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1、河 南 理 工 大 学研 究 生 学 位 论 文 开 题 报 告学 号： 110601010103 姓 名： 刘彦伟 学 位 类 别： 工学博士 学 科 、 专 业 ： 安全技术及工程 研 究 方 向： 瓦斯灾害防治 导 师 姓 名： 刘明举 填 表 日 期： 2008.11 河南理工大学研究生处制说 明1. 抓好研究生学位论文的开题报告是保证论文质量的一个重要环节。为了加强对研究生培养的过程管理，规范研究生学位论文的开题报告，特印发此表。2. 研究生一般应在结束课程学习之后的第一个学期内通过文献调研，主动跟导师讨论，完成学位论文的开题报告。3. 研究生的学位论文开题报告，应该在学位授予点（或
2、相应的研究室，教研室）组织的学术报告会上报告，听取意见，论证后再填写此表。4. 此表经过导师和有关人员签字后，一式三份，交研究生工作秘书处，研究生工作秘书汇总后，交研究生处培养办公室一份（备查） 。5. 研究生在申请学位论文答辩时，必须提交研究生工作秘书处的那份开题报告。6. 本报告存入研究生技术档案，是学位评定材料之一，填写要认真，要求用5 号宋体字体，A 4 纸双面打印，如栏内填写不下，可另加附页。1研究题目：构造煤瓦斯解吸规律与放散模型研究课题来源：国家重点基础研究发展计划（973 计划）课题“煤矿瓦斯灾害的地质构造作用机理” 、 河南省杰出人才计划“构造软煤特征与配套探测技术研究”一、
3、文献综述与选题依据（选题的理论依据和实用价值、前人在本研究领域的成果、国内外目前的研究动向及进展） ，并列出主要参考文献目录（以“文献综述”中出现先后为序进行编号，且编号与“文献综述”中标注一致，书写格式按国标 GB7714-87 执行，要求参考文献：博士研究生不少于 50 篇，硕士研究生不少于 30 篇；其中外文文献：博士研究生不少于 30篇，硕士研究生不少于 15 篇）：（可加附页）1、研究目的、意义我国煤炭资源最为丰富，是世界第一产煤大国，煤炭产量占世界的 37%。煤炭是我国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的 76%和 69%，预计 2050 年仍将占 50%以上 1，“十一五”
4、期间，随着国民经济快速发展，煤炭工业面临着新的发展机遇，也面临严峻挑战，综合考虑经济结构调整、技术进步和节能降耗等因素，预测 2010 年全国煤炭需求总量为 26亿吨 25，即煤炭在相当长的一段时期内将一直是我国居支配地位的主要能源。因此，煤炭工业是我国的基础产业，其健康、稳定、持续地发展是关系到国家能源安全的重大问题。但我国煤炭资源绝大部分埋藏深，煤炭赋存条件复杂，自然灾害较为严重，不适合露天开采，95% 以上是矿井开采。同时我国生产技术条件和装备总体比较落后等决定了煤矿安全问题仍是制约煤炭工业发展的突出问题 6。每年的事故灾害造成的死亡人数如将小煤窑计算在内均超过万人、造成直接经济损失近百
5、亿元 7。我国煤矿灾害中，瓦斯灾害尤为严重，据统计，全国 620 处重点煤矿中，煤与瓦斯突出和高瓦斯矿井约占 54%，而且随着开采深度和强度的加大，原非突出煤层和一些新建矿井正在升级为突出煤层，仅 2007 年发生死亡 3 人以上煤与瓦斯突出事故 26 起，死亡 196 人，其中河南省发生 3 起，死亡 22 人，2008 年以来，河南发生了 6 起大型突出事故，死亡 96 人 8。不断发生的煤与瓦斯突出事故，与党和国家所倡导的“以人为本” 、 “建立和谐社会”的发展战略格格不入，直接妨碍了煤矿安全高效生产，阻滞了煤炭工业的持续、健康、稳定发展。大量的研究和突出实例表明，一定厚度构造煤的存在是
