工学刘彦伟博士开题报告终版

1、河 南 理 工 大 学研究生学位论文开题报告学 号：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

2、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，A4纸双面打印，如栏内填写不下，可另加附页。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、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

3、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”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

4、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

5、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

6、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

7、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。2、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

8、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

9、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。Hower15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，

10、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。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

11、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

12、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

13、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

14、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，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

15、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

16、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）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、重庆分院和河南理工大学等进行了大量的研究，提出了一系列瓦斯解吸规律经验公式，包括巴雷尔式（R.M.Barrer）28、文特式29、乌斯基诺夫式30、博特式31、孙重旭式32、艾黎式33、渡边伊温34、大牟

17、田秀文式35、王佑安式36、指数式等，依据解吸量与时间的关系，总体可分为两类，一类是幂函数式，一类是指数式。这些经验公式经国内外学者的部分实验验证，幂函数式描述初始阶段瓦斯解吸量与时间的关系比较适合，但普遍存在随时间延长，误差越大的问题，例如塞文斯特37(P.G.Sevenster)、萨特恩德拉和菲利甫38(Satyendra P.Nandi and Philips L. Walker)通过大量测定，认为巴雷尔公式在解吸时间时，随着时间的延长，误差会越来越大；文特式在瓦斯解吸的初始阶段，计算值与实测值较为一致，但时间很长时，计算值与实测值之间的误差有增大的趋势。指数式适合描述煤块初始阶段瓦斯解

18、吸规律，对我国煤矿井下解吸法测定本煤层瓦斯含量时用于推算取样过程煤样漏失瓦斯量的依据，遗憾的是当被测煤层破坏强烈时，计算得到的漏失瓦斯量与实际值误差较大39-43。国内外学者对煤的瓦斯吸附解吸规律的影响因素进行了大量实验研究，河南理工大学温志辉、魏建平对大质量煤样（1000g）条件下原生结构煤和构造煤的瓦斯解吸规律进行了实验对比分析44，原生结构煤和构造煤的瓦斯解吸规律具有较大差异，对应的突出危险瓦斯解吸指标也有一定差异；富向、王魁军等通过构造煤和非构造煤之间的微观结构对比分析、和瓦斯放散速度实验研究表明45，构造煤前60s的瓦斯放散速度更符合文特式，第1秒的瓦斯放散速度V1、衰减系数Q060

19、和瓦斯放散初速度P均与非构造煤有较大差异；杨其銮研究表明40，破坏类型越高，扩散系数D越大，并且受粒度影响越小。关于粒度对解吸规律的影响，抚顺分院杨其銮、曹垚林等研究表明40,41,46，煤屑存在一个极限粒度，在小于极限粒度范围内，瓦斯解吸强度、衰减系数随着煤样粒度的增大而衰减，当煤样粒度大于极限粒度（6mm）时，瓦斯解吸强度、衰减系数随着煤样粒度的增大而衰减的趋势不再明显。关于不同粒度极限吸附量的研究还存在较大分歧，杨其銮认为不同粒度煤的瓦斯极限吸附量是相同的38；渡边伊温认为吸附量是随着粒度发生变化的；王兆丰认为在有限的测定时间内，“回归极限瓦斯解吸量”总小于“理论极限瓦斯解吸量” 41，

20、这表明渡边伊温提出的用瓦斯解吸曲线的渐近线求煤样的极限瓦斯解吸量的方法是不切实际的47。气态水对煤吸附气体有显著影响，随煤中水分的增加煤吸附气体能力降低48,49，因水分子具有极性，煤会优先吸附水分子，从而影响煤的吸附位和吸附能，但当煤中水分超过临界水分 (平衡水分)，即气态水达到相对饱和并出现液态水时，煤吸附气体能力不再受水分的影响，换言之，液态水对煤吸附气体没有影响。只有受到的外界压力足够大，液态水才能克服固-液界面张力进人凝聚-吸附孔隙、吸附孔隙并润湿内表面，水的压力越大，可以进人煤基质孔隙的孔径越小50,51。通过注水煤样、平衡水煤样、干煤样等温吸附实验的对比研究，储层条件下煤层中的液

