预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究.docx

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1、预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究首席科学家 :胡千庭煤炭科学研究总院重庆分院 起止年限:2005.12至 2010.11 依托部门 :煤炭科学研究总院一,研究内容 我国煤层赋存条件复杂多变 ,重大瓦斯动力灾害 (瓦斯煤尘爆炸 ,煤与瓦 斯突出等 )事故时有发生 .特别是近十多年来 ,开采深度的加大使得生产 条件更趋复杂 ,安全保障能力已经成为影响集约化开采技术推广的关键 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,导致煤矿企业重特大事故居高不下 .当前 ,制约我国煤矿瓦斯动力灾 害防治技术进步的关键科学问题有 :(1) 煤矿瓦斯灾害的地质构造作

2、用机理包括矿区 ,矿井多尺度构造和地应力场 ,流体运动场耦合条件下的瓦斯 地质构造特征 ,瓦斯灾害危险区域分布的构造控制作用 ,是煤矿瓦斯动 力灾害预防的地质理论基础 .(2) 采动裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应 包括采动应力场及煤岩体裂隙动态时空演化及分布规律 ,采动过程中煤 层瓦斯解吸及渗流规律 ,采动裂隙场与瓦斯流动场耦合作用规律 ,是预 测采动影响条件下的瓦斯流动和高效抽采瓦斯的理论基础 .(3) 煤矿瓦斯动力灾害演化机制及地球物理响应包括含瓦斯煤岩的物理力学特性及本构关系 ,煤矿井下采动及钻孔过程 中地应力 ,瓦斯与煤岩体之间相互耦合的煤岩动力灾害演化机制,采动影响下煤岩体的地球

3、物理响应 ,建立基于多场耦合的煤岩瓦斯动力灾害 多信息融合判识模型 ,是煤岩瓦斯动力灾害监测预警及预防的理论基础(4) 瓦斯煤尘爆炸动力学演化机制 包括巷道网络空间瓦斯与多种矿井气体成分共存 ,煤尘参与条件下的爆 炸动力学和化学演化特性 ,传播规律及控制技术基础 ,是开发预防控制 瓦斯煤尘爆炸新技术的基础 .基于我国煤炭安全开采过程中所面临的上述重大基础理论问题,本项目拟以煤炭开采过程中瓦斯运移及灾变的动力学机制为研究主线,以瓦斯灾害机理及预防基础为研究重点 ,开展以下研究 :(1) 煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机理 构造控制瓦斯分布的作用机理及规律 . 研究典型地质构造条件下以 及多种构造耦合

4、条件下煤层动力学原理与煤层瓦斯富集规律,煤层瓦斯富集过程中的吸附 -解吸 -扩散-渗流的动态演化过程 . 构造煤的成因和分布规律 . 研究不同应力 - 应变环境下 ,不同类型构造 煤的形成机制及其与构造的耦合机理 ,系统分析不同类型构造煤的区域 和层域分布规律 ,揭示构造动力学控制构造煤分布和构造煤结构的内在 机理,确定我国主要煤层构造煤形成的构造环境条件及其主要控制因素 建立构造煤发育与瓦斯突出的地质构造控制理论 . 构造对煤与瓦斯突出等动力灾害危险区域的控制作用. 研究构造煤 的"宏观-微观"多尺度裂隙和孔隙系统特征及其与构造演化过程与程度 的关系 ,研究复杂环境条件下

5、含瓦斯构造煤的吸附 -解吸动力学过程及 其与瓦斯突出灾害的关系 ,提出煤与瓦斯突出构造控制作用机理与规律 建立煤矿煤与瓦斯突出危险区域分布的瓦斯地质理论与方法 . 含瓦斯煤岩体的三维地震波响应特征 .研究含有不同瓦斯量 , 不同构 造和构造煤的三维地震波吸收 ,反射和传播特征 ,三维地震波的滤波以 及三维三分量辨识 ,建立构造煤和瓦斯富集区以及煤与瓦斯突出危险区 辨识的三维地震探测方法 .(2) 采动裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应 采动条件下裂隙场形成机制及分布特征 .研究采动条件下煤岩层的 垮落与破坏机制及煤岩体裂隙时空演化与分布规律 ,建立煤岩层垮落 裂隙 ,变形与相关参数的关系 ,阐

6、明裂隙发育与分布特征 . 采动裂隙场条件下的瓦斯流动规律 . 研究采动裂隙场对瓦斯流动的 作用机制 ,瓦斯在采动煤岩体裂隙场中的流动规律 , 得出瓦斯流动与煤 岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律 ,建立采动煤岩体裂隙中瓦斯流动 理论与数值计算方法 . 采空冒落区瓦斯运移规律 . 研究采空冒落区空间瓦斯流动的特点及 规律 ,采煤工作面边界条件对采空冒落区内瓦斯流动的作用,采空冒落区不同部位外加流动场条件下的瓦斯流动规律 .(3) 煤矿瓦斯动力灾害演化机制及地球物理响应规律 含瓦斯煤体物理力学特性及本构关系 . 研究含瓦斯煤岩体的损伤作 用机理 ,含瓦斯煤岩体渗透特性的应力响应规律 ,瓦斯对煤岩流变

