層瓦斯賦存和構造軟煤的發育控製來控製瓦斯突出的分布等定性結論.形成了一套較為完善的礦井構造定量預測與評價的理論與方法,獲得了高分辨率,高信噪比,高密度三維數據體,落差H≥5的小斷層定位誤差小於10m,能夠分辨區內幅度大於5m的褶曲.
在實驗室測定過含瓦斯煤的硬度,體積和強度性質的變化以及含瓦斯煤的變形特性,得出煤體吸附瓦斯後會發生膨脹變形和流變的結論,並對流變的機理和規律以及判定準則進行過研究;通過試驗對瓦斯孔隙壓力,圍岩與煤的滲透率之間的關係以及含瓦斯煤的力學性質進行了研究,建立了煤層瓦斯流動理論及滲流控製方程;對采動引起的岩層移動與地表沉陷規律以及裂隙發育規律進行了研究; 從煤體的蠕變特性出發研究了突出過程,提出了煤與瓦斯突出的流變假說,從能量守衡原理出發提出了煤與瓦斯突出發生的力學條件;對煤礦深部開采中的衝擊地壓,岩爆等煤礦動力災害進行過理論與數值模擬研究.
對瓦斯煤塵爆炸的著火機理及動態響應特征進行了管道(巷道)的實驗研究,取得了一係列研究成果;對瓦斯爆炸過程中火焰傳播規律及其加速機理,湍流的誘導及對瓦斯爆炸火焰傳播的作用等進行了研究.
利用統計損傷模型建立了聲發射數和岩石微元損傷統計分布之間的定量關係,利用聲發射技術進行了煤與瓦斯突出預測的應用研究,並取得了初步應用效果.對煤在變形破裂過程中電磁輻射規律,孔隙氣體影響電磁輻射的產生等進行了實驗室和現場試驗研究,對岩石破壞電磁輻射機製進行了探討.
國內外其他研究人員也對相關問題進行了係列化研究,形成了一係列研究成果.這些都為本項目的研究奠定了基礎.因此,本項目的研究具有紮實的研究基礎.
項目主要承擔單位擁有國際一流的研究手段,基本具備瓦斯基礎實驗室,火災基礎實驗室,煤與瓦斯突出基礎實驗室,亞太地區最大的瓦斯煤塵爆炸試驗巷道及試驗管道係統,粉塵通風火災試驗巷道,摩擦火花實驗室,采場瓦斯運移模擬試驗台;有專門的岩石力學和材料實驗室,相似材料模型實驗室.擁有各種材料試驗機,岩石物理力學性質測定裝置,采煤工作麵和巷道相似模型試驗台,動態多功能岩層控製實驗係統,電液伺服岩石力學實驗係統和先進的數據處理係統,岩石力學三維數值模擬商業軟件係統,采礦工程中圍岩力學行為的數值模擬係統和平麵加載煤層開采應力應變模擬實驗係統,能夠完成各種岩石物理力學性質測試,井下支護材料性能測試,各類工作麵和巷道圍岩變形,破壞和頂板冒落的模擬;具有較為完備的動態實時數據采集分析係統,瞬態光譜分析儀,熱成像儀,鑽孔地質雷達,WKT-E無線電波透視係統,A-ER聲電動態監測係統,傅立葉紅外氣體分析儀,PHOENICS商業軟件係統和有關參數測定儀器.這些試驗手段為本項目的研究提供了堅實的物質基礎.
項目申請者從事礦井重大瓦斯動力災害相關研究工作已有20餘年曆史,先後主持承擔20多項有關礦井瓦斯賦存,瓦斯地質動力學特征,煤與瓦斯突出,瓦斯爆炸,衝擊地壓等方麵的國家自然科學基金,國家科技攻關,重大產業化項目等,並且參與了十幾起煤礦重大瓦斯動力災害事故(如2003年淮北蘆嶺煤礦"5.13"瓦斯爆炸事故,陝西銅川陳家山"11.28"瓦斯爆炸事故)的調查和處理工作,對煤礦重大動力災害事故具有深入的了解,具有很強的組織工作能力.項目組成員有專門從事煤礦瓦斯災害預測預防基礎研究的科研人員,還有從事力學,流體動力學,燃燒爆炸學,地質學,采礦學等方麵的研究人員.這些人員都是相關方麵的傑出研究人員,具有豐富的科研實踐經驗和紮實的理論基礎.因此,項目具備了一支強有力的專門研究隊伍.