21、态水对煤基质吸附气体存在显著影响，液态水可以使煤基质吸附气体的能力提升，吸附规律更符合Langmuir模型52。刘明举、俞启香等对煤吸附和解吸瓦斯过程中温度变化进行了研究53,54,55，煤体吸附瓦斯的过程是放热过程，而瓦斯气体的解吸过程是吸热过程；充同种瓦斯气体时，随着压力的提高，到达吸附平衡时间延长，温度升高的幅度也随之加大；同种瓦斯气体，在解吸过程中，原始瓦斯压力越大，解吸后温度降低的幅度就越大；准确测定煤中瓦斯的吸附量是测定煤的瓦斯含量的重要前提。淮南矿院的赵志根，唐修义建立了饱和吸附量与温度的相关关系56。粱冰采用高压容量法开展了温度为2545等条件下的等温吸附实验57，研究结果表明

22、，吸附常数与温度有关，通常可用二次函数表示，随着温度的升高，a值逐渐降低，b值变化不大；钟玲文从深部含气量预测的角度，实验研究了温度和压力对煤吸附性能的综合影响，研究结果表明58，在等压条件下，煤吸附甲烷量随着温度的增加呈线性减少，在较低温度和压力区，压力对煤吸附能力的影响大于温度的影响，在较高温度和压力区，温度对吸附能力的影响大于压力的影响。另外，德国的学者Andreas Busch等和波兰的学者Grayyna Ceglarska-Stefanska等还对煤层中甲烷和二氧化碳混合气体的吸附解吸规律进行了较深入的实验研究60,61。（5）瓦斯放散理论与模式的研究王兆丰、杨其銮、王佑安研究认为4

23、1,62，研究瓦斯扩散规律的理论依据是Fick扩散定律，并求得瓦斯扩散方程的理论解。富向通过瓦斯在煤中的运移规律和瓦斯放散速度实验研究表明63，煤层或煤粒中的传质不能认为是纯扩散或纯渗流，而是二者共同作用的结果，但在不同外部条件下，二者必有其一占主导，起决定性作用，瓦斯直径大致为0.414nm，自由行程50 nm左右，在裂隙（孔隙）大于10-7m时，瓦斯运移以层流为主，用达西定律描述比较恰当，当裂隙小于10-7m时，瓦斯扩散起主导作用，用Fick扩散定律描述。乌克兰学者A.D. Alexeev等实验研究了煤层中瓦斯的解吸规律，建立了考虑渗透和扩散效应的与时间呈二次型的瓦斯解吸模型64。何学秋、

24、聂百胜分析了孔隙气体在煤体中的扩散模式和微观机理，得出在煤体中存在菲克型扩散、诺森扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散几种扩散模式65。（6）瓦斯解吸规律的应用瓦斯解吸规律主要应用于瓦斯含量损失量的估算和突出预测瓦斯解吸指标，国内外学者在这两个应用方面已经开展了大量的研究工作。在瓦斯含量测定应用方面，美国矿业局（USBM）的Kissell和McCulloch66等人认为煤中瓦斯解吸过程可用扩散方程来描述，解吸过程的早期累计解吸瓦斯量与时间的平方根成正比；Kissell据此建立了被世界各国认可的煤层瓦斯含量测定的工业标准-USBM解吸法。美国新墨西哥大学的Smith和Williams67,68提

25、出了一种计算泥浆介质中取芯过程煤的瓦斯漏失量方法，并建立了SmithWilliams解吸法。AMOCO公司的Seidle69等人针对USBM解吸法和SmithWilliams解吸法推算取芯过程煤样漏失瓦斯量都只使用煤样在空气介质中很少的几个初始测点这一情形，建立了一种根据煤样在空气介质中全部解吸瓦斯量测点来计算煤样取芯过程中漏失瓦斯量的方法-曲线拟合法。我国的俞启香提出本煤层钻屑采集过程中试样的漏失瓦斯量按Q-规律推算70，邻近层穿层钻孔煤芯采集过程试样漏失瓦斯量按Q-规律推算71。河南理工大学王兆丰教授等对空气、水和泥浆介质中煤的瓦斯解吸规律进行了较为深入的研究41,72,73，提出了乌斯基