7、 -突变 规律及其本构关系 ,含瓦斯煤体峰后渗透性及失稳破坏条件 ,建立含瓦 斯煤体动力学失稳判据 ;研究含瓦斯煤岩力学特性的尺度效应 ,外加物 理场对含瓦斯煤体吸附 ,解吸特性的作用机制 . 煤岩瓦斯动力灾害的动力学演化机理 . 研究煤与瓦斯突出机理及其 发生发展过程中各参数之间的相互关系 ,瓦斯 ,煤体 ,应力之间的耦合作 用 ,煤与瓦斯突出煤岩与瓦斯流在采掘空间的运动规律,动力效应及其向瓦斯煤尘爆炸等灾害的转化条件 ;研究采动影响下冲击地压形成的条 件,机制及影响因素 . 煤岩动力灾害演化过程的地球物理响应规律 . 研究并揭示煤岩破裂过程及煤岩动力灾害过程的地球物理场 （电磁辐射 , 声

8、发射 ,煤岩物理参数等 ）响应特征 , 规律及机理 ,建立煤岩破裂前兆信息 的数学物理模型以及煤岩瓦斯动力灾害多信息辨识准则,为实现煤岩动力灾害监测及预警奠定理论基础 :（4）瓦斯煤尘爆炸动力学演化机制 瓦斯煤尘爆炸条件参数的耦合量化关系 .研究点火能量与环境条件 （压力,温度,风流等）,气体和气固 换行成分之间的耦合效应 ,建立耦合量 化关系 . 瓦斯燃烧 ,爆燃 ,爆轰各阶段的特征及转化条件 .研究瓦斯爆炸与火灾 行为相互转化机制 ,揭示燃烧 ,爆燃 ,爆轰各阶段的演化规律和动力学特 征,建立相互转化的条件 . 巷道网络条件下瓦斯煤尘爆炸传播机制 . 研究巷道网络条件下 （具有 煤矿井下实

9、际巷道尺度 ,壁面粗糙度 ,弯道和变坡 ,瓦斯分布特征的巷道 网 ）瓦斯爆炸火焰和爆炸波的传播规律 ,瓦斯爆炸过程中热动力学特征 , 中间瞬态产物变化规律及其对爆炸传播的作用机理 ;研究瓦斯 （煤尘 ）爆 炸传播过程的尺度效应 ,建立尺度效应对爆炸传播参数影响的关系.为模拟分析煤矿井下瓦斯煤尘爆炸奠定基础 .二,预期目标1. 总体目标通过本项目的研究 ,对煤与瓦斯突出发生与致灾机理以及瓦斯煤尘爆炸 发生 ,传播机制由定性描述逐步向定量描述转化 ,解决煤矿瓦斯灾害防 治中的相关科学问题 ,建立有效预防煤矿瓦斯灾害事故的基础理论体系 为开发煤矿瓦斯灾害预防技术 ,建立煤矿瓦斯灾害有效预警预防机制

10、, 确保有效控制一次死亡 10 人以上特大瓦斯事故奠定基础 .2. 五年预期目标五年的预期目标是 :在矿区地质构造控制突出危险区分布的演化及预测 探测理论 ,含瓦斯煤的物理力学定量化描述及本构关系 ,大空间快速推 采条件下裂隙场演化及分布规律以及裂隙和采空冒落空间范围的瓦斯 流动理论 ,煤与瓦斯突出演化机制及定量化描述机理 ,突出瓦斯煤流运 动规律及动力效应理论 ,冲击地压发生条件及控制基础 ,瓦斯煤尘爆炸 点火能量与环境条件和气固成分耦合关系 ,巷道网络受限空间条件下瓦 斯爆炸火焰 ,压力和温度传播机制及试验设施尺度效应 ,采动和构造条件下声发射与电磁辐射 ,物理参数变化规律的前兆信息监测基

11、础等方面 取得突破 ,与已有研究成果一起初步形成预防瓦斯动力灾害的基础理论 体系,并与已有科技攻关成果和 "十一五 "科技攻关项目配合 ,形成一套适 合我国煤层条件下的有效预防瓦斯灾害技术 ,达到有效控制重大瓦斯灾 害的目的 .具体考核指标为 :(1) 建立我国煤矿瓦斯地质区域分布及采动影响区瓦斯流动场理论,高瓦斯低渗透性煤层高效抽采瓦斯的基础理论 ,煤与瓦斯突出 ,瓦斯(煤尘 )爆 炸发生 ,致灾机理及控制理论 ;(2) 构建预防煤矿瓦斯动力灾害的基础理论体系 ,并在关键理论与技术基 础方面实现重大突破 ,为建立我国煤矿瓦斯灾害预测与防治技术体系提 供有效的理论支撑 ;(

12、3) 过对原生状态 ,采动影响 ,采掘过程或地质构造影响的煤岩体电磁辐 射,声发射,物性参数等特征 ,传播规律 ,滤噪理论 ,煤岩动力灾害前兆信息 特征规律以及外加电磁波 ,弹性波信号在采掘空间周围全空间条件下煤 岩体中的传播规律 ,衰减特征等的深入研究 ,推动电磁辐射 ,声发射预测 煤与瓦斯突出技术达到实用化阶段 ,突出易发区探测精度提高 50%.(4) 在国内外核心刊物上发表 120 篇以上高质量科学论文 ,出版学术著作 69部，形成一支在国际上有影响的煤矿安全领域学术团队 三,研究方案 1.总体思路 本项目立足于中国煤矿采动诱发的瓦斯动力灾害复杂多变的特点,坚持前瞻性,强调基础性 ,突出