針對目前煤礦重大災害防治中存在的主要問題,以煤層瓦斯運移動力學機製為研究主線,突出我國煤礦采動誘發的重大瓦斯事故機理為研究重點,來構建煤礦安全生產的理論體係,研究含瓦斯煤岩體物理力學特性和煤礦瓦斯地質區域動力特性,開展煤礦瓦斯動力災害和瓦斯(煤塵)爆炸兩項重大事故機理研究,形成煤礦重大瓦斯動力災害預警及控製技術基礎.
通過應用基礎理論,數值模擬和實驗研究,得出煤礦重大瓦斯動力災害預警及控製技術基礎,然後進行試驗驗證並對研究成果進行驗證與修正,指導實踐.項目研究思路清晰,技術路線可操作性強.
項目采用現代高新技術的原理和實驗手段,以及多學科交叉的集成攻關來進行煤礦重大動力災害防治的應用基礎研究,並以國家科技攻關,科技行動專項為依托,較傳統理論與技術研究方法有突破,具有可行性.
4. 創新點與特色
本項目與國內外以往研究相比,具有鮮明的特點,具體表現在:
(1)研究對象的特色:針對目前世界上最複雜多變煤層及瓦斯賦存條件的我國煤礦生產條件研究構造控製瓦斯和構造煤的分布,並利用高分辨三維地震勘探辦法研究對構造煤和瓦斯富集區的波形特征;針對世界上大空間快速推進的我國特有開采方式(大采高,放頂煤開采),研究煤岩變形,破壞特征及裂隙演化機製;針對世界上煤與瓦斯突出和瓦斯煤塵爆炸最嚴重的我國煤礦特點研究災害演變規律和災變效應;這些研究成果全部具有自主知識產權;
(2)研究內容的特色:在國內外組織一支優秀科技隊伍專門研究預防煤礦瓦斯災害基礎是第一次,研究內容由定性向定量化轉化,包含的廣度和深度也是第一次;
(3)研究手段和關聯行動的特色:集中各相關研究單位的設施優勢共同研究預防瓦斯災害的基礎,而且這些單位大部分是本領域國家科技攻關項目以及科技部"煤礦安全生產科技行動專項"的執行單位,基礎研究與技術研究同步.
本項目的創新點:
(1)研究思路的創新.針對我國煤層複雜的地質構造,多變的瓦斯賦存特點,高強度大空間的開采方法誘發的煤岩瓦斯動力災害和瓦斯煤塵爆炸,開展兩類重大災害的演化規律,致災機理以及預測預防基礎研究,提出了"研究四個特性-建立三個演化機製-構建三個效應理論-形成一個理論體係-突破四個關鍵科學問題-奠定預防瓦斯災害及抗災能力建設評估基礎的學術思路,在煤礦重大瓦斯災害研究中將宏觀動力學機製與微觀動力學機製的分析融為一體,為以知識創新帶動技術創新奠定了重要基礎.
(2)實驗手段的創新:采用具有國際先進水平的物理,化學多參數測試實驗儀器進行實驗室與現場測定,利用多種物理場實驗模擬係統以及具有實際規模巷道和管道網絡特性的瓦斯煤塵爆炸實驗模擬係統,研究含瓦斯煤體物理力學特性,煤岩瓦斯動力災害,瓦斯(煤塵)爆炸機理及傳播規律等基礎理論問題,實現特定災害事故現象(煤與瓦斯突出,瓦斯爆炸)的實驗室再現和實驗現象的動態測試與實時數據采集.
(3)研究成果創新:① 礦區地質構造控製突出危險區分布的演化及預測探測理論;② 含瓦斯煤的物理力學定量化描述及本構關係;③ 大空間快速推采條件下裂隙場演化及分布規律以及瓦斯流動理論;④ 煤與瓦斯突出演化機製及定量化描述機理;⑤ 突出瓦斯煤流運動規律及動力效應理論,衝擊地壓發生條件;⑥ 點火能量與環境條件和氣固成分耦合關係;⑦ 巷道網絡受限空間條件下瓦斯爆炸火焰和壓力溫度傳播機製及試驗設施尺度效應;⑧ 采動和構造條件下聲發射與電磁輻射,物理參數的變化規律.
