1X - 中国煤炭学会

1、煤炭开采的基础科学问题与探索煤炭开采的基础科学问题与探索谢和平谢和平2014年年10月月16日日1.煤炭开发的采动力学理论2.煤炭开采的深部岩石力学理论3.煤炭开采的应力场-裂隙场-渗流场理论4.岩石分形重构与灾变能量理论5.致密矿藏资源开发的体破裂理论6.煤炭开采中的低碳化理论问题（CCU）2煤炭开采中的基础科学问题与探索l 煤炭资源开采实际就是一个采动力学问题，煤岩体经历完整的采动应力过程。应该把力学理论深入一点，形成真正的采动力学理论应该把力学理论深入一点，形成真正的采动力学理论1 煤炭开发的采动力学理论1H23H现有力学理论没有考虑开采应力环境和开采方式开采深度的影响e1evole31

2、e1e3l 创新思想：将采动应力场考虑到理论建模和实验过程中，从而建立全新的采动力学理论。经典三轴实验经典三轴实验(CTC)采动力学实验采动力学实验常规力学参数实验常规力学参数实验真实模拟采动影响真实模拟采动影响加载到破坏加载到破坏实验目的实验目的载荷特征载荷特征采动应力场的加载路径采动应力场的加载路径实验效果实验效果采动力学行为采动力学行为材料力学行为材料力学行为1 煤炭开发的采动力学理论e1evole31e1e3建立了采动力学行为与开采方式的联系解决了煤炭行业的一个共性基础问题CkfV1321,eee三种开采方式下煤岩体的纵横向应变、三种开采方式下煤岩体的纵横向应变、体积应变及围压压力与峰

3、值应力关系体积应变及围压压力与峰值应力关系 无煤柱开采、放顶煤开采与保护层开采方式破坏时的水平压力、纵向应变、横向应变和体积应变，可表示为3种开采方式对应支承压力的线性函数：l 小结1 煤炭开发的采动力学理论谢和平，等谢和平，等. 煤炭极限深部开采与极限开采深度的研煤炭极限深部开采与极限开采深度的研究与思考究与思考. 煤炭学报，煤炭学报，2012，37(4):535-542.2012年年4月月20日发表，被引日发表，被引25次次 (截止截止2014年年10月月6日日)1.煤炭开发的采动力学理论2.煤炭开采的深部岩石力学理论3.煤炭开采的应力场-裂隙场-渗流场理论4.岩石分形重构与灾变能量理论5

4、.致密矿藏资源开发的体破裂理论6.煤炭开采中的低碳化理论问题（CCU）7煤炭开采中的基础科学问题与探索 现有岩石力学理论是否还适应于深部？ 随着深度的增加，深部岩石模量、泊松比（密度）是否还是常数？E , const , const2 煤炭开采的深部岩石力学理论l 深部开采的深部的定量界定？l 思考：浅部与深部的定量差异：力学理论、变形与破坏规律、灾变特征的差异？门头沟玄武岩 英国、波兰：界定为英国、波兰：界定为750米米 南非、加拿大：南非、加拿大：8001000米才称为深井开采米才称为深井开采 德国：将埋深超过德国：将埋深超过8001000米的矿井称为深井，将埋深超过米的矿井称为深井，将埋

5、深超过1200米的矿井称为超深井开采米的矿井称为超深井开采 俄罗斯：把深井的俄罗斯：把深井的“ 临界深度临界深度” 界定为界定为800米米 日本：把深井的日本：把深井的“ 临界深度临界深度” 界定为界定为600米米 中国：根据中国：根据“三高三高”（地压高、地温高、渗透高高）和灾害（地压高、地温高、渗透高高）和灾害事故发生频率，我国的深部开采深度界定为事故发生频率，我国的深部开采深度界定为7001000m米米谢和平等最早提出深部开采的界限（谢和平等最早提出深部开采的界限（ 175次香山科学次香山科学会议，会议，2001 ）2 煤炭开采的深部岩石力学理论根据地温梯度和安全规程要求，得出极限开采深

6、度：采煤工作面1471m，掘进工作面1618m；根据巷道变形与围岩应变能释放量，可知：当埋深达到1500m左右时，支架承载能力达到了极限，无法继续承载。初步结论初步结论综合分析判断，极限开采深度综合分析判断，极限开采深度1500m2 煤炭开发的深部岩石力学理论谢和平，等谢和平，等. 煤炭极限深部开采与极限开采深度的研煤炭极限深部开采与极限开采深度的研究与思考究与思考. 煤炭学报，煤炭学报，2012，37(4):535-542.2012年年4月月20日发表，被引日发表，被引25次次 (截止截止2014年年10月月6日日)1.煤炭开发的采动力学理论2.煤炭开采的深部岩石力学理论3.煤炭开采的应力场