26、诺夫公式是中国煤井下钻孔空气介质中取样过程煤样漏失瓦斯量最合理可靠的推算公式，地勘解吸法中损失量计算中存在的问题。在煤屑瓦斯解吸规律研究基础上，国内外学者提出多种突出预测瓦斯解吸指标，并研制了相应测试仪器，对预测煤与瓦斯突出危险起到重要的作用。西德学者雅纳斯等提出的预测突出指标Kt，反映了钻屑瓦斯解吸速度随时间衰减的快慢程度14；法国通过直接法测定煤层可解吸瓦斯含量的方法导出了10g煤屑在暴露后第35s到第70s的瓦斯解吸量，并用来预测突出危险性；德国学者H.Janace等人提出煤样的瓦斯解吸量与解吸时间的关系可以用指数函数形式来表示，并把解吸衰减系数作为突出预测指标；澳大利亚等其他国家直接把

27、煤样解吸强度和解吸量作为突出预测指标74。我国提出了h2、K1和C值等不同的解吸指标，并被写入了防治煤与瓦斯突出细则。K1指标物理意义为煤样在仪器内暴露最初1min时间内的瓦斯解吸量；h2指标物理意义为煤样在特定容积的仪器内暴露最初2min内解吸瓦斯所形成的压力；C指标值等于钻屑在进行解吸测定的最初 2min的平均瓦斯解吸量与后续的8min的平均瓦斯解吸量之比。这些指标都是通过测量煤祥从煤体原始状态暴露卸压后，在最初一段时间内的解吸瓦斯量来反映煤体中实际的瓦斯含量大小以及与煤的物理结构密切相关的解吸瓦斯速度快慢，进而评价工作面前方煤体存在的突出危险性。抚顺分院1979年提出h2指标，并相继研制

28、了MD-1型、MD-2型钻屑瓦斯解吸仪来预测工作面突出危险性；重庆分院于1984年提出K1指标，并相继研制了CMJ-1型瓦斯解吸仪、ATY型瓦斯突出预报仪及新一代主要用于测定钻屑瓦斯解吸指标的WTC型突出参数仪。抚顺分院的陶玉梅75对钻屑瓦斯解吸指标h2进行了实验室的考察；重庆分院的邵军75对K1指标进行了实验室的相似模拟研究，利用多元回归的方法分析了突出指标K1值与瓦斯压力等相关参数的关系，初步探讨了指标的突出危险临界值的变化规律；赵旭生77等对工作面突出危险性预测中影响钻屑瓦斯解吸指标K1值测定误差的常见因素进行了分析研究，并提出了一些测定中减少误差的措施及注意事项。程五一78等人应用钻屑

29、瓦斯解吸指标h2进行了煤层瓦斯压力的测定；唐本东等79用井下实测煤的瓦斯解吸强度确定煤层瓦斯压力和瓦斯含量。（7）煤的瓦斯解吸规律的研究方法钻孔煤芯解吸法：该方法是通过解吸气驱水测量煤样排出气量。通过各个时间段内单位质量煤样的解吸气量与时间的比值计算出煤层气的解吸速度。吸附-解吸实验法：在等温吸附实验装置上完成，先吸附再解吸，通过压力变化和气体状态方程计算不同时间段内的解吸量，可根据Fick定律计算煤的解吸速率和扩散系数。瓦斯放散法：用瓦斯放散测定仪测定。由带有中心进气管的带刻度的量管构成，煤样瓦斯放散量由量管直接读出，量管使用水银、饱和食盐水作封闭，将吸附平衡的高压吸附缸接到等压瓦斯放散仪上