5. 課題設置
(1)課題設置的基本思路
根據項目的研究思路和總體目標,本著突出重點,強調有機聯係的原則,圍繞擬解決的關鍵科學問題,按照已確定的研究內容,充分考慮學科,研究方法和途徑等方麵的區別與內在聯係以及項目總體的係統性和課題分解,成果的相對獨立性進行課題設置,共設置為6個課題開展研究.
各課題之間及課題與關鍵科學問題,學術思想,課題設置及項目總目標之間的關係如圖所示.
地質構造控製構造煤,瓦斯和突出危險區的演化和作用機製,探測構造煤,瓦斯富集區的基礎等內容是"煤礦瓦斯地質區域動力學特性"的研究內容,對應"煤礦瓦斯災害的地質構造作用機理"的科學問題,設立課題一:煤礦瓦斯災害的地質構造作用機理;
瓦斯對煤岩體的損傷,滲透特性的影響及含瓦斯煤岩本構關係,失穩條件等內容是"含瓦斯煤岩體物理力學特性"的研究內容,對應 "采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應,煤岩瓦斯動力災害演化機製及地球物理響應規律"的科學問題,是這兩個科學問題的共性基礎,為此設立課題二:含瓦斯煤岩體物理力學特性及本構關係;
采動條件下煤岩層的垮落,裂隙及瓦斯在裂隙場中的流動規律,采空冒落區瓦斯運移規律等是"采動裂隙場演化及瓦斯流動效應"的主要研究內容,對應"采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應"的科學問題,為此設立課題三:采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應;
煤與瓦斯突出機理及突出煤岩與瓦斯流的運動規律,動力效應,衝擊地壓形成的條件,機製及影響因素等是"煤岩瓦斯動力災害演化機製及煤岩瓦斯動力災害效應"的主要研究內容,對應"煤岩瓦斯動力災害演化機製及地球物理響應規律"的科學問題,為此設立課題四:煤岩瓦斯動力災害的動力學演化作用機理;
煤岩破裂過程及動力災害的電磁輻射,聲發射,煤岩物理參數的變化規律及前兆信息的數學物理模型等內容是"煤岩瓦斯動力災害演化機製及煤岩瓦斯動力災害效應"的主要研究內容,對應"煤岩瓦斯動力災害演化機製及地球物理響應規律"的科學問題,為此設立課題五:"煤岩動力災害演化過程的地球物理響應規律";
點火能量與環境條件等耦合量化關係,爆炸與火災行為轉化機製,巷道網絡條件下瓦斯爆炸火焰和爆炸波的傳播規律等是"點火能量與環境條件及氣固成分特性,瓦斯煤塵爆炸熱動力學特性,瓦斯煤塵爆炸動力效應"的研究內容,對應"瓦斯煤塵爆炸動力學演化機製"的科學問題,為此設立課題六:"瓦斯(煤塵)爆炸動力學演化及多相耦合效應";
通過六個課題的研究,形成"一個預防瓦斯災害基礎理論體係",奠定預防瓦斯災害及抗災能力建設評估基礎,有效地帶動本領域的技術創新.
(2) 課題研究的主要內容和目標
課題一:煤礦瓦斯災害的地質構造作用機理
目標:認識構造控製瓦斯分布的作用機理及規律,揭示構造煤的成因和分布規律,構造對煤與瓦斯突出等動力災害的控製作用,建立煤層瓦斯災害危險區的構造控製理論,為預測瓦斯災害危險區域及其預防瓦斯技術的研發奠定理論基礎.在SCI,EI刊物和國內外核心刊物上發表20篇以上科學論文,出版學術著作1～2部.
主要研究內容:
針對我國煤礦瓦斯災害區域分布基礎研究存在的問題,圍繞構造煤,瓦斯分布和煤與瓦斯突出危險區域分布的構造演化及控製問題開展基礎理論研究.主要研究內容為:
① 構造控製瓦斯分布的作用機理及規律.研究典型地質構造條件下以及多種構造耦合條件下煤層動力學原理與煤層瓦斯富集規律,煤層瓦斯富集過程中的吸附-解吸-擴散-滲流的動態演化過程.
