项目名称： | |
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 |
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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、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。
（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
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。
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