6、发生煤与瓦斯突出的必要条件 9。例如平煤十矿”11.12”突出点附近存在厚度为 2.5m 的构造软煤；鹤煤六矿”10.13” 突出点附近煤的坚固性系数仅为 0.090.16，瓦斯放散初速度达 2125。构造煤的孔隙率高、比表面积大、瓦斯放散能力强、解吸速度快、煤体强度低、应力敏感性强、透气性低，具备发生煤与瓦斯突出瓦斯动力学和力学性质条件，是防治煤与瓦斯突出的关键环节。同时，不同破坏程度构造煤的瓦斯解吸规律的差异性，直接影响到工作面突出危险性预测参数的准确性和瓦斯含量等基础参数的测量精度，进而影响突出危险性区域预测和工作面预测的可靠性，导致突出危险预测参数敏感性差或低指标突出事故，增加煤与瓦斯
7、突出防治的盲目性，因此，研究不同破坏程度构造煤的瓦斯解吸规律以及与突出危险性关系具有重要的理论意义和实用价值。另外，通过研究构造煤的孔隙结构特征和瓦斯解吸动力学，综合考虑扩散和渗透对瓦斯解吸过程的影响，拟建立构造煤瓦斯放散的数学模型，阐述构造煤瓦斯放散的过程和机理。22、文献综述（1）构造煤分类方法研究长期以来，对煤体结构的分类主要出于煤矿安全角度和研究目标的不同来进行的。前苏联矿业研究所 1958 年依据煤的破坏程度分为非破坏煤、破坏煤、强烈破坏煤、粉碎煤和全粉煤五类；我国防治煤与瓦斯突出细则中也将煤的破坏类型分为五类 10，与前苏联的分类方法相似。傅学海 11等则依据测井曲线将煤体结构划分
8、为原生结构煤-碎裂煤、碎斑煤和糜棱煤三类。琚宜文 12提出一套构造煤结构成因分类方案：按照脆性变形系列分为碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤、碎粉煤、片状煤、薄片煤。河南理工大学根据煤体宏观和微观结构特征，参照构造岩的分类方法，以突出的难易程度为依据，把煤体结构划分成 4 个类型 13：原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，这种分类法除较好地反映了煤体的破坏程度和突出危险性之外，摆脱了单纯形态分类的束缚，与地质学中的构造岩相联系，包含了应力应变的关系，是一种成因分类。国家十五科技攻关期间 14，河南理工大学在补充和完善原分类方案基础上，依据 f 值的聚类分析和物性参数测试，将煤体结构的四类分法退一步分为硬煤
9、和构造软煤，目的是便于生产单位推广应用和实现非接触性探测煤体结构类型。（2）构造煤的孔隙结构特征煤的孔隙是在成煤过程中形成的，煤的孔隙结构与分布是研究煤层气的赋存状态、气、水介质与煤基质间的相互作用以及煤层气解吸、扩散和渗流的基础。迄今为止，已有不少研究者对比测试了不同矿区、不同煤级的原生结构煤与构造煤的孔隙特征，大多数研究表明构造煤主要增加了中孔、过渡孔的孔容，不影响微孔的孔容，即构造变形没有影响到小于100 的微观尺度上。Hower 15研究认为构造变形不会对纳米级结构产生变化；国内最早比较构造煤和原生结构煤孔隙特征的是王佑安和杨思敬 16，根据对 29 个不同破坏程度类型煤样的压汞实验结
10、果，发现渗透孔隙体积（孔径 100-10000）随煤体破坏程度增高而增大，最大时是原生结构煤的 6.5 倍之多，其原因主要是中孔（1000-10000）体积的大幅度增大。国内学者姚多喜，张井 17,18利用压汞法证明构造煤主要增加了中孔和过渡孔的孔容，不影响纳米级孔的孔容，即纳米级孔隙结构没有发生应力变形。另外，Frisen WI 和 Mikula RJ 建立了压汞法测试多孔固体时孔体积与与压力的关系 19。徐龙君，鲜学福采用压汞法和 CO2 吸附法对突出区煤的孔隙结构特征进行了研究表明，突出区煤的孔隙率、孔容、比表面积等均随其碳原子摩尔分数的增大而增大，且上述参数均与煤样点的位置有关 20。
11、随着测试手段的改善，对构造煤中微孔的测试研究也得到了很大提高，从而有了一些与以往研究结果不同的认识。琚宜文 21采用低温液氮吸附法、高分辨透射电镜研究了华北南部构造煤的纳米级孔隙结构，阐述说明构造应力的强弱对煤孔隙特征参数的演化起到决定性作用。研究发现碎裂煤、碎斑煤及片状煤孔隙结构以开放孔和半封闭孔为主，碎粒煤及薄片煤属于半封闭孔，并有一定的开放性；揉皱煤及鳞片煤孔隙结构有一定的封闭性，糜棱煤主要为细颈瓶孔。琚宜文 22又通过 X 射线衍射和液氮吸附法对不同变质变形环境、不同变形系列构造煤的大分子结构和纳米级孔隙结构特征进行了深入研究，并结合高分辨投射电镜对大分子结合孔隙结构的直观观测，结果表
