深部煤與瓦斯共采理論與技術

編者按

瓦斯是賦存於煤層中的伴生氣體，隨著煤炭的開採從煤層中解析游離出來，主要成分為甲烷，是一種高效的清潔能源，同時由於其易燃、易爆的性質，也時刻威脅著煤礦的安全開採。我國瓦斯總量巨大，與天然氣總量相當，且隨著采深的增加，瓦斯含量將顯著增大。實現煤與瓦斯共采，是充分利用不可再生的寶貴能源和實現煤礦安全開採必然趨勢。

19世紀後期，英國威爾士煤礦用井下穿層鑽孔從未開採的煤層中抽采瓦斯。目前，美國是世界上開採瓦斯最成功的國家，其開發利用瓦斯無論在技術水平還是在產業化方面均居世界前列。主要原因得益於煤層透氣性好，煤層賦存結構簡單，煤層中的瓦斯易於流動和抽采。

我國的瓦斯抽采最早始於1938年，但系統的瓦斯抽采利用起步更晚。

20世紀50年代初期，在撫順高透氣性特厚煤層中首次採用井下鑽孔預抽煤層瓦斯，獲得了成功，解決了撫順礦區生產過程中的瓦斯安全問題，而且抽出的瓦斯還被作為民用燃料進行利用。

20世紀50年代中期，在煤層群的開採中，採用穿層鑽孔抽采上鄰近層瓦斯的試驗在陽泉礦區首先獲得成功，解決了煤層群開採中首采工作面瓦斯湧出量大的問題。此後，在陽泉又試驗成功利用頂板高抽巷技術抽采上鄰近層瓦斯，抽采率達60%~70%。

到了20世紀60年代以後，鄰近層卸壓瓦斯抽采技術在我國得到了廣泛的推廣應用。

20世紀70年代至90年代初，針對平頂山等礦區存在的單一低透高瓦斯煤層及有突出危險的煤層，採用通常的布孔方式預抽采瓦斯難以達到預期效果，而後陸續試驗了強化抽採煤層瓦斯的方法，如煤層注水、水力壓裂、水力割縫、鬆動爆破、大直徑(擴孔)鑽孔、網格式密集布孔、預裂控制爆破、交叉布孔等，但效果仍不理想、難以解除煤層開採時的瓦斯威脅。同時，我國先後在撫順龍鳳礦、陽泉礦、焦作中馬村礦、湖南里王廟礦等礦區還施工地面鑽孔，並且進行了水力壓裂試驗和研究，但均未取得預期效果。

從20世紀90年代至今，針對以淮南礦區為代表的高瓦斯低透氣性煤層群瓦斯賦存特徵，開展了以保護層開採為主要措施的高瓦斯低透氣性煤層瓦斯治理技術研究，建立了首采層卸壓開採巷道法煤與瓦斯共采和留巷鑽孔法無煤柱煤與瓦斯共采技術體系，依靠井下采場卸壓開採來增加煤層透氣性，顯著提高了瓦斯抽采效率，大大解放了高瓦斯低透氣性煤層所在礦區的生產力；同時，開始引進國外瓦斯開發技術，開展了瓦斯勘探、地面抽采試驗和井上下聯合抽采試驗研究，瓦斯抽采量有了顯著的提升。

雖然近年來我國煤與瓦斯共採的工程實踐取得了快速發展，在全國範圍內已形成規模，技術也在全面推廣。但是，由於我國煤層富集條件的複雜性，地下採掘誘發的采動應力場、煤岩體裂隙場及瓦斯流動場的互動性，相關技術進步主要依賴經驗，尚未形成科學性、有效性、針對性的煤與瓦斯共采基礎理論體系，面臨的共性關鍵問題主要包括：

(1)深部采動含瓦斯煤岩體破裂機制、性質、特徵及破裂程度之間的關係不清；(2)高強度大斷面集中開採和工作面推進度與瓦斯抽放量、瓦斯排放量的動態關係關聯機理不清；

(3)瓦斯在破斷煤岩體中的富集與運移規律不清；

(4)煤與瓦斯共采時空協同機制及單一高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯抽采理論與方法沒有取得實質性進展，仍屬世界難題。

這些關鍵問題的本質是理論研究欠缺、機理分析不深入，缺乏適合我國煤與瓦斯共採的理論研究，且隨著開採深度的增加，導致開採條件更趨複雜，原有安全技術及理論基礎已難以適應當前煤礦安全高效生產的迫切需求，給煤與瓦斯共采帶來了新的挑戰和問題，主要表現在：

