發人深省的“瓦斯”

　　瓦斯災害是煤礦安全生產的最大危害，是威脅礦工生命的“第一殺手”。我國大多數煤礦為瓦斯礦井，這使得我國成為世界上瓦斯災害頻發國家之一。我國也是煤炭資源大國和煤層氣資源大國，資源結構決定了我們在未來相當長時期內，不得不利用這種能源。

　　在國家科技部“973”項目、國家自然科學基金和國家重大科技專項等多個科研項目的資助下，中國科學院研究生院副教授琚宜文對此展開了長期研究，為把握煤層變形引起的厚度變化和煤體結構變化的規律，揭示瓦斯突出機理做了大量工作。

　　危險的瓦斯

　　瓦斯是Gas的音譯。通常我們將Gas理解為氣體，但瓦斯不是一般的氣體。我們在日常生活中提到瓦斯時，它總是和瓦斯爆炸、瓦斯突出等災難性聯係在一起。

　　瓦斯生於煤層並主要以吸附狀態儲集於煤層中，作為一種非常規天然氣，它還有一個名字叫煤層氣，其主要成分是甲烷。隨著煤礦開采深度的增加、瓦斯含量的增加，當采掘巷道工程接近時，在各種力的作用下，煤層可能瞬間釋放出大量瓦斯和煤，從而造成地質災害，稱為煤與瓦斯突出。在當前開采技術水平下，煤礦開采深度越深，煤層瞬間釋放瓦斯量也會越大。

　　還有一種災害與瓦斯有關，那就是瓦斯爆炸。煤礦瓦斯湧出達到一定程度後，大量的有害氣體進入坑道，可能導致礦工窒息。如果同時出現以下三種情況，則會引起瓦斯爆炸：一是空氣中氧氣含量達到12%以上；二是瓦斯濃度達到5%至16%之間；三是遇到明火，點火溫度達到650攝氏度以上。

　　繞不開的瓦斯問題

　　瓦斯的治理是一個世界性的難題，目前還沒有從根本上解決瓦斯災害的辦法。因此，許多發達國家為了減少02manbetx.com 的發生，禁止開采瓦斯湧出量大的礦井，或者對高瓦斯礦井進行抽采，在瓦斯湧出量符合安全開采要求後進行開采。

　　但是，中國是一個煤炭資源大國和煤層氣資源大國，煤炭是國家的第一能源。長期以來，在一次能源生產和消費構成中均占2/3以上，為國民經濟的快速發展提供主體能源保障。在未來相當長時期內，以煤炭為主的能源供應格局仍不會有大的改變。我國還不能像日本等國家一樣，因為存在瓦斯危險就關閉煤礦。

　　“煤層中蘊含的煤礦瓦斯也是一種重要的能源。開采煤層氣對於防治煤礦瓦斯災害、利用潔淨能源、保護大氣環境等都具有重要意義。”琚宜文介紹道。我國煤層氣資源量高達14萬億立方米（其甲烷含量大於4立方米/噸，埋深-2000米以淺。數據來自《中國煤層氣資源》），居世界第三位，與我國陸上常規天然氣資源量相當。

　　因此，煤礦瓦斯災害機理及煤層氣開發理論與技術的深入研究具有重要的意義。國家科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院等相關部門一直對這一領域的科研工作給予了大力支持。此外，相關科研機構與高等院校也進行了大量的現場觀測、理論與技術研究工作，並取得了不少研究成果。琚宜文一直致力於適合中國地質特點的構造煤結構與儲層物性、煤礦瓦斯災害機理及煤層氣勘探相關理論與技術研究。

　　我國大陸是由幾大板塊經多次碰撞拚合而成，至今仍受到歐亞、印度、太平洋三大板塊運動共同作用的影響；我國地質構造條件複雜，成煤期多，延續時間長，煤田遭受後期改造次數多而強烈，因而形成了我國煤田與煤層氣地質條件的複雜性和多樣性。

　　我國主要有五個地質時代的煤層，不同成煤時代煤層的瓦斯賦存與分布不一樣。中國煤礦瓦斯災害嚴重，有一個重要原因是中國開采的煤炭主要集中在工業發達的華北、華南地區，這些地區主要開采的是石炭一、二疊紀的煤層，是中國五個含煤地質時代中較古老的煤層，經曆的地質構造運動次數最多，在煤層中普遍發育構造煤。因此，構造煤發育區的煤層氣勘探開發是一個極具挑戰性的課題。

　　搞清機理才能解決問題

　　在構造煤發育區揭示有利於煤層氣聚集的地質條件，找出構造煤的結構演化、儲層物性演化的理論依據是琚宜文所在課題組正在從事的研究工作。

　　構造煤就是指煤層受構造應力作用，原生的結構和構造遭受強烈破壞而產生碎裂、破碎、揉皺和糜棱化等構造變動特征的煤。構造煤的變形有強有弱：弱變形包括原生煤體結構被破壞而形成碎裂煤；強變形則是煤體在較高構造應力或長期較高溫壓下化學成分和結構發生改變。

　　相關研究表明，當煤層變形厚度發生顯著變化，且采煤巷道采至變形較強的構造煤區時，極易發生瓦斯突出。我國大量礦井煤層氣地質研究資料充分顯示出這樣一個事實：構造煤分層厚度明顯增大，煤的滲透性反而會下降，也就是說煤層氣不易滲出，煤層含氣量增大。

　　此外，煤體微觀結構也是影響煤與瓦斯突出和煤層氣開發的重要因素之一。

　　基於已有的研究，構造煤超微結構在不同溫壓和定向應力等因素影響下會表現出超微尺度上的特征與規律。煤岩大分子結構的變形可以引起納米級孔隙結構的變化，而納米級孔隙結構是煤層氣的主要吸附和擴散空間。因而在不同的變質階段，不同機製的變形對不同類型構造煤超微結構的影響以及對其變質變形環境的研究具有重要的科學意義，而且對於煤層氣的儲集和賦存狀態、煤與瓦斯突出的機理以及煤層氣資源和煤與瓦斯突出危險性預測等，都具有十分重要的實際意義。

　　通過各種測試和實驗，並結合國內外關於構造煤的結構模型、煤岩超微結構與應力的關係以及構造煤結構與應變環境等三方麵研究成果，琚宜文等指出：構造煤的變形程度不同，其含氣量也不同，變形較強烈的構造煤層比原生煤層含氣量高。而碎裂程度較高的構造煤具有含氣量高、相對滲透率高和孔容較大等特點，對煤層氣勘探開發有利；煤體受韌性剪切且結構破壞較嚴重的區域，一般也是瓦斯含量高及煤與瓦斯突出嚴重的地方。

　　所以，準確把握煤層變形引起的厚度變化和煤體結構變化的規律，闡明影響瓦斯災害的主控因素，揭示瓦斯突出機理，能夠有效地促進瓦斯災害的防治和煤層氣的有效勘探開發。