13、创新性 ,体现代表性 ,坚持交叉性 ,依托互补性的 原则 ,以煤炭开采过程中瓦斯运移及灾变的动力学机制为研究主线,以瓦斯致灾机理及预防基础为研究重点 ,研究"四个特性 "（含瓦斯煤岩体物 理力学特性 ,煤矿瓦斯地质区域动力学特性 ,点火能量与环境条件及气 固成分特性 ,瓦斯煤尘爆炸热动力学特性 ）,建立 "三个动态演化机制 "（采 动裂隙场 ,煤岩瓦斯动力灾害 ,瓦斯（煤尘 ）爆炸）,构建 "三个动力效应理论 "（瓦斯流动 ,煤岩瓦斯动力灾害和瓦斯煤尘爆炸动力效应理论 ）,形成 "一 个预防瓦斯灾害基础理论体系 "

14、（煤矿瓦斯灾害预警及控制的基础理论 体系 ）.突破复杂地质 ,多变赋存条件和高强度大空间采矿方法条件下采 动诱发的重大瓦斯灾害预防和控制的 "四个 "关键科学问题 ,奠定预防瓦 斯灾害及抗灾能力建设评估基础 ,有效地带动本领域的技术创新 . 2.技术路线（1）针对我国煤矿瓦斯灾害典型特征 ,利用关联的科技攻关项目 ,科技行 动专项机遇和成果测定并收集有关现场资料 ,采集实验样品和气体成分 收集并补充测定小构造及其附近的构造煤,瓦斯赋存参数 ,物理力学参数 ,构造参数 ,突出危险性参数等 ;收集并补充测定现场含瓦斯煤岩体物 理力学参数 ,瓦斯参数 ,相对应力参数 ,利用钻孔电

15、视观测裂隙演化及分 布规律;利用传感器和监测系统监测不同尺度采掘空间和采掘推进速度 条件下的瓦斯参数 ,相对地应力参数 ,煤岩体变形和位移参数 ,声发射和 电磁辐射参数等 ,利用束管系统测定裂隙场瓦斯流动规律 ,并采取相关 样品作为模拟试验材料 .(2) 建立和完善有关实验系统 ,开展实验研究工作 .建立构造模拟 ,采场裂 隙模拟 ,煤与瓦斯突出模拟 ,采动煤岩物理力学参数模拟 ,瓦斯流动模拟 等实验室 ,完善瓦斯煤尘爆炸巷道和管网试验系统及快速温度,压力 ,高速摄影 ,纹影等测试系统 ,热动力学实验系统等 .(3)采用地质构造动力学 , 岩体力学 ,流体动力学 ,气固两相运动学 ,爆炸动力学

16、 ,工程热力学和物理 化学等多学科交叉知识进行理论 换行 分析和数值模拟试验 ,结合现场 数据和实验室模拟数据 ,建立和完善有关数学力学模型 .(4)分析相关研究的成果 ,并通过广泛的学术交流 ,密切的协作配合 ,建立 和完善煤矿瓦斯动力灾害防治的有关理论体系及灾害防治技术基础 .(5) 根据现场试验结果和瓦斯灾害事故案例 ,对研究成果进行验证和修改 完善.3. 可行性分析针对我国煤层及瓦斯赋存特点 ,本项目研究人员对相关研究内容已经进 行了长期的研究 ,取得了一系列研究成果 : 已在全国范围开展了大规模的瓦斯地质调查和瓦斯地质编图工作,查明了煤矿瓦斯灾害分布的主要控制因素 .得到了不同尺度的

17、构造通过对煤 层瓦斯赋存和构造软煤的发育控制来控制瓦斯突出的分布等定性结论 . 形成了一套较为完善的矿井构造定量预测与评价的理论与方法,获得了高分辨率，高信噪比，高密度三维数据体，落差H5的小断层定位误差小 于10m,能够分辨区内幅度大于5m的褶曲.在实验室测定过含瓦斯煤的硬度 ,体积和强度性质的变化以及含瓦斯煤的变形特性 ,得出煤体吸附瓦斯后会发生膨胀变形和流变的结论,并对流变的机理和规律以及判定准则进行过研究 ;通过试验对瓦斯孔隙压力 围岩与煤的渗透率之间的关系以及含瓦斯煤的力学性质进行了研究,建立了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程 ;对采动引起的岩层移动与地表 沉陷规律以及裂隙发育规律进行

18、了研究 ;从煤体的蠕变特性出发研究了 突出过程 ,提出了煤与瓦斯突出的流变假说 ,从能量守衡原理出发提出 了煤与瓦斯突出发生的力学条件 ;对煤矿深部开采中的冲击地压 ,岩爆 等煤矿动力灾害进行过理论与数值模拟研究 . 对瓦斯煤尘爆炸的着火机理及动态响应特征进行了管道 （巷道 ）的实验 研究 ,取得了一系列研究成果 ;对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律及其加 速机理 ,湍流的诱导及对瓦斯爆炸火焰传播的作用等进行了研究 . 利用统计损伤模型建立了声发射数和岩石微元损伤统计分布之间的定 量关系 ,利用声发射技术进行了煤与瓦斯突出预测的应用研究,并取得了初步应用效果 .对煤在变形破裂过程中电磁辐射规律 ,

