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 近年来,实验室重视地质科学、安全技术及工程和采矿工程等多学科的交叉和融合,紧紧围绕煤炭安全开采中的瓦斯灾害问题,开展基础和应用基础研究,促进了瓦斯地质新学科的发展,形成了瓦斯地质理论与技术、瓦斯灾害防治理论与技术、瓦斯抽采理论与技术、瓦斯灾害演化与抢险救灾等四个重点研究方向,这些方向的研究工作与煤炭安全生产密切关联,既是实验室的优势方向,又符合河南省煤炭工业和地方经济以及科技发展的战略需要,实验室拟围绕这四个特色和优势方向开展研究工作。
 1、瓦斯地质理论与技术
 (1)瓦斯地质规律与瓦斯赋存构造逐级控制理论
 瓦斯地质规律研究是瓦斯地质学的核心内容,是揭示瓦斯与地质内在联系的科学,是瓦斯预测的基础。不同矿区、矿井、采区采面,不同煤田,不同时代的含煤地层,有着各自的瓦斯地质规律。搞清瓦斯地质规律,瓦斯预测和瓦斯治理就迎刃而解。煤层瓦斯赋存状态是历经多次构造运动构造演化作用的结果,只有搞清瓦斯赋存的多尺度构造控制,才能搞清各尺度的瓦斯地质规律。运用板块构造理论和区域地质演化理论,研究区域构造如何控制矿区构造,矿区构造如何控制矿井、采区和采面构造,做到瓦斯赋存的构造控制解析,从而逐级圈定构造挤压剪切带、构造煤发育区、高瓦斯区、高瓦斯带,做到逐级缩小构造复杂区的范围和煤与瓦斯突出危险区的范围,同时做到瓦斯(煤层气)抽采不同地质条件的区块分级等,理清瓦斯地质规律,在此基础上建立瓦斯预测模型,瓦斯预测和治理有的放矢。
 (2)多级瓦斯地质图编制理论和方法
 煤矿多级瓦斯地质图可分为采区、采掘工作面瓦斯地质图、矿井矿区瓦斯地质图、省(区、市)瓦斯地质图等。瓦斯地质图高度集中瓦斯地质信息,高度概括煤矿瓦斯地质规律、瓦斯灾害预测防治技术及瓦斯(煤层气)资源评价成果。把抽象的瓦斯分布变成直观的、具体的,瓦斯分区分带一目了然,随时跟踪煤矿开采、煤层气开发进展,并做到实时更新,并且可以进一步实现信息化、可视化。各级瓦斯地质图有各级的功能,综合治理瓦斯,指导煤矿安全生产。
 充分运用编制全国煤矿瓦斯地质图和1:250万中国煤矿瓦斯地质图理论和成果,开发瓦斯地质信息化软件系统,建立煤矿地质信息实时获取、快速处理的煤矿瓦斯地质信息化系统,对全国煤矿瓦斯地质信息数据和图形进行统一管理。建立全国煤矿瓦斯地质信息管理系统和煤矿瓦斯地质信息网络服务系统,并实现可视化。
 (3)构造煤与瓦斯突出煤体基础理论与探测技术
 瓦斯赋存于煤层中,而受到构造挤压、剪切作用破坏的构造煤是易突出煤体,瓦斯突出煤体是指含高能瓦斯的构造煤。构造煤具有“两高两低”的特性,制约着瓦斯抽采的难易程度、煤与瓦斯突出危险性等,因此需要搞清构造煤的特征,研究构造煤的成分、结构、性质及其与瓦斯的耦合关系,研究构造煤与瓦斯突出煤体探测技术。
 ①物性特性:表征构造煤孔隙、裂隙、光性、电性、磁性、机械强度等特性,分析瓦斯突出煤体的光、电、磁物理响应机制,为形成构造煤超前探测的地球物理方法和装备提供理论基础。