② 構造煤的成因和分布規律.研究不同應力-應變環境下,不同類型構造煤的形成機製及其與構造的耦合機理,係統分析不同類型構造煤的區域和層域分布規律,揭示構造動力學控製構造煤分布和構造煤結構的內在機理,確定我國主要煤層構造煤形成的構造環境條件及其主要控製因素,建立構造煤發育與瓦斯突出的地質構造控製理論.
③ 構造對煤與瓦斯突出等動力災害危險區域的控製作用.研究構造煤的"宏觀-微觀"多尺度裂隙和孔隙係統特征及其與構造演化過程與程度的關係,研究複雜環境條件下含瓦斯構造煤的吸附-解吸動力學過程及其與瓦斯突出災害的關係,提出煤與瓦斯突出構造控製作用機理與規律,建立煤礦煤與瓦斯突出危險區域分布的瓦斯地質理論與方法.
④含瓦斯煤岩體的三維地震波響應特征.研究含有不同瓦斯量,不同構造和構造煤的三維地震波吸收,反射和傳播特征,三維地震波的濾波以及三維三分量辨識,建立構造煤和瓦斯富集區以及煤與瓦斯突出危險區辨識的三維地震探測方法.
課題二:含瓦斯煤體物理力學特性及本構關係
目標:建立含瓦斯煤的本構關係及破壞準則,得出煤岩體卸荷破壞的尺度規律,為裂隙演化規律和煤與瓦斯突出動力災害演化規律研究提供共性基礎.在SCI,EI刊物和國內核心刊物上發表15篇以上科學論文.
主要研究內容:
① 研究瓦斯對煤岩體的損傷作用機理及對煤岩體滲透特性的應力響應規律;
② 研究含瓦斯煤岩流變-突變規律及其本構關係,含瓦斯煤體峰後滲透性及失穩破壞條件,建立含瓦斯煤體動力學失穩判據;
③ 研究含瓦斯岩體及含瓦斯岩塊力學特性進行比較,得到含瓦斯煤岩力學特性的尺度效應;研究外加物理場對含瓦斯煤體吸附,解吸特性的作用機製.
課題三:采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應
目標:揭示采動影響煤岩體的裂隙時空演化及采動影響空間的瓦斯流動規律,建立采動裂隙場與瓦斯流動耦合的理論體係.為預測瓦斯湧出及高效抽采瓦斯技術的研發奠定基礎.在SCI,EI刊物和國內核心刊物上發表20篇以上科學論文,出版學術著作1～2部.
主要研究內容:
① 研究采動條件下煤岩層的垮落與破壞機製及煤岩體裂隙時空演化與分布規律,建立煤岩層垮落,裂隙,變形與相關參數的關係,闡明裂隙發育與分布特征.
② 研究采動裂隙場對瓦斯流動的作用機製,瓦斯在采動煤岩體裂隙場中的流動規律,得出瓦斯流動與煤岩體裂隙耦合的時空演化及分布規律,建立采動煤岩體裂隙中瓦斯流動理論與數值計算方法.
③研究采空冒落區空間瓦斯流動的特點及規律,采煤工作麵邊界條件對采空冒落區內瓦斯流動的作用,采空冒落區不同部位外加流動場條件下的瓦斯流動規律.
課題四:煤岩瓦斯動力災害的動力學演化機理
目標:基本認識煤與瓦斯突出,衝擊地壓的發生機理和致災機理,掌握煤與瓦斯突出,衝擊地壓的發生規律,為預測預防煤與瓦斯突出和衝擊地壓技術的研發奠定基礎.在國內核心刊物上發表20篇以上科學論文,出版學術著作1部.
主要研究內容:
① 研究煤與瓦斯突出機理及其發生發展過程中各參數之間的相互關係,瓦斯,煤體,應力之間的耦合作用;
② 研究煤與瓦斯突出煤岩與瓦斯流在采掘空間的運動規律,動力效應及其向瓦斯煤塵爆炸等災害的轉化條件.
③ 研究采動影響下衝擊地壓形成的條件,機製及影響因素.