7、-裂隙场-渗流场理论4.岩石分形重构与灾变能量理论5.致密矿藏资源开发的体破裂理论6.煤炭开采中的低碳化理论问题（CCU）12煤炭开采中的基础科学问题与探索煤矿开采中煤矿开采中“三场三场”科学问题的提出科学问题的提出： m+m地应力m卸压煤体原始煤体瓦斯富集区采采动过程产生动过程产生卸荷卸荷效应效应 岩体破断变形、岩体破断变形、裂隙网络裂隙网络形成形成流体运移流体运移渗流场渗流场应力场应力场裂隙裂隙场场渗流渗流场场 应力场应力场是动力，是动力，裂隙场裂隙场是基础，是基础，渗流场渗流场是核心。是核心。“三场三场”问题是提升煤炭开采技术、支护技术、煤与瓦斯等灾害控制技问题是提升煤炭开采技术、支护技

8、术、煤与瓦斯等灾害控制技术的关键基础科学问题。术的关键基础科学问题。三场均缺乏理论模型，更没有三场耦合理论体系：三场均缺乏理论模型，更没有三场耦合理论体系：应力场：针对浅部，有砌体梁、传递岩梁等，但针对深部没有模型和理应力场：针对浅部，有砌体梁、传递岩梁等，但针对深部没有模型和理论论裂隙场：有定性模型，但没有定量描述和理论模型裂隙场：有定性模型，但没有定量描述和理论模型渗流场：有模拟和实验结果，但理论不完善渗流场：有模拟和实验结果，但理论不完善研究边界与现场开采方式脱节，亟需建立不同开采方式下现研究边界与现场开采方式脱节，亟需建立不同开采方式下现场、室内试验之间的联系场、室内试验之间的联系裂隙

9、群产生、扩展、相互交叉后继续发展缺乏分析方法和计裂隙群产生、扩展、相互交叉后继续发展缺乏分析方法和计算手段算手段科学问题科学问题“三场三场”问题思考问题思考： 渗流场渗流场应力应力场场裂隙裂隙场场耦合耦合三场耦合理论模型三场耦合理论模型指导煤炭开采指导煤炭开采不同开采方式下，应力场不同开采方式下，应力场- -裂隙场裂隙场- -渗流场耦合分析渗流场耦合分析采动力学理论采动力学理论三场获取：现场实测、三场获取：现场实测、3D3D打印技术试验、数值模型打印技术试验、数值模型裂隙群扩展计算方法裂隙群扩展计算方法三场理论模型提出三场理论模型提出问题方法手段目标成果40608010012014016018

10、0200220240260-80-60-40-20406080100120140160180200220240260-80-60-40-20406080100120140160180200220240260-80-60-40-209095100105110115120125130135140145150-75-70-65150155160165170175180185190195200205210-75-70-65210215220225230235240245250255260265270-75-70-6530m90m150m谢和平谢和平,高峰高峰,周宏伟周宏伟,程红梅程红梅,周福宝周福宝.

11、 煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究研究J. 煤炭学报煤炭学报,2013,(7).1101-1108现有研究成果与成效现有研究成果与成效进展四：从增透理论得到工作面前方渗流场：即瓦斯增透率图谱进展四：从增透理论得到工作面前方渗流场：即瓦斯增透率图谱1.煤炭开发的采动力学理论2.煤炭开采的深部岩石力学理论3.煤炭开采的应力场-裂隙场-渗流场理论4.岩石分形重构与灾变能量理论5.致密矿藏资源开发的体破裂理论6.煤炭开采中的低碳化理论问题（CCU）17煤炭开采中的基础科学问题与探索煤岩体分形重构与灾变能量理论及可视化方法瓦斯突出区 需要发展新理论煤岩体分形重构与

12、灾变能量理论及可视化方法深部煤层开采能否用数学、力学的方法和手段，直观定量地表征矿山深部“看不见、摸不着”的煤岩体不连续结构、开采过程中煤岩体结构演化、应力场、能量场变化？得到开挖时深部煤岩体的应力场、能量场的大小、空间分布和集聚位置，实现对深部煤炭开发中灾害发生的位置、量级和时间进行分析和初步预测预报？煤岩体分形重构与灾变能量理论及可视化方法煤岩体断续结构的分形重构理论与三维可视化方法煤岩体灾变的能量机制与能量准则煤岩体内部应力场、能量场、渗流场的三维可视化方法解决深部煤岩体内部不连续结构的直观与定量描述的问题解决深部煤岩体灾变的内部能量积聚、传递、耗散和释放机制，建立灾变能量准则的问题解决