19、孔隙气体影响 电磁辐射的产生等进行了实验室和现场试验研究 ,对岩石破坏电磁辐射 机制进行了探讨 . 国内外其他研究人员也对相关问题进行了系列化研究 ,形成了一系列研 究成果 .这些都为本项目的研究奠定了基础 .因此,本项目的研究具有扎 实的研究基础 .项目主要承担单位拥有国际一流的研究手段 ,基本具备瓦斯基础实验室 火灾基础实验室 ,煤与瓦斯突出基础实验室 ,亚太地区最大的瓦斯煤尘爆炸试验巷道及试验管道系统 ,粉尘通风火灾试验巷道 ,摩擦火花实验 室 ,采场瓦斯运移模拟试验台 ;有专门的岩石力学和材料实验室 ,相似材 料模型实验室 .拥有各种材料试验机 ,岩石物理力学性质测定装置 ,采煤 工作

20、面和巷道相似模型试验台 ,动态多功能岩层控制实验系统 ,电液伺 服岩石力学实验系统和先进的数据处理系统 ,岩石力学三维数值模拟商 业软件系统 ,采矿工程中围岩力学行为的数值模拟系统和平面加载煤层 开采应力应变模拟实验系统 ,能够完成各种岩石物理力学性质测试,井下支护材料性能测试 ,各类工作面和巷道围岩变形 ,破坏和顶板冒落的 模拟 ;具有较为完备的动态实时数据采集分析系统,瞬态光谱分析仪 ,热成像仪,钻孔地质雷达，WKT-E无线电波透视系统，A-ER声电动态监测系 统,傅立叶红外气体分析仪，PHOENICS商业软件系统和有关参数测定仪 器.这些试验手段为本项目的研究提供了坚实的物质基础 . 项

21、目申请者从事矿井重大瓦斯动力灾害相关研究工作已有20余年历史 ,先后主持承担 20 多项有关矿井瓦斯赋存 ,瓦斯地质动力学特征 ,煤与瓦 斯突出,瓦斯爆炸 ,冲击地压等方面的国家自然科学基金 ,国家科技攻关 , 重大产业化项目等 ,并且参与了十几起煤矿重大瓦斯动力灾害事故（如2003 年淮北芦岭煤矿 "5.13"瓦斯爆炸事故 ,陕西铜川陈家山 "11.28"瓦斯 爆炸事故 ）的调查和处理工作 ,对煤矿重大动力灾害事故具有深入的了 解,具有很强的组织工作能力 .项目组成员有专门从事煤矿瓦斯灾害预 测预防基础研究的科研人员 ,还有从事力学 ,流体动力学 ,燃

22、烧爆炸学 ,地 质学,采矿学等方面的研究人员 .这些人员都是相关方面的杰出研究人 员,具有丰富的科研实践经验和扎实的理论基础 .因此 ,项目具备了一支 强有力的专门研究队伍 .针对目前煤矿重大灾 换行 害防治中存在的主要问题 ,以煤层瓦斯运移 动力学机制为研究主线 ,突出我国煤矿采动诱发的重大瓦斯事故机理为 研究重点 ,来构建煤矿安全生产的理论体系 ,研究含瓦斯煤岩体物理力 学特性和煤矿瓦斯地质区域动力特性 ,开展煤矿瓦斯动力灾害和瓦斯 （煤尘 ）爆炸两项重大事故机理研究 ,形成煤矿重大瓦斯动力灾害预警及 控制技术基础 .通过应用基础理论 ,数值模拟和实验研究 ,得出煤矿重大瓦斯动力灾害 预警

23、及控制技术基础 ,然后进行试验验证并对研究成果进行验证与修正 指导实践 .项目研究思路清晰 ,技术路线可操作性强 . 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 来进行煤矿重大动力灾害防治的应用基础研究,并以国家科技攻关 ,科技行动专项为依托 ,较传统理论与技术研究方法有突破 ,具有可行性 .4. 创新点与特色本项目与国内外以往研究相比 ,具有鲜明的特点 ,具体表现在 :（1）研究对象的特色 :针对目前世界上最复杂多变煤层及瓦斯赋存条件 的我国煤矿生产条件研究构造控制瓦斯和构造煤的分布 ,并利用高分辨 三维地震勘探办法研究对构造煤和瓦斯富集区的波形特征 ;针对世界上 大空

24、间快速推进的我国特有开采方式 （大采高,放顶煤开采 ）,研究煤岩变 形 ,破坏特征及裂隙演化机制 ;针对世界上煤与瓦斯突出和瓦斯煤尘爆 炸最严重的我国煤矿特点研究灾害演变规律和灾变效应 ;这些研究成果 全部具有自主知识产权 ;(2) 研究内容的特色 :在国内外组织一支优秀科技队伍专门研究预防煤 矿瓦斯灾害基础是第一次 ,研究内容由定性向定量化转化 ,包含的广度 和深度也是第一次 ;(3) 研究手段和关联行动的特色 :集中各相关研究单位的设施优势共同 研究预防瓦斯灾害的基础 ,而且这些单位大部分是本领域国家科技攻关 项目以及科技部 " 煤矿安全生产科技行动专项 " 的执行单位

25、 ,基础研究与 技术研究同步 .本项目的创新点 :(1)研究思路的创新 .针对我国煤层复杂的地质构造 ,多变的瓦斯赋存特 点,高强度大空间的开采方法诱发的煤岩瓦斯动力灾害和瓦斯煤尘爆炸 开展两类重大灾害的演化规律 ,致灾机理以及预测预防基础研究 ,提出 了" 研究四个特性 -建立三个演化机制 -构建三个效应理论 -形成一个理论 体系 -突破四个关键科学问题 -奠定预防瓦斯灾害及抗灾能力建设评估 基础的学术思路 ,在煤矿重大瓦斯灾害研究中将宏观动力学机制与微观 动力学机制的分析融为一体 ,为以知识创新带动技术创新奠定了重要基 础.(2)实验手段的创新 :采用具有国际先进水平的物理 ,化