 ②化学特性:分析构造煤的大分子结构的演化规律和煤中低分子化合物组成的变化特征,探求构造煤的力化学作用地球化学标志,探讨煤在力化学作用下生烃特点,建立力化学生烃模式,寻求煤与瓦斯突出预测的化学指标。
 ③瓦斯特性:分析构造煤的分子结构特征与瓦斯和水的气-液-固相多相介质,不同温度场、应力场、化学场、流动场耦合条件下,构造煤瓦斯吸附、解吸、扩散、渗流动力学特性,探求瓦斯突出煤体致灾动力学机理。
 ④探测技术:基于物性特性、化学特性和瓦斯特性,开发构造煤与瓦斯突出煤体的探测技术。圈定煤与瓦斯突出危险区的范围,同时划分出瓦斯(煤层气)赋存区块不同的抽采地质条件。
 (4)煤与瓦斯突出地质控制机理
 基于区域构造演化和构造控制理论研究瓦斯突出煤体的分布和煤与瓦斯突出危险区的分布规律,在此基础上研究矿山开采应力场扰动、采掘失稳、地质背景劣化,瓦斯突出煤体应力、应变演化,微破裂扩展、瓦斯吸附解吸和诱导瓦斯突出的前兆规律及微震活动特性。该方向的研究结合了岩石力学和采矿工艺学参数,将瓦斯活动视为动态现象,能够更精准地解决瓦斯抽采问题。
 2、瓦斯灾害防治理论与技术
 针对我国煤矿瓦斯灾害防治的国家需求,围绕煤与瓦斯突出机理、深部矿井瓦斯灾害的监测预警、瓦斯突出灾害防治和瓦斯爆炸预防等重大问题开展研究。
 (1)煤与瓦斯突出机理
 ①构造应力场及采动应力场对突出的控制作用及规律:研究典型构造模式下的构造应力场以及采动影响下的采动应力场分布规律,特别是挤压剪切破坏带应力陡变区带和工作面前方的集中应力带与突出危险程度的关系,研究构造应力场、采动应力场及其耦合作用下对突出的控制作用和规律,揭示突出发生的应力作用机理和主控因素;
 ②突出煤岩破坏动力学作用机制:研究煤与瓦斯突出前兆过程煤岩力学性质的变化以及煤与瓦斯突出过程对煤岩的粉化和搬运作用,揭示深部开采条件下突出发生的煤体结构破坏条件;
 ③突出过程中的瓦斯运移规律和能量释放过程:研究突出发展过程中瓦斯作为突出煤体搬运承载体的动力传输过程和该过程中瓦斯气体膨胀做功的规律和能量来源,建立瓦斯能量释放与突出危险以及突出量级的影响关系,为突出危险和量级的预测提供理论方法。
 ④煤与瓦斯突出与冲击矿压的耦合作用机制:研究具有冲击倾向的煤层与瓦斯突出煤层的突出主控因素、相互诱导机制及诱导的瓦斯地质条件。
 (2)矿井瓦斯涌出量预测理论与方法
 ①多场耦合条件下的瓦斯流动理论与数值模拟方法:建立构造应力场、采动应力场和采动裂隙场下气-固耦合运移模型,模拟采掘工作面、邻近煤岩层及采空区瓦斯流动规律,为瓦斯涌出量预测奠定理论基础。
 ②采场空间瓦斯积聚与分布规律:以空气动力学和渗流扩散理论为基础,研究采掘空间和采空区瓦斯运移、积聚规律。
 ③瓦斯异常涌出的基础理论及规律:研究冲击矿压、顶板周期来压和顶板垮落的动力破坏作用,模拟煤岩动力灾害过程瓦斯急剧运移的通道和运移规律,建立相关预测模型。
 ④瓦斯涌出动态预测理论与方法:结合深部煤层瓦斯赋存与瓦斯涌出新的特征,研究矿井瓦斯涌出来源及其涌出的时空特性,借助虚拟仿真和图形图像技术,建立适合深部煤层开采技术条件下的瓦斯涌出动态预测理论与方法,弥补“分源预测法”和 “瓦斯地质数学模型法”等现有瓦斯涌出量静态预测方法的技术缺陷,提高矿井瓦斯涌出量预测的准确性。