30、，测定煤样随时间变化的累计瓦斯放散量。解吸数值模型法：为了研究煤的瓦斯解吸动力学规律，前人提出多个数学模型，例如陈昌国80建立的解吸（扩散）控制模型：，模型将瓦斯解吸量分为两部分，一部分是煤样的外表和大孔的瞬间解吸气，另一部分是基质扩散气，扩散气量是根据气体扩散理论，假设煤样为球形，通过求解球坐标下的Fick第二定律，并根据煤样的解吸实验结果经计算机数值拟合求得甲烷扩散量。另外，波兰学者Zofia Majewska等研究了硬煤瓦斯解吸、吸附过程中声响和应力的变化，为分析瓦斯解吸规律提供了一种技术手段81。（8）存在问题构造煤与煤与瓦斯突出关系密切，但针对构造煤的瓦斯解吸规律、放散机理和模式方面

31、缺乏系统的研究，导致瓦斯解吸规律在现场应用时存在适应性不强的特征。具体问题如下：（1）构造煤分类方面：目前的煤体结构分类方法没有考虑煤的瓦斯解吸规律差异性，主要依据主要是宏观特征，判别方法没有实现量化，主观性较强。（2）孔隙结构特征及裂隙发育：缺乏对构造煤的孔隙结构系统统计分析，特别是对瓦斯放散规律及放散模式影响的各类孔隙结构和分布特征与破坏类型的关系不明确。（3）构造煤瓦斯解吸规律方面：关于构造煤解吸规律缺乏系统研究，在构造煤的解吸规律经验公式选用方面存在较大分歧；温度和水分对构造煤解吸规律的影响还不清楚。（4）构造煤放散机理和模式不清，以前主要是考虑扩散和渗流某一种放散模式。（5）解吸规律

32、应用方面：构造煤瓦斯含量损失量的推算方法不尽合理，构造煤的损失量推算方法需进一步完善；基于钻屑解吸规律的突出危险性预测指标，在软分层的适应性需进一步考察。（6）大量的前期实验研究多采用100g以下煤样，对大质量煤样的研究更能可靠反映煤体的瓦斯解吸规律。主要参考文献：1中国西部煤炭网.中国可持续能源发展战略EB/OL.2003-09-18. .2 国家安全生产监督管理总局. “十一五”安全生产科技发展规划.EB/OL./files/2006-09/05/F_799076d20e7f427b98b1bdaaea3ee866_20060904-ghkj.doc，2006-09-05.3 国家发展和改

33、革委员会.煤炭工业发展“十一五”规划. EB/OL.01/22/content_503391.htm,2007-01-22.4 国务院办公厅.安全生产“十一五”规划. EB/OL.08/25/content_370124.htm,2006-08-25.5 新华社.中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要.EB/OL.03/16/content_228841.htm.6景国勋.影响煤矿伤亡事故因素的灰色关联度分析J.工业安全与防尘,1997 (7):22-25.7范启炜,王魁军,曹林. 我国煤矿灾害事故频发的原因分析J.中国煤炭,2002, (3):8-11.8国家安全生产安全监督管

34、理总局, 国家煤矿安全监察局网站. http:/www9郝吉生, 袁崇孚. 构造煤及其对煤与瓦斯突出的控制作用J. 焦作工学院学报,2000, 19(6):403-406.10中华人民共和国煤炭工业部. 防治煤与瓦斯突出细则.M 北京：煤炭工业出版社,199511 傅雪海,姜波,秦勇等.用测井曲线划分煤体结构和预测煤储层渗透率.测井技术,2003,27(2):140143.12 琚宜文,姜波,侯泉林等.构造煤结构-成因新分类及其地质意义.煤炭学报, 2004,25(9):514517.13焦作矿业学院. 瓦斯地质概论M. 北京：煤炭工业出版社, 1990.14 汤友谊,田高岭,孙四清等.对煤体