26、学多参数测试实 验仪器进行实验室与现场测定 ,利用多种物理场实验模拟系统以及具有 实际规模巷道和管道网络特性的瓦斯煤尘爆炸实验模拟系统,研究含瓦 斯煤体物理力学特性 ,煤岩瓦斯动力灾害 ,瓦斯 (煤尘)爆炸机理及传播规 律等基础理论问题 ,实现特定灾害事故现象 (煤与瓦斯突出 ,瓦斯爆炸 )的 实验室再现和实验现象的动态测试与实时数据采集 .(3) 研究成果创新 : 矿区地质构造控制突出危险区分布的演化及预测 探测理论 ; 含瓦斯煤的物理力学定量化描述及本构关系 ; 大空间快 速推采条件下裂隙场演化及分布规律以及瓦斯流动理论; 煤与瓦斯突出演化机制及定量化描述机理 ; 突出瓦斯煤流运动规律及动

27、力效 应理论 , 冲击地压发生条件 ; 点火能量与环境条件和气固成分耦合关 系; 巷道网络受限空间条件下瓦斯爆炸火焰和压力温度传播机制及 试验设施尺度效应 ; 采动和构造条件下声发射与电磁辐射 ,物理参数 的变化规律 .5. 课题设置(1) 课题设置的基本思路 根据项目的研究思路和总体目标 ,本着突出重点 ,强调有机联系的原则 , 围绕拟解决的关键科学问题 ,按照已确定的研究内容 ,充分考虑学科 ,研 究方法和途径等方面的区别与内在联系以及项目总体的系统性和课题 分解,成果的相对独立性进行课题设置 ,共设置为 6个课题开展研究 . 各课题之间及课题与关键科学问题 ,学术思想 ,课题设置及项目总

28、目标 之间的关系如图所示 .地质构造控制构造煤 ,瓦斯和突出危险区的演化和作用机制 ,探测构造 煤,瓦斯富集区的基础等内容是 "煤矿瓦斯地质区域动力学特性 " 的研究 内容,对应"煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机理 "的科学问题 ,设立课题一 : 煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机理 ;瓦斯对煤岩体的损伤 ,渗透特性的影响及含瓦斯煤岩本构关系 ,失稳条 件等内容是 "含瓦斯煤岩体物理力学特性 "的研究内容 ,对应 "采动裂隙 场时空演化与瓦斯流动场耦合效应 ,煤岩瓦斯动力灾害演化机制及地球 物理响应规律 " 的科学问题 ,是

29、这两个科学问题的共性基础 ,为此设立课 题二:含瓦斯 换行煤岩体物理力学特性及本构关系 ; 采动条件下煤岩层的垮落 ,裂隙及瓦斯在裂隙场中的流动规律 ,采空冒 落区瓦斯运移规律等是 " 采动裂隙场演化及瓦斯流动效应 "的主要研究 内容,对应"采动裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应 "的科学问题 ,为 此设立课题三 :采动裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应 ; 煤与瓦斯突出机理及突出煤岩与瓦斯流的运动规律,动力效应 ,冲击地压形成的条件 ,机制及影响因素等是 "煤岩瓦斯动力灾害演化机制及煤 岩瓦斯动力灾害效应 "的主要研究内容 ,对应

30、"煤岩瓦斯动力灾害演化机 制及地球物理响应规律 " 的科学问题 ,为此设立课题四 :煤岩瓦斯动力灾 害的动力学演化作用机理 ;煤岩破裂过程及动力灾害的电磁辐射 ,声发射 , 煤岩物理参数的变化规 律及前兆信息的数学物理模型等内容是 " 煤岩瓦斯动力灾害演化机制 及煤岩瓦斯动力灾害效应 "的主要研究内容 ,对应 "煤岩瓦斯动力灾害演 化机制及地球物理响应规律 "的科学问题 ,为此设立课题五 :"煤岩动力灾 害演化过程的地球物理响应规律 "点火能量与环境条件等耦合量化关系 ,爆炸与火灾行为转化机制 ,巷道网络条件下瓦斯

31、爆炸火焰和爆炸波的传播规律等是 "点火能量与环境 条件及气固成分特性 ,瓦斯煤尘爆炸热动力学特性 ,瓦斯煤尘爆炸动力 效应"的研究内容 ,对应 "瓦斯煤尘爆炸动力学演化机制 "的科学问题 ,为 此设立课题六 :"瓦斯(煤尘 )爆炸动力学演化及多相耦合效应 " 通过六个课题的研究 ,形成 "一个预防瓦斯灾害基础理论体系 ",奠定预防 瓦斯灾害及抗灾能力建设评估基础 ,有效地带动本领域的技术创新 .(2) 课题研究的主要内容和目标 课题一:煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机理 目标 :认识构造控制瓦斯分布的作用机理及规律,揭