 (3)煤与瓦斯突出监测预警
 ①突出预测敏感指标研究:研究在大采深条件下不同破坏类型、不同变质程度煤体在不同环境条件下(温度、水份、灰份)的解吸-吸附规律以及与煤层瓦斯解吸指标和突出危险性关系,结合现场工程问题,筛选不同煤层条件突出预测敏感指标,提高指标的适应性和有效性。
 ②突出区域预测与工作面预测的融合理论:以煤与瓦斯突出的综合作用假说为基础,通过实验室实验和现场考察,分析煤与瓦斯突出常规区域预测指标和工作面预测的内在联系,筛选融合两类预测指标,提出突出预测的统一预测方法和指标体系。
 ③煤岩动力灾害的地球物理响应与监测预警:深入研究煤体的地球物理特征和煤与瓦斯突出的微震、电磁辐射、声发射和红外信息的前兆特征、检测方式和判识准则,为煤岩动力灾害的连续监测预警奠定基础。
 (4)瓦斯灾害防治关键技术
 ①突出煤层快速消突技术:深入研究水力化防突措施(水力挤出、水力掏槽、水力冲孔、水力割缝和水力压裂等)下煤岩层应力变化与裂隙场时空演化规律、瓦斯解吸-渗流和运移规律,建立煤岩-水-瓦斯三相耦合作用模型,完善水力化消突机理和消突效果,优化配套工艺参数和装备,实现突出煤层的超前解危。
 ②瓦斯与火灾耦合致灾理论:建立瓦斯与火灾交叉事故模型,定性分析危险因素控制及消除措施;研究采空区上覆煤岩裂隙发育分布规律,建立卸瓦斯抽采过程中的采空区漏风流场数学物理方程及其边界条件;综合考虑煤自燃发火因素及瓦斯积聚原因,系统地确定有利于进行瓦斯抽采与自燃火灾防治的综合理论与技术。
 ③强突出煤层高效区域消突技术:研究强突出煤层的地应力、煤质、透气性和瓦斯吸附特性,探讨煤层强制压注N2或CO2的消突效果和作用机理、注水湿润煤体消突的效果和机理,形成集“穿层钻孔、水力增透、气体置换(驱替)和注水湿润”于一体的强突出煤层高效区域消突技术。
 3、瓦斯抽采理论与技术
 针对我国高瓦斯突出煤层“两高两低”的特点,在低渗煤层瓦斯抽采增透机理研究、煤矿井下瓦斯高效抽采理论与技术和井上、下协调抽采理论与技术等三个方面开展研究工作。
 (1)低渗煤层瓦斯抽采增透机理研究
 ①低渗煤层瓦斯(煤层气)赋存、运移、产出机理:研究构造煤双直径球型孔隙几何模型、两级扩散数理模型,深层次揭示构造煤煤层瓦斯的赋存、运移、产出机理,为开发工艺的选择提供理论支撑。
 ②虚拟储层强化工艺的作用机理:根据岩体力学性质、地应力场方向与大小、泵注压力与排量参数,揭示压裂过程中裂缝的形成机理,探讨采矿过程中随压力场变化裂缝的演化规律。建立虚拟储层强化工艺条件下煤层气运移、产出数理模型,优化工艺参数,定量预测煤层气井产能。
 (2)煤矿井下瓦斯高效抽采理论与技术
 ①松软突出煤层深孔钻进理论与技术研究:研究串联钻穴内钻渣运移堵塞机理,视频探测钻穴的几何类型,建立孔内钻渣两相流动数学模型和物理实验模型,为新型钻具研制提供理论支持和试验平台。研究钻孔布局及其在时间、空间上的相互关系,通过钻孔布局控制钻穴的发生,为本煤层瓦斯抽采和掘进巷道瓦斯抽采提供钻孔布局设计理论。