13、对深部煤岩体灾变行为起控制作用的内部应力场、能量场、渗流场分布和演化的直观与定量描述的问题煤岩体分形重构与灾变能量理论及可视化方法通过我们分形重构与灾变能量理论的计算和分析，可以得到深部煤岩体的应力场、能量场的大小、空间分布和集聚位置，实现对深部矿山灾害发生的位置、量级和时间进行分析和初步预测预报。1.煤炭开发的采动力学理论2.煤炭开采的深部岩石力学理论3.煤炭开采的应力场-裂隙场-渗流场理论4.岩石分形重构与灾变能量理论5.致密矿藏资源开发的体破裂理论6.煤炭开采中的低碳化理论问题（CCU）21煤炭开采中的基础科学问题与探索五、致密矿藏开发的体破裂理论五、致密矿藏开发的体破裂理论体破裂体破裂

14、是三维岩体在载荷作用下内部孔隙、是三维岩体在载荷作用下内部孔隙、裂隙及人工裂隙充分扩展、贯通并形成新裂隙及人工裂隙充分扩展、贯通并形成新的三维裂隙系统这一完整力学过程；的三维裂隙系统这一完整力学过程；是岩是岩体在大尺度下，大破裂、大强度、大能量体在大尺度下，大破裂、大强度、大能量释放的过程释放的过程。储储层压裂改造层压裂改造的核心理论的核心理论问题是问题是体破裂问题体破裂问题目前致密油气资源开发最有效的途径仍是目前致密油气资源开发最有效的途径仍是对储层进行对储层进行压裂改造压裂改造。五、致密矿藏开发的体破裂理论五、致密矿藏开发的体破裂理论理论分析上的思考理论分析上的思考：1 1）进行三维断裂力

15、学理论分析与探索）进行三维断裂力学理论分析与探索；2 2）唯象建模和体破裂理论分析：）唯象建模和体破裂理论分析：根据页岩气开采实际现根据页岩气开采实际现状进行抽象、假设并建立三维体破裂的唯象模型，进而进行体破状进行抽象、假设并建立三维体破裂的唯象模型，进而进行体破裂的理论研究；裂的理论研究；3 3）实现大体量、大尺度、高密度体破裂的最佳破裂途径）实现大体量、大尺度、高密度体破裂的最佳破裂途径理论预测及技术设计。理论预测及技术设计。五、致密矿藏开发的体破裂理论五、致密矿藏开发的体破裂理论 我们开展了低渗原煤的气动压裂实验，并与水力压裂我们开展了低渗原煤的气动压裂实验，并与水力压裂进行了对比。进行

16、了对比。0100200300400500600700-0.0020.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200100020003000400050006000体应变时间（s） 体应变振铃计数率（次/秒） 声发射五、致密矿藏开发的体破裂理论五、致密矿藏开发的体破裂理论提出了高能气动脆裂技术并申请了专利提出了高能气动脆裂技术并申请了专利便于气体输运的高分子便于气体输运的高分子中空热胀支撑剂中空热胀支撑剂高能气动脆裂系统示意图高能气动脆裂系统示意图1.煤炭开发的采动力学理论2.煤炭开采的深部岩石力学理论3.煤炭开采的应力场-裂隙场-渗

17、流场理论4.岩石分形重构与灾变能量理论5.致密矿藏资源开发的体破裂理论6.煤炭开采中的低碳化理论问题（CCU）26煤炭开采中的基础科学问题与探索我国分品种化石能源温室气体排放现状与未来来源： 发改委气候变化中心 李俊峰气气油油煤炭煤炭 我国煤炭消费约占化石能源使用温室气体排放总量的70-80%，占全部温室气体排放的50-56%。煤炭是京津冀地区雾霾的主要污染因素 北京市报告显示， PM2.5来源中，机动车、燃煤、工业生产和扬尘分别占了31.1%、22.4%、18.1%和14.3%。 天津市公布的解析结果显示，PM2.5中扬尘、燃煤、机动车、工业生产贡献率分别为30%、27%、20%、17%。 石家庄市环境空气PM2.5来源中，本地各类污染源排放分担率为：燃煤28.5%、工业生产25.2%、扬尘22.5%、机动车15.0%，其它生物质燃烧、餐饮、农业等占比8.8%。其中， 初步揭开了京津冀地区的雾霾成因，燃煤、机动车和扬尘燃煤、机动车和扬尘是主要污染因素是主要污染因素 ，煤炭占煤炭占22-28%的比例的比例。煤炭应开创高碳能源低碳开发的理念煤炭应开创高碳能源低碳开发