35、结构形态及成因分类的改进和完善J. 焦作工学院学报, 2004,23(3):161-164.15Hower J C.Observation on the role of Bemice coal field(Sullivan County,Pennsylvania)anthracites in the development of coallification theories in theAppalachiansT. Int J Coal Geol, 1997, 33：95102.16 王佑安, 杨思敬.煤和瓦斯突出危险煤层的某些特征J.煤炭学报,1980, 1:4753.17 姚多喜, 吕劲

36、. 淮南谢一矿煤的孔隙研究J.中国煤田地质,1996,8(4):3133.18 张井, 于冰, 唐家祥.瓦斯突出煤层的孔隙结构研究J. 中国煤田地质. 1996, 8(2):7174.19 Frisen WI, Mikula RJ. Mercury. Porosimetry of CoalsJ. Fuel, 1988, 67(11): 1516.20 徐龙君, 鲜学福, 刘成伦, 张代钩. 突出区煤的孔隙结构特征研究J. 矿业安全与环保, 1999, (2):25-27.21 琚宜文, 姜波, 侯泉林等.华北南部构造煤纳米级孔隙结构演化特征及作用机理J.地质学报,2005, 79(2):269

37、285.22 琚宜文, 姜波, 侯泉林等.煤岩结构纳米级变形与变质变形环境的关系J.科学通报,2005, 50(17):18841892.23 郝吉生,袁崇孚. 构造煤及其对煤与瓦斯突出的控制作用J.焦作工学院学报，2000, 19(6):403406.24 郭德勇, 韩德馨, 王新义.煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用J.北京科技大学学报, 2002, 24(6):582592.25 张子敏, 张玉贵.瓦斯地质规律与瓦斯预测M.北京: 煤炭工业出版社,2005.26 张慧. 煤中显微裂隙的成因类型及其研究意义J. 岩石矿物学杂志, 2002,21(3) :279284.27石强,潘一山.煤体

38、内部裂隙和流体通道分析的核磁共振成像方法研究J.煤矿开采, 2005, 10(6)：79.28 R.M.Barrer，Diffusion in and through SolidM. CambridgeUniversity Press,1951.29 K.Winter & H.Janas，Gas Emission characteristics of coal and Methods of Determining the Desorbable Gas Content by Means of DesorbometersC. XIV International Conference of Coal

39、 Mine Safety Research.30 宋世钊译.煤矿沼气涌出M.煤炭工业出版社.1983.31 B.A.Bolt & Innes.Diffusion of Carbon Dioxide from CoalJ. Fuel.Vol.38, 1959: 2831.32 孙重旭. 煤样解吸瓦斯泄出的研究及其突出煤层煤样瓦斯解吸的特点C.煤与瓦斯突出第三次学术论文集,煤炭科学研究总院重庆分院,1983: 4346.33 E.M.Airey，Gas Emission from Broken CoalJ. Int.J.Rock Mech. and Min. Sci. 1968, (5):3740

40、.34 （日）渡边伊温. 关于煤的瓦斯解吸特征的几点考察J.煤矿安全,1984,16(4)：5261.35 （日）大牟田秀文式等. 煤层瓦斯涌出机理J. 矿业译从, 1982, (2):3135.36 王佑安, 杨思敬. 煤与瓦斯突出煤层的某些特征J. 煤炭学报, 1981, (1):2527.37. Diffusion of Gases through CoalJ. Fuel.1959,38(5):1619.38 Satyendra，P.Nandi and Philip L.Walker，Activated Diffusion of Methane from Coal at elevated

41、 pressureJ. Fuel, 1975, 54(1):1215.39 邵军. 关于煤屑瓦斯解吸经验公式的探讨J. 煤炭工程师, 1989,3:21-27.40杨其銮.关于煤屑瓦斯放散规律的试验研究J.煤矿安全, 1986, 18(2): 917.41王兆丰. 空气、水和泥浆介质中煤的瓦斯解吸规律与应用研究 D. 徐州：中国矿业大学, 2001.42 缑发现,贾翠芝,杨昌光. 用直接法测定煤层瓦斯含量来推算损失量的方法J. 煤矿安全,1997, 7:9-11.43 雅纳斯西德. 煤样的瓦斯解吸过程J. 煤炭工程师, 1992.2:52-56.44 温志辉, 魏建平. 构造煤瓦斯解吸规律的实