課題五:煤岩動力災害演化過程的地球物理響應規律
目標:揭示煤岩破裂過程及煤岩動力災害的地球物理場響應特征,規律及機理,建立煤岩瓦斯動力災害多信息辨識準則,為實現煤岩動力災害四維(時間和空間)監測及預警技術的研發奠定理論基礎.在SCI,EI刊物和國內核心刊物上發表25篇以上科學論文,出版學術著作2部.
主要研究內容:
研究並揭示煤岩破裂過程及煤岩動力災害的地球物理場(電磁輻射,聲發射,煤岩物理參數等)響應特征,規律及機理,建立煤岩破裂前兆信息的數學物理模型以及煤岩瓦斯動力災害多信息辨識準則,為實現煤岩動力災害監測及預警奠定理論基礎:
課題六:瓦斯(煤塵)爆炸動力學演化及多相耦合效應
目標:揭示甲烷與多種氣體共存及氣固兩相介質條件下的瓦斯(煤塵)爆炸突變機理和井下巷道網絡條件下的爆炸傳播規律,建立瓦斯煤塵爆炸及其傳播的理論模型,為開發煤礦瓦斯煤塵爆炸模擬驗證,事故調查分析,預測控製瓦斯(煤塵)爆炸技術奠定基礎.在國內核心刊物上發表學術論文20篇以上,出版學術著作1～2部.
主要研究內容:
① 研究點火能量與環境條件(壓力,溫度,風流等),氣體和氣固成分之間的耦合效應,建立耦合量化關係.
② 研究瓦斯爆炸與火災行為相互轉化機製,揭示燃燒,爆燃,爆轟各階段的演化規律和動力學特征,建立相互轉化的條件.
③ 研究巷道網絡條件下(具有煤礦井下實際巷道尺度,壁麵粗糙度,彎道和變坡,瓦斯分布特征的巷道網)瓦斯爆炸火焰和爆炸波的傳播規律,瓦斯爆炸過程中熱動力學特征,中間瞬態產物變化規律及其對爆炸傳播的作用機理;研究瓦斯(煤塵)爆炸傳播過程的尺度效應,建立尺度效應對爆炸傳播參數影響的關係.
(3)課題承擔單位及經費比例
課題承擔單位,負責人,經費比例詳見下表.
課題名稱
承擔單位
負責人
主要學術骨幹
全時
人數
經費比例
(%)
煤礦瓦斯災害的地質構造作用機理
河南理工大學,中國礦業大學(北京)
劉明舉苑春方
張子敏,王繼仁,嶽建華,崔永君
9
14
含瓦斯煤體物理力學特性及本構關係
中國礦業大學,重慶大學
何學秋尹光誌
聶百勝,王宏圖趙旭生,張興華
9
14
采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應
煤炭科學研究總院,中國礦業大學
齊慶新程遠平
張華興,楊勝強,梁運培,霍中剛
13
15
煤岩瓦斯動力災害的動力學演化機理
煤炭科學研究總院,中國礦業大學
胡千庭蔣承林
康立軍,王魁軍,孫東玲,竇林名
14
25
煤岩動力災害演化過程的地球物理響應規律
煤炭科學研究總院, 中國礦業大學
文光才王恩元
吳燕清,劉貞堂,鄒銀輝,孟賢正
11
16
瓦斯(煤塵)爆炸動力學演化及多相耦合效應
中國礦業大學,煤炭科學研究總院
林柏泉羅海珠
張延鬆,李增華,蔡周全,周心權
10
16

四,年度計劃
研究內容
預期目標
第一年
組建項目專家組和管理組,製定項目運作,協調和管理方案,完成課題及專題的詳細論證,編製課題和專題的計劃任務書,落實具體研究計劃,全麵啟動研究工作.
針對各課題的研究需求,開展並基本完成實驗係統建立;廣泛彙聚全國煤礦瓦斯賦存,瓦斯地質動力學特征,煤與瓦斯突出,瓦斯煤塵爆炸,衝擊地壓等的研究與開發資料,為全麵開展實驗工作做好準備.
製定項目及課題實施方案,落實試驗地點,建立完善的實驗測試係統,完成資料收集,整理和分析,全麵啟動項目研究工作.
完成實驗樣品的采集加工,得到含瓦斯煤體的力學特征.
研究得出煤岩變形破裂過程的聲發射,電磁輻射效應,特征,規律.