32、示构造煤的成因和分布规律 ,构造对煤与瓦斯突出等动力灾害的控制作用,建立煤层瓦斯灾害危险区的构造控制理论 ,为预测瓦斯灾害危险区域及其预防瓦斯技 术的研发奠定理论基础在SCI,E刊物和国内外核心刊物上发表20篇以 上科学论文，出版学术著作12部.主要研究内容 : 针对我国煤矿瓦斯灾害区域分布基础研究存在的问题 ,围绕构造煤 ,瓦 斯分布和煤与瓦斯突出危险区域分布的构造演化及控制问题开展基础 理论研究 .主要研究内容为 : 构造控制瓦斯分布的作用机理及规律 .研究典型地质构造条件下以 及多种构造耦合条件下煤层动力学原理与煤层瓦斯富集规律,煤层瓦斯富集过程中的吸附 -解吸-扩散-渗流的动态演化过程

33、 . 构造煤的成因和分布规律 . 研究不同应力 - 应变环境下 ,不同类型构造 煤的形成机制及其与构造的耦合机理 ,系统分析不同类型构造煤的区域 和层域分布规律 ,揭示构造动力学控制构造煤分布和构造煤结构的内在 机理,确定我国主要煤层构造煤形成的构造环境条件及其主要控制因素 建立构造煤发育与瓦斯突出的地质构造控制理论 . 构造对煤与瓦斯突出等动力灾害危险区域的控制作用 . 研究构造煤 的"宏观-微观"多尺度裂隙和孔隙系统特征及其与构造演化过程与程度 的关系 ,研究复杂环境条件下含瓦斯构造煤的吸附-解吸动力学过程及其与瓦斯突出灾害的关系 ,提出煤与瓦斯突出构造控制作用机理与规

34、律 建立煤矿煤与瓦斯突出危险区域分布的瓦斯地质理论与方法 . 含瓦斯煤岩体的三维地震波响应特征.研究含有不同瓦斯量 , 不同构造和构造煤的三维地震波吸收 ,反射和传播特征 ,三维地震波的滤波以 及三维三分量辨识 ,建立构造煤和瓦斯富集区以及煤与瓦斯突出危险区 辨识的三维地震探测方法 .课题二:含瓦斯煤体物理力学特性及本构关系目标 :建立含瓦斯煤的本构关系及破坏准则,得出煤岩体卸荷破坏的尺度规律,为裂隙演化规律和煤与瓦斯突出动力灾害演化规律研究提供共 性基础.在SCI,E刊物和国内核心刊物上发表15篇以上科学论文. 主要研究内容 : 研究瓦斯对煤岩体的损伤作用机理及对煤岩体渗透特性的应力响应 规

35、律; 研究含瓦斯煤岩流变 -突变规律及其本构关系 ,含瓦斯煤体峰后渗透 性及失稳破坏条件 ,建立含瓦斯煤体动力学失稳判据 ; 研究含瓦斯岩体及含瓦斯岩块力学特性进行比较, 得到含瓦斯煤岩力学特性的尺度效应 ;研究外加物理场对含瓦斯煤体吸附,解吸特性的作用机制.课题三:采动裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应 目标:揭示采动影响煤岩体的裂隙时空演化及采动影响空间的瓦斯流动 规律 ,建立采动裂隙场与瓦斯流动耦合的理论体系.为预测瓦斯涌出及高效抽采瓦斯技术的研发奠定基础在SCI,EI刊物和国内核心刊物上发 表20篇以上科学论文，出版学术著作12部.主要研究内容 : 研究采动条件下煤岩层的垮落与破坏机制

36、及煤岩体裂隙时空演化与 分布规律 ,建立煤岩层垮落 ,裂隙,变形与相关参数的关系 ,阐明裂隙发育 与分布特征 . 研究采动裂隙场对瓦斯流动的作用机制,瓦斯在采动煤岩体裂隙场中的流动规律 ,得出瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律 建立采动煤岩体裂隙中瓦斯流动理论与数值计算方法 . 研究采空冒落区空间瓦斯流动的特点及规律 ,采煤工作面边界条件 对采空冒落区内瓦斯流动的作用 ,采空冒落区不同部位外加流动场条件 下的瓦斯流动规律 .课题四:煤岩瓦斯动力灾害的动力学演化机理 目标 :基本认识煤与瓦斯突出 ,冲击地压的发生机理和致灾机理 ,掌握煤 与瓦斯突出 ,冲击地压的发生规律 ,为预测预防煤

37、与瓦斯突出和冲击地 压技术的研发奠定基础 .在国内核心刊物上发表 20 篇以上科学论文 ,出 版学术著作 1 部.主要研究内容 : 研究煤与瓦斯突出机理及其发生发展过程中各参数之间的相互关系 , 瓦斯,煤体 ,应力之间的耦合作用 ; 研究煤与瓦斯突出煤岩与瓦斯流在采掘空间的运动规律,动力效应及其向瓦斯煤尘爆炸等灾害的转化条件 . 研究采动影响下冲击地压形成的条件 , 机制及影响因素 . 课题五:煤岩动力灾害演化过程的地球物理响应规律 目标 :揭示煤岩破裂过程及煤岩动力灾害的地球物理场响应特征,规律及机理 ,建立煤岩瓦斯动力灾害多信息辨识准则 ,为实现煤岩动力灾害 四维 （时间和空间 ）监测及预