12、明：构造煤大分子结构基本单元堆砌度从低煤级变质变形环境之3高煤级变质变形环境增长较快，反映了构造变形强弱的变化；对于纳米级孔隙结构的变形，随着应力作用的增强，同一变质变形环境不同类型构造煤纳米级过渡孔孔容所占比例明显降低，微孔及其以下孔径段孔容明显增多，可见亚微孔和极微孔，过渡孔表面积所占比例大幅度降低，而亚微孔却增加的较快。煤与瓦斯突出是地应力、煤层瓦斯和煤体结构物理性质共同作用的结果。构造煤中孔隙对瓦斯突出的作用主要表现在：构造煤的孔隙率一般较高，因而可以保存更多的游离瓦斯，同时由于透气性小，渗透率低，使构造煤保持相对较高的瓦斯压力，这是瓦斯突出所需的动力条件，也是瓦斯突出的内因 23。微
13、孔和过渡孔微孔和过渡孔中的气体可以产生扩散现象。瓦斯在煤中的流动状态取决于孔隙结构和孔隙中的排驱压力，直径为 0.1-1.0m 的中孔构成了瓦斯缓慢流动的层流渗透区，直径为 1-100m 的大孔构成了速度较快的层流渗透区，直径 100m 一直更大的大孔构成了层流和紊流的混合渗透区；一般构造煤中孔隙具有 2-3 个排驱压力（突破压力） ，而原生结构煤排驱压力高，不利于瓦斯突出。构造煤瓦斯放散速度快，而其速度快慢程度与煤的微孔隙结构、孔隙表面性质和孔隙大小有关；随构造破坏类型的增高，瓦斯放散速度加快，即糜棱煤碎粒煤碎裂煤 24，瓦斯放散速度越大，越容易形成具有携带已破碎煤能力的瓦斯流，即越有利于突
14、出的发展。煤炭科学研究总院重庆分院对全国几处构造煤和原生结构煤的比表面的测试，发现随煤体破坏程度的增高比表面积升高的一般规律。构造煤比表面积的增大表明其瓦斯吸附量将增加，不少研究者已经通过实验证实了这一结论。河南理工大学的张子敏、张玉贵教授认为 25：构造煤粒度小，从而造成比表面积增大，使得对瓦斯的吸附量增大；而目前的研究认为构造煤的渗透率普遍比原生结构煤小，且随破坏程度的增大而降低，易形成瓦斯突出，不利于瓦斯抽放。具有突出危险的煤，在同样压力下，变形值大，强度小，渗透率低，是导致瓦斯突出的关键条件。（3）构造煤的裂隙发育目前研究煤中裂隙的方法有很多种，包括井下巷道井壁和手标本观察描述、测量，
15、室内有光学显微镜、扫描电镜观察法和物理测试方法。利用扫描电镜对煤裂隙进行研究已经取得了一些成果。上世纪 80 年代，焦作矿业学院利用扫描电镜对瓦斯突出煤层进行研究，对原生结构煤的超微观结构特征及突出煤层的超微观结构特征做了详尽的描述与分析，把突出煤体结构分为：网络状结构、破裂结构及蜂窝状或溶岩状结构，破裂结构又分为显微角砾状结构、团粒状或鱼籽状结构及定向排列结构。聂继红 18利用扫描电镜观察突出煤层的显微结构特征，为认识突出煤层易于发生突出的原因提供了依据,其主要表现为断口类型多，断口脊线密集，显微角砾状结构和鳞片状结构是鉴定突出危险性的一项重要指标。张慧 26在扫描电镜下对煤裂隙进行了分类及
16、特征描述。物理测试方面，石强、潘一山 27将水饱和煤样置于核磁共振仪中，利用核磁共振成像技术获取水饱和煤样的核磁共振图像，应用数值软件中的图像处理函数对共振图像进行处理分析，观察研究煤样的主裂隙特征及分布形态。在瓦斯地质研究领域，煤中裂隙的研究主要为：煤中裂隙的属性及相互关系和成因；煤中裂隙特征研究，有助于探讨煤与瓦斯的突出机理，为具有瓦斯突出倾向煤层提供预测参数。4（4）煤的瓦斯解吸规律煤体瓦斯解吸规律可以反映煤与瓦斯突出危险性及用于确定煤层的瓦斯含量。国内外学者对煤体瓦斯解吸规律进行了大量的研究工作，一方面根据瓦斯解吸规律计算瓦斯含量测定过程中的损失瓦斯量，另一方面根据解吸规律寻求突出危险预测指标及其临界值。在该研究领域，前苏联、西德、波兰、法国、澳大利亚、日本以及我国煤炭科学研究总院抚顺分院、