得出點火能量與瓦斯燃燒爆炸的關係,初步得出煤礦瓦斯著火模式,得到高溫,高壓條件下瓦斯爆炸特性變化規律.
第二年
研究瓦斯賦存和構造煤形成的瓦斯地質條件與展布規律,典型地質構造條件下以及多種構造耦合條件下煤層構造動力學原理與煤層瓦斯賦存綜合動態模擬,瓦斯富集煤的三維地震波動特征;
研究含瓦斯煤的物理力學特性,研究瓦斯對煤岩體的損傷作用機理,含瓦斯煤峰後物理力學特性,含瓦斯煤岩體滲透特性的應力響應規律;
研究采動引起圍岩變形和破斷的規律以及由此引起的岩體裂隙時空演化及分布規律,外加物理場煤層滲透特性,采空區滲透特性;
研究煤礦井下的動力現象分類,含瓦斯軟煤中的突出動力學模型,突出的發生與發展過程模擬,地應力及瓦斯壓力在突出過程中的作用,突出發生過程中瓦斯煤流的運動規律;
研究采掘空間煤柱型和頂板型衝擊地壓發生的條件,不同頂板,煤層條件下煤岩變形破裂過程的能量輻射(響應信號)效應,特征,規律及產生機理;原生煤岩狀態物理參數變化規律;
研究瓦斯煤塵成份,環境條件,點火能量的耦合關係,燃燒爆炸的演化規律,爆炸過程中爆炸波結構及火焰傳播規律,熱量,質量的輸運規律,壁麵熱效應及其對瓦斯爆炸傳播特性的影響.
建立煤層瓦斯富集和瓦斯賦存的構造控製模式,得出瓦斯富集區的地震波動特征;
得出含瓦斯煤體的流變實驗特征規律,高壓條件下煤對瓦斯的吸附解吸實驗規律,外加場對煤體瓦斯吸附,解吸的作用規律和機理;瓦斯氣體對煤體腐蝕損傷的宏微觀作用規律和作用機理;
初步提示模擬采動條件下煤岩體應力場,位移場,裂隙場的時空演化及分布規律,確定煤岩體裂隙中瓦斯流動數值計算方法和采空區瓦斯流動及湧出規律的監測方法; 提出關於突出機理新的假說,基本揭示煤層瓦斯在整個突出過程中的來源問題;掌握構造應力對衝擊地壓發生的影響規律,從本質上理解構造型和重力型衝擊地壓含義,從而為有針對性的防範衝擊地壓發生提供理論指導;
研究並揭示煤岩變形破裂過程的能量輻射機理;建立煤岩產生電磁輻射,聲發射的數學物理模型;研究並揭示物性參數,彈性波參數等煤岩狀態物理參數變化規律.
闡明單一組份氣體對瓦斯爆炸的作用機製,獲得我國煤礦瓦斯成分及高溫脫附氣體總體情況;揭示點火能量與環境條件(壓力,溫度,風流等),氣體和氣固成分之間的耦合效應,甲烷與多種氣體共存及氣固兩相介質條件下的瓦斯爆炸與火災行為相互轉化機製.
組織一次學術研討會,與973項目"中國煤層氣成藏機製及經濟開采基礎研究"研究人員交流取得的最新進展和研究成果.
發表學術論文30篇,培養本專業博士10名.