38、警技术的研发奠定理论基础 .在换行 SCI,EI 刊物和国内核心刊物上发表 25篇以上科学论文 ,出版学术著作 2 部. 主要研究内容 : 研究并揭示煤岩破裂过程及煤岩动力灾害的地球物理场（电磁辐射 ,声发射 ,煤岩物理参数等 ）响应特征 ,规律及机理 ,建立煤岩破裂前兆信息的 数学物理模型以及煤岩瓦斯动力灾害多信息辨识准则 ,为实现煤岩动力 灾害监测及预警奠定理论基础 : 课题六:瓦斯（煤尘）爆炸动力学演化及多相耦合效应目标 :揭示甲烷与多种气体共存及气固两相介质条件下的瓦斯（煤尘）爆炸突变机理和井下巷道网络条件下的爆炸传播规律,建立瓦斯煤尘爆炸及其传播的理论模型 ,为开发煤矿瓦斯煤尘爆炸模

39、拟验证,事故调查分析,预测控制瓦斯 （煤尘 ）爆炸技术奠定基础 .在国内核心刊物上发表学术 论文20篇以上，出版学术著作12部.主要研究内容 : 研究点火能量与环境条件 （压力 , 温度 , 风流等 ）, 气体和气固成分之间 的耦合效应 ,建立耦合量化关系 . 研究瓦斯爆炸与火灾行为相互转化机制 ,揭示燃烧 ,爆燃,爆轰各阶段 的演化规律和动力学特征 ,建立相互转化的条件 . 研究巷道网络条件下 （具有煤矿井下实际巷道尺度 ,壁面粗糙度 ,弯道 和变坡 ,瓦斯分布特征的巷道网 ）瓦斯爆炸火焰和爆炸波的传播规律 ,瓦 斯爆炸过程中热动力学特征 ,中间瞬态产物变化规律及其对爆炸传播的 作用机理 ;

40、研究瓦斯 （煤尘 ）爆炸传播过程的尺度效应 ,建立尺度效应对爆 炸传播参数影响的关系 .（3）课题承担单位及经费比例 课题承担单位 ,负责人 ,经费比例详见下表 .课题名称承担单位负责人主要学术骨干全时 人数经费比例(%)煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机理 河南理工大学 ,中国矿业大学 (北京 ) 刘明举苑春方张子敏,王继仁,岳建华,崔永君914含瓦斯煤体物理力学特性及本构关系中国矿业大学 ,重庆大学何学秋尹光志聂百胜 ,王宏图赵旭生 ,张兴华914 采动裂隙场时空演化与瓦斯流动场耦合效应 煤炭科学研究总院 ,中国矿业大学 齐庆新程远平 张华兴,杨胜强,梁运培,霍中刚1315煤岩瓦斯动力灾害的动力

41、学演化机理 煤炭科学研究总院 ,中国矿业大学 胡千庭蒋承林康立军,王魁军,孙东玲,窦林名1425 煤岩动力灾害演化过程的地球物理响应规律 煤炭科学研究总院 ,中国矿业大学 文光才王恩元 吴燕清,刘贞堂,邹银辉,孟贤正1116 瓦斯（煤尘）爆炸动力学演化及多相耦合效应 中国矿业大学 ,煤炭科学研究总院 林柏泉罗海珠 张延松,李增华,蔡周全,周心权1016四,年度计划研究内容预期目标第一年 组建项目专家组和管理组 ,制定项目运作 ,协调和管理方案 ,完成课题及 专题的详细论证 ,编制课题和专题的计划任务书 ,落实具体研究计划 ,全 面启动研究工作 .针对各课题的研究需求 ,开展并基本完成实验系统建

42、立 ;广泛汇聚全国 煤矿瓦斯赋存 ,瓦斯地质动力学特征 ,煤与瓦斯突出 ,瓦斯煤尘爆炸 ,冲击 地压等的研究与开发资料 ,为全面开展实验工作做好准备 . 制定项目及课题实施方案 ,落实试验地点 ,建立完善的实验测试系统 ,完 成资料收集 ,整理和分析 ,全面启动项目研究工作 . 完成实验样品的采集加工 ,得到含瓦斯煤体的力学特征 . 研究得出煤岩变形破裂过程的声发射 ,电磁辐射效应 ,特征 ,规律. 得出点火能量与瓦斯燃烧爆炸的关系 ,初步得出煤矿瓦斯着火模式 ,得 到高温 ,高压条件下瓦斯爆炸特性变化规律 .第二年 研究瓦斯赋存和构造煤形成的瓦斯地质条件与展布规律 ,典型地质构造 条件下以及

43、多种构造耦合条件下煤层构造动力学原理与煤层瓦斯赋存 综换行 合动态模拟 ,瓦斯富集煤的三维地震波动特征 ; 研究含瓦斯煤的物理力学特性 ,研究瓦斯对煤岩体的损伤作用机理 ,含 瓦斯煤峰后物理力学特性 ,含瓦斯煤岩体渗透特性的应力响应规律 ; 研究采动引起围岩变形和破断的规律以及由此引起的岩体裂隙时空演 化及分布规律 ,外加物理场煤层渗透特性 ,采空区渗透特性 ; 研究煤矿井下的动力现象分类 ,含瓦斯软煤中的突出动力学模型 ,突出 的发生与发展过程模拟 , 地应力及瓦斯压力在突出过程中的作用 ,突出 发生过程中瓦斯煤流的运动规律 ;研究采掘空间煤柱型和顶板型冲击地压发生的条件,不同顶板 ,煤层条