42、验研究D. 河南理工大学, 2008.1.45 富向, 王魁军, 杨天鸿. 构造煤的瓦斯放散特征J. 煤炭学报, 2008. 33(7):775-779.46 曹垚林,仇海生. 碎屑状煤芯瓦斯解吸规律研究J. 中国矿业, 2007.12:119-123.47 (日)渡边伊温. 北海道煤的瓦斯解吸特性及瓦斯突出性指标J. 煤矿安全,1985, 7:4655.48 Joubert J I, Grein C T. Bienstock DSorption of Methane in MoistCoa1J. Fuel, 1973, 52:181-1 85.49 JoubertJI.Effect of M

43、oisture on the Methane Capacity of AmericanCoalsJ. Fuel, 1974, 53:186191.50 桑树勋, 朱炎铭, 张时音等. 煤吸附气体的固气作用机理I煤孔隙结构与固气作用J. 天然气工业, 2005, 25(1): 13-15.51 朱履冰. 表面与界面物理M. 天津：天津大学出版社, 1992.52 桑树勋朱炎铭张井等.液态水影响煤吸附甲烷的实验研究: 以沁水盆地南部煤储层为例. 科学通报J.2005,50(增刊I):70-75.53 刘明举.煤与瓦斯突出的热动力模型研究结题报告R.焦作: 焦作工学院,2002.54 颜爱华.煤与瓦

44、斯突出的热动力模型D.焦作: 焦作工学院,2001.55 郭立温, 俞启香, 王凯 煤吸附瓦斯过程温度变化的试验研究J. 中国矿业大学学报, 2000,29(3): 287-289.56 赵志根,唐修义,张光明.较高温度下煤吸附甲烷实验及其意义J.煤田地质与勘探,2001,29(4):29-30.57 梁冰. 温度对煤的瓦斯吸附性能影响的试验研究J. 黑龙江矿业学院学报, 2000, 10(1):20-22.58 钟玲文, 郑玉柱, 员争荣等. 煤在温度和压力综合影响下的吸附性能及气含量预测J. 煤炭学报, 2002, 27(6): 581-585.59 Hoduota,B.B. The Me

45、chanism of Coal and Gas Outburst (in Russian). 1966.60 A. Busch et alInvestigation of High-pressure Selective Adsorption/DesorptionBehaviour of CO2 and CH4 on Coals: An experimental studyJ.International Journal of Coal Geology,2006,66:3539.61 Grayyna Ceglarska-Stefanska，Katarzyna ZarebskaSorption of

46、 carbon dioxidemethane mixturesJInternational Journal of Coal Geology, 2005, 62:4750.62 杨其銮, 王佑安. 煤屑瓦斯扩散理论及其应用J. 煤炭学报, 1986 (3): 87-94.63 富向, 王魁军, 杨宏伟等. 煤粒瓦斯瓦斯放散规律数学模型的应用J. 煤矿安全, 2006, 12(1):1-3.64 A.D. Alexeev，E.P. Feldman，T.A. VasilenkoMethane desorption from a coal-bedJFuel，2007, 86.65 何学秋, 聂百胜.

47、孔隙气体在煤层中扩散的机理J. 中国矿业大学学报, 2001, 30(1):1-4.66Kissell，F.N.Meculloch，The Direct Method of Determining Methane Content of Coalbeds for Ventilation DesignR. U.S.Bureau of Mines Report of Invstiegations, RI7767, 1973.67 D.M.Smith and F.L.Williams，A New Technique for Defermining the Methane Content of Coal

48、C. Proceedings of the 16th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，Atlanta，GA，1981.68 D.M.Smith and F.L.Williams. Diffusion Models for Gas Production from CoalsJ. Fuel，Vol.63，1984.69 J.P.Seidle and R.S.Metcalfe. Development of Coalbeds MethaneR. SPE23025, 1991.70 俞启香. 矿井瓦斯防治M, 中国矿业大学出版