第三年
研究構造煤在不同應力-應變環境下,不同類型構造煤的形成機製及其與構造的耦合機理,係統分析不同類型構造煤的區域和層域分布規律,確定我國主要煤層構造煤形成的構造環境條件及其主要控製因素,形成構造煤的構造成因分類,構造煤的三維地震波動特征研究,瓦斯災害危險區的構造控製特點與規律,建立構造煤發育分布的地質構造控製理論;
研究含瓦斯煤岩流變-突變規律及其本構關係及峰後滲透性及失穩破壞條件,建立含瓦斯煤體動力學失穩判據;研究含瓦斯煤岩力學特性的尺度效應;
建立煤岩層垮落,裂隙,變形與相關參數的關係,闡明裂隙發育與分布特征,得出瓦斯流動與煤岩體裂隙耦合的時空演化及分布規律,采空冒落區瓦斯運移規律,外部環境對采空冒落區內瓦斯流動的影響;
研究石門揭煤和煤巷掘進條件下的突出力學模型,煤與瓦斯突出發生發展過程中各參數之間的相互關係,瓦斯,煤體,應力之間的耦合作用;煤與瓦斯突出煤岩與瓦斯流在采掘空間的動力效應;
研究衝擊地壓發生的機理及能量聚集與釋放規律;
研究煤岩瓦斯動力災害演化過程的前兆信息特征及變化規律,采掘空間煤岩體衝擊動力震動,聲電等物理場效應,研究采動及構造影響下煤岩破裂過程的電磁輻射,聲發射,煤岩物理參數的變化規律,建立煤岩破裂前兆信息的數學物理模型;
研究點火能量與環境條件(壓力,溫度,風流等),氣體和氣固成分之間的耦合效應,建立耦合量化關係.研究瓦斯爆炸與火災行為相互轉化機製,揭示燃燒,爆燃,爆轟各階段的演化規律和特征;研究巷道網絡條件下瓦斯爆炸火焰和爆炸波的傳播規律.
得出構造煤的成因和分類方法,建立構造煤發育分布的地質構造控製理論,提出構造煤地震勘探方法;
得出含瓦斯煤體的突變破壞特征,含瓦斯煤體的尺度效應規律和對煤體力學性能腐蝕損傷作用的量化特征規律;
進一步揭示采動煤岩體的垮落與破壞機製及煤岩體裂隙時空演化與分布規律,獲得瓦斯流動與煤岩體裂隙耦合的時空演化及分布規律.
建立新型的石門揭煤突出預測理論基礎;初步認識采麵突出的主要影響因素;基本認識煤與瓦斯突出發生時的突出氣流狀態參數及傳播規律;建立采礦工藝參數對煤岩體應力及衝擊地壓發生的影響規律;
研究並揭示煤岩瓦斯動力災害演化過程的前兆信息特征及變化規律;建立煤岩動力災害前兆信息的數學物理模型.
揭示瓦斯爆炸與火災行為相互轉化機製,獲得不同瓦斯氣體狀態下的引爆參數;闡明瓦斯爆炸後致災性中間氣體產物的生成動力學規律.
組織一次預防煤礦瓦斯災害方麵的國際學術研討會.發表學術論文30篇,出版專著1～2部,培養本專業博士10名.
第四年
研究構造動力學控製構造煤和瓦斯分布的機理和主要控製因素,建立構造煤發育與瓦斯突出的地質構造控製理論,提出煤與瓦斯突出構造控製作用機理與規律,建立煤礦煤與瓦斯突出危險區域分布的瓦斯地質理論與方法;建立瓦斯富集區和煤與瓦斯突出危險區辨識的地球物理方法;
研究外加物理場對含瓦斯煤體吸附,解吸特性量化規律;建立含瓦斯煤體動力學失穩判據;
研究外部環境對采空冒落區內瓦斯流動的作用機理,建立采動煤岩體裂隙及采空冒落區瓦斯流動理論與數值計算方法;
研究煤巷和采煤工作麵的突出危險性與工作麵前方的卸壓帶分布之間的關係,煤與瓦斯突出煤岩與瓦斯流在采掘空間運動時向瓦斯煤塵爆炸等災害的轉化條件,建立煤與瓦斯突出的力學模型;
研究采動影響下衝擊地壓的力學模型以及控製因素;
研究煤岩瓦斯動力災害前兆信號的識別及濾噪技術,煤岩瓦斯動力災害的多信息耦合預警準則,煤岩瓦斯動力災害轉移控製原理及技術;煤岩石在不同的加載和卸載,不同應力降條件下,裂紋發展的遲滯性和最終破壞失穩的衝擊性規律及其能量釋放規律,建立煤岩破裂前兆信息的數學物理模型;
研究瓦斯爆炸與火災行為相互轉化機製;研究巷道網絡條件下瓦斯爆炸過程中熱動力學特征,中間瞬態產物變化規律及其對爆炸傳播的作用機理;研究瓦斯(煤塵)爆炸傳播過程的尺度效應.