 ②钻孔抽采瓦斯浓度控制技术:以钻孔卸压后应力场、裂隙场合流场再分配规律为基础,形成配套封孔技术,建立标准化联管系统,通过控制抽采负压实现商品浓度瓦斯的抽采,从而避免高负压的漏气和煤层自燃现象,实现井下抽采治理瓦斯和资源利用双重目的。
 ③井下煤层与虚拟储层强化增透技术:对于煤体结构相对完整的原生结构煤和碎裂煤储层,研究本煤层穿层或顺层钻孔压裂技术并实施增透;对于难以形成完整钻孔的破坏严重的碎裂煤和糜棱煤煤体,基于地面煤层气虚拟储层压裂强化理论,研究顶底板围岩压裂、增加顶底板岩层透气性的技术,提高抽采效率。
 (3)矿井上、下煤层气协调抽采理论与技术
 ① 采矿过程中煤岩应力场、裂隙场、瓦斯流场动态演化规律:研究采矿过程中煤岩应力场与裂隙场的演化规律,及其与瓦斯流动场的耦合关系,为煤层气抽采工艺选择和参数优化提供依据。
 ② 煤层气地面开发装备研制:针对我国目前煤层气开发现状,研制智能型煤层气排采装备,如适应于煤层气排采的电潜泵、开关磁阻电机驱动的新一代抽气机等。
 ③ 井上、下煤层气协调开采技术:研究采动煤岩三场演化过程及其对井上下抽采影响的特征;探索地面抽采与井下抽采之间的有效匹配模式,研究煤炭高效开采与井上下瓦斯高效抽采之间的合理时空关系;建立井上下瓦斯协调抽采设计理论及抽采设计方法。
 4、瓦斯灾害演化与抢险救灾
 该方向面临的关键科学问题是煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃烧等重大瓦斯灾害发生后对通风系统的破坏及灾害之间的相互演化规律和伤害机理,瓦斯灾害危险的判识和抢险救灾决策关键理论和技术。
 (1)瓦斯爆炸、瓦斯突出的灾害演化规律
 ①煤与瓦斯突出的动力效应研究:不同突出强度的能量、冲击波和瓦斯量研究等;煤与瓦斯突出的破坏效应:瓦斯突出爆炸对通风系统的扰动和风流紊乱态势;突出灾害的演化:瓦斯突出过程中瓦斯在复杂风网中的传播规律及诱发瓦斯(煤尘)爆炸等灾害的转化条件等。
 ②瓦斯爆炸(燃烧)传播规律与伤害机理:研究瓦斯燃烧和瓦斯爆炸阶段演化规律、动力学特征和转化机制;研究瓦斯爆炸条件参数的耦合作用机制及抑制瓦斯爆炸的理论和方法;研究瓦斯爆炸在复杂风网中传播、衰减规律和破坏效应;研究瓦斯爆炸诱发的有毒有害气体的传播规律以及伤害模型。
 (2)瓦斯与火共存条件下瓦斯爆炸的抑制机理及技术
 ①采面瓦斯燃烧爆炸致灾因素理论分析。
 ②细水雾抑制瓦斯燃烧爆炸的最佳雾场实验研究基础上,建立不同雾场特性与瓦斯燃烧爆炸的耦合关系。
 ③研制适合采面的瓦斯爆炸细水雾抑爆技术及装备研究。
 (3)瓦斯灾害抢险救灾理论与技术
 ①研究灾害的范围、危险程度判断以及受灾人员的位置和生存条件;
 ②模拟灾区风流流动规律、伤害和二次致灾条件,以及灾区环境参数的监控理论与技术;
 ③建立基于GIS的应急救援指挥决策系统,以及基于灾害事故模拟、危险源辨识、可视化事故再现及救援理论与技术研究,建立完善可靠的瓦斯灾害事故的应急救援指挥决策系统,提高矿井抗灾救灾能力、指挥决策水平和煤矿抢险救灾的技术水平。
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