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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①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.②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.③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.④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① 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,阐明裂隙发育与分布特征.② 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.③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①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-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.② 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.③ 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① 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