提出預測煤礦煤與瓦斯突出危險區域分布的瓦斯地質理論與方法,形成瓦斯危險區辨識的地震方法;
建立煤岩流變-突變本構方程;得出含瓦斯煤體的滲透規律及峰後煤體的滲透變化規律;建立含瓦斯煤體動力學失穩準則和判據;得出外加物理場對煤體瓦斯滲透特性的作用規律和機理;
從現場實測角度驗證采動應力場,裂隙場與瓦斯流動場的理論研究成果;
進一步完善煤巷掘進工作麵突出預測的理論基礎,並在煤巷對突出機理的新假說進行檢驗;初步建立瓦斯突出過程中的瓦斯動力學理論;基本認識采麵突出與煤層,頂底板,回采等的基本規律;基本認識煤與瓦斯突出繼發瓦斯爆炸災害的轉化和易發條件;
建立煤岩瓦斯動力災害的多信息耦合預警準則.
揭示巷道網絡條件下瓦斯爆炸後致災性氣體的生成規律;建立瓦斯爆炸的理論模型,瓦斯煤塵存在條件下煤塵雲著火模型和特征參數計算方法.
組織一次學術研討會,與973項目"中國煤層氣成藏機製及經濟開采基礎研究"研究人員交流取得的最新進展和研究成果.
發表學術論文30篇,出版專著2～3部,培養本專業博士10名.
第五年
繼續完成相關實驗和理論研究,對瓦斯災害過程的相關資料進行研究分析,利用研究得到的理論對瓦斯災害進行反演分析,驗證理論的適應性與正確性.
獲得預測瓦斯流動及高效瓦斯抽采的理論基礎,揭示應力場狀態改變及應力殼失衡導致衝擊地壓,瓦斯爆炸的機理;
形成係統的煤與瓦斯突出和衝擊地壓機理的理論體係;提出煤岩動力災害預測預警的量化模型.
揭示瓦斯爆炸後主要致災性氣體生成動力學特性,提出控製瓦斯爆炸的新理論和新技術基礎.
形成理論體係,依據理論提出瓦斯災害預測預警的量化模型以及預防技術途徑的原理.
發表學術論文30篇,出版專著3～4部,培養本專業博士10名.
完成各課題研究報告並審核,彙總,完成項目的總體研究報告.
構造煤和瓦斯賦存,構造的物理力學特征
含瓦斯煤物理力學特性及本構關係
采動裂隙場演化機製
煤岩瓦斯動力災害演化機製
瓦斯煤塵爆炸演化機製
瓦斯流動效應(瓦斯噴出和湧出)
動力效應(破壞前兆及瓦斯煤流拋出)
瓦斯煤塵爆炸效應(火焰和爆炸衝擊波)
預防瓦斯災害基礎理論體係
點火能量,環境條件,氣固成分耦合特性
瓦斯煤塵爆炸的熱動力學特性
預防災害(含抽瓦斯)及抗災能力建設評估基礎
⑴ 建立我國煤礦瓦斯地質區域分布及采動影響區瓦斯流動場理論,高瓦斯低滲透性煤層高效抽采瓦斯的基礎理論,煤與瓦斯突出,瓦斯(煤塵)爆炸發生,致災機理及控製理論;
⑵ 構建預防煤礦瓦斯動力災害的基礎理論體係,並在關鍵理論與技術基礎方麵實現重大突破,為建立我國煤礦瓦斯災害預測與防治技術體係提供有效的理論支撐;
⑶發表高質量論文,出版學術著作,形成一支有影響的學術團隊.
研究目標
煤岩瓦斯動力災害演化機製及地球物理響應 學術思想 構造特性 煤礦瓦斯災害的地質構造作用機理 采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應
關鍵科學問題
煤礦瓦斯災害的地質構造作用機理 采動裂隙場時空演化與瓦斯流動場耦合效應 煤岩瓦斯動力災害的動力學演化作用機理
瓦斯煤塵爆炸動力學演化機製 物理特性 瓦斯(煤塵)爆炸動力學演化及多相耦合效應 裂隙演化流場效應 爆炸演化動力效應 動力災害演化及動力效應
煤岩動力災害演化過程的地球物理響應規律
突出預防 突出監測 爆炸預防 瓦斯預測 機理基礎 含瓦斯煤岩體物理力學特性及本構關係 抽放瓦斯 關聯技術 課 題 設 置