(1) 國外瓦斯抽采方法與技術在我國應用成效差、效率低，不能適應我國高階煤和低階煤低滲透、強吸附的特點。

(2) 深部開採所面臨的瓦斯賦存條件更加複雜。

(3) 高強度集約開採導致的瓦斯湧出量激增。

為了形成科學性、有效性、針對性的煤與瓦斯共采基礎理論體系，迫切需要進一步開展研究工作，在4個主要關鍵科學問題方面取得突破，促進我國煤與瓦斯共采技術的健康持續發展。鑒於此，在國家科學技術部「深部煤炭開發中煤與瓦斯共采理論」的973計劃項目支持下。以謝和平院士為首席科學家，中國礦業大學、四川大學、中國礦業大學(北京)、重慶大學、山東科技大學、遼寧工程技術大學、煤炭科學研究總院、煤炭科學研究總院重慶研究院、煤炭科學研究總院瀋陽研究院等單位的60餘位科研人員，依託煤炭資源與安全開採國家重點實驗室、深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室、瓦斯災害應急信息技術國家重點實驗室、煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室、複雜煤氣層開採國家地方聯合工程實驗室、水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室等科研平台，開展了系統的研究工作。

5年來，研究團隊圍繞核心科學問題重點攻關，在基礎理論、關鍵技術和重大裝備三個方面進行了系統的攻關研究，取得了顯著的進步。

《深部煤與瓦斯共采理論與技術》系統給出了煤與瓦斯共採的定義，即：煤與瓦斯共採的實質就是通過合理的採煤方法產生的采動應力場，使煤岩體產生有利於瓦斯解吸、流動的破裂，形成瓦斯流動通道和富集區，更加科學有針對性地高效抽采瓦斯，達到充分抽采瓦斯的同時實現安全高效採煤的共采目的和效果。

在基礎理論方面，建立了深部煤岩體采動力學、采動增透率理論和增透圖譜和多尺度分子模擬等三個理論模型；

在關鍵技術方面，形成了瓦斯導向流動通道形成機制與人工導控技術、高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透及高效抽采技術、煤層群煤與瓦斯時空協同抽采技術等三項關鍵技術；

在重大實驗裝備方面，研製和完善了深部煤與瓦斯共采實驗系統，並使之系列化。本項目研究成果在河南平頂山礦區、河南焦煤集團、山西華晉焦煤集團等得到成功推廣應用，取得了顯著社會效益與經濟效益。

本文摘編自謝和平院士為《深部煤與瓦斯共采理論與技術》所撰寫的《序言》，內容有部分刪減和改動。

深部煤與瓦斯共采理論與技術

謝和平 林柏泉 周宏偉 等 著

北京：科學出版社，2017.01

ISBN 978-7-03-046354-8

《深部煤與瓦斯共采理論與技術》是國家973項目「深部煤炭開發中煤與瓦斯共采理論」研究成果的總結，主要內容涉及深部煤岩體采動力學、采動裂隙表徵及演化特徵、采動增透率理論和增透圖譜，深部破斷煤岩體中瓦斯解吸、運移、富集過程的多尺度建模，深部采動應力場-裂隙場-瓦斯場耦合的時空演化規律，單一高瓦斯煤層人工-采動耦合增透機制及合理抽采布置方法，瓦斯導向流動通道形成機制與人工導控技術、高瓦斯低透氣性煤層卸壓增透及高效抽采技術，深部煤與瓦斯共採的時空協同機制與理論評價方法，煤層群煤與瓦斯時空協同抽采技術等。

《深部煤與瓦斯共采理論與技術》是作者及其團隊在煤與瓦斯共采方面最新研究成果的總結，也是一本系統論述煤與瓦斯共采理論及技術的著作。該書在以下理論方面有所突破:采動條件下含瓦斯煤岩體破斷結構演化規律及時空分布特徵、破斷煤岩體中瓦斯吸附、解吸與物質流動規律、破斷煤岩體中瓦斯導向流動的形成機制及控制理論、深部煤與瓦斯共採的時空協同機制和優化理論。對今後煤與瓦斯共采領域的科學研究和工程實踐具有重要的指導意義。

（本期編輯：安靜）

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