44、件下煤岩变形破裂过程的能量辐射 （响应信号 ）效应 ,特征,规律及产生机 理;原生煤岩状态物理参数变化规律 ;研究瓦斯煤尘成份 ,环境条件 ,点火能量的耦合关系 ,燃烧爆炸的演化规 律,爆炸过程中爆炸波结构及火焰传播规律 ,热量 ,质量的输运规律 ,壁面 热效应及其对瓦斯爆炸传播特性的影响 .建立煤层瓦斯富集和瓦斯赋存的构造控制模式 ,得出瓦斯富集区的地震 波动特征 ;得出含瓦斯煤体的流变实验特征规律 ,高压条件下煤对瓦斯的吸附解吸 实验规律 ,外加场对煤体瓦斯吸附 ,解吸的作用规律和机理 ;瓦斯气体对 煤体腐蚀损伤的宏微观作用规律和作用机理 ;初步提示模拟采动条件下煤岩体应力场 ,位移场 ,

45、裂隙场的时空演化及 分布规律 ,确定煤岩体裂隙中瓦斯流动数值计算方法和采空区瓦斯流动 及涌出规律的监测方法 ;提出关于突出机理新的假说 ,基本揭示煤层瓦 斯在整个突出过程中的来源问题 ;掌握构造应力对冲击地压发生的影响 规律 ,从本质上理解构造型和重力型冲击地压含义 ,从而为有针对性的 防范冲击地压发生提供理论指导 ;研究并揭示煤岩变形破裂过程的能量辐射机理 ;建立煤岩产生电磁辐射 声发射的数学物理模型 ;研究并揭示物性参数 ,弹性波参数等煤岩状态 物理参数变化规律 .阐明单一组份气体对瓦斯爆炸的作用机制 ,获得我国煤矿瓦斯成分及高 温脱附气体总体情况 ;揭示点火能量与环境条件 （压力,温度,

46、风流等 ）,气 体和气固成分之间的耦合效应 ,甲烷与多种气体共存及气固两相介质条 件下的瓦斯爆炸与火灾行为相互转化机制 .组织一次学术研讨会 ,与 973 项目 "中国煤层气成藏机制及经济开采基 础研究 "研究人员交流取得的最新进展和研究成果 .发表学术论文 30 篇,培养本专业博士 10 名.第三年研究构造煤在不同应力 -应变环境下 ,不同类型构造煤的形成机制及其 与构造的耦合机理 ,系统分析不同类型构造煤的区域和层域分布规律,确定我国主要煤层构造煤形成的构造环境条件及其主要控制因素,形成构造煤的构造成因分类 ,构造煤的三维地震波动特征研究 ,瓦斯灾害危 险区的构造控制特

47、点与规律 ,建立构造煤发育分布的地质构造控制理论 研究含瓦斯煤岩流变 -突变规律及其本构关系及峰后渗透性及失稳破坏 条件 ,建立含瓦斯煤体动力学失稳判据 ;研究含瓦斯煤岩力学特性的尺 度效应;建立煤岩层垮落 ,裂隙 ,变形与相关参数的关系 ,阐明裂隙发育与分布特 征 ,得出瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律,采空冒落 区瓦斯运移规律 ,外部环境对采空冒落区内瓦斯流动的影响 ; 研究石门揭煤和煤巷掘进条件下的突出力学模型 ,煤与瓦斯突出发生发 展过程中各参数之间的相互关系 ,瓦斯,煤体 ,应力之间的耦合作用 ;煤与 瓦斯突出煤岩与瓦斯流在采掘空间的动力效应 ;研究冲击地压发生的机理及能

48、量聚集与释放规律 ; 研究煤岩瓦斯动力灾害演化过程的前兆信息特征及变化规律 ,采掘空间 煤岩体冲击动力震动 ,声电等物理场效应 ,研究采动及构造影响下煤岩 破裂过程的电磁辐射 ,声发射 ,煤岩物理参数的变化规律 , 建立煤岩破裂 前兆信息的数学物理模型 ;研究点火能量与环境条件 （压力,温度,风流等 ）,气体和气固成分之间的耦 合效应 ,建立耦合量化关系 .研究瓦斯爆炸与火灾行为相互转化机制 ,揭 示燃烧 ,爆燃,爆轰各阶段的演化规律和特征 ;研究巷道网络条件下瓦斯 爆炸火焰和爆炸波的传播规律 .得出构造煤的成因和分类方法 ,建立构造煤发育分布的地质构造控制理 论,提出构造煤地震勘探方法 ;得

49、出含瓦斯煤体的突变破坏特征 ,含瓦斯煤体的尺度效应规律和对煤体 力学性能腐蚀损伤作用的量化特征规律 ;进一步揭示采动煤岩体的垮落与破坏机制及煤岩体裂隙时空演化与分 布规律 , 获得瓦斯流动与煤岩体裂隙耦合的时空演化及分布规律 . 建立新型的石门揭煤突出预测理论基础 ;初步认识采面突出的主要影响 因素 ;基本认识煤与瓦斯突出发生时的突出气流状态参数及传播规律;建立采矿工艺参数对煤岩体应力及冲击地压发生的影响规律 ; 研究并揭示煤岩瓦斯动力灾害演化过程的前兆信息特征及变化规律;建立煤岩动力灾害前兆信息的数学物理模型 . 揭示瓦斯爆炸与火灾行为相互转化机制 ,获得不同瓦斯气体状态下的引 爆参数 ;阐明瓦斯爆炸后致灾性中间气体产物的生成动力学规律.组织一次预防煤矿瓦斯灾害方面的国际学术研讨会.发表学术论文 30篇，出版专著12部，培养本专业博士 10名.