49、社, 1992.71 包剑影主编, 阳泉煤矿瓦斯治理技术M, 煤炭工业出版社, 1996.72 贾东旭, 王兆丰, 袁军伟等. 我国地勘解吸法存在的问题分析J. 煤炭科学技术, 2006,34,6:88-90.73 Diamond, William P., Schatzel, Steven J.Measuring the gas content of coal: A review. International Journal of Coal Geology, 1998, v 35,(n 1-4): 311-331.74 王日存, 王佑安. 钻孔钻屑量测定及其与突出危险性关系J. 煤矿安全, 1

50、983, 14(9):1-8.75 陶玉梅. 煤的钻屑瓦斯解吸指标h2的实验室考查及应用J. 煤矿安全, 2004, 35(8):15-17.76 邵军. K1指标的实验室研究J. 煤矿安全, 1994, 25(12): 1-5.77 赵旭生, 刘 胜. 钻屑瓦斯解吸指标K1值测定误差的影响因素J. 矿业安全与环保, 2002, 29(2): 3-5.78 镡志伟, 程五一, 牛聚粉等. 利用钻屑解吸法测定煤层瓦斯压力的应用J. 华北科技学院学报, 2006, 3(1): 17-19.79 唐本东, 邓全封. 用井下实测煤的瓦斯解吸强度确定煤层瓦斯压力和瓦斯含量J. 煤矿安全, 1987, 1

51、9(8): 1-9.80陈昌国，鲜晓红，杜云贵等.煤吸附与解吸甲烷的动力学规律J.煤炭转化，1996，19(1)：6871.81 Zofia Majewska，Jerzy Zitek. Changes of Acoustic Emission and Strain in Hard CoalDuring Gas SorptionDesorption CyclesJ. International Journal of Coal Geology, 2007(7):1316.二、课题研究内容、特色及创新之处：1 研究内容课题主要围绕不同破坏类型构造煤的瓦斯解吸规律与突出危险性关系开展研究，具体研究内容

52、包括：（1）不同破坏类型构造煤瓦斯解吸规律改造现有瓦斯解吸规律测定实验系统，重点搭建大质量（1000g）煤样具备低温控制功能的（5以上）瓦斯解吸实验系统。针对典型的高、中、低煤阶，通过现场构造煤观测，选取不同破坏类型构造煤，重点实验研究构造软煤在不同温度（545）、不同粒度、不同水分（包括天然水分、平衡水分、高压液态水等类型水分）、不同灰分，不同吸附平衡瓦斯压力情况下的瓦斯解吸规律和不同时段煤的瓦斯放散速度。（2）构造煤解吸规律与突出危险指标关系在构造煤瓦斯解吸规律测定基础，配套测定不同粒度、不同瓦斯压力、不同环境温度、不同破坏程度构造煤的突出危险解吸指标；对比分析瓦斯解吸规律与突出危险解吸指

53、标之间的关系，完善构造煤突出危险指标测定方法。（3）构造煤分类方法根据以上研究结果，结合现有构造煤分类方法，综合煤体结构特征和瓦斯解吸规律及解吸指标等，针对瓦斯突出灾害防治现场需求，提出能够量化表达的构造煤分类的新方法。（4）构造煤的瓦斯放散机理和模式研究通过调研分析和补充实测不同破坏类型构造煤的孔隙结构、分布特征和裂隙发育情况，研究不同煤阶构造软煤的孔隙结构和分布特征的变化规律和裂隙发育特征，为完善构造煤分类和理论分析煤的瓦斯放散机理和模式奠定基础；根据构造煤的瓦斯解吸规律、孔隙结构特征和裂隙发育情况，建立融合Fick扩散定律和达西定律的构造煤瓦斯放散机理和模式。2 特色与创新之处（1）实验

54、研究大质量不同煤阶构造煤在不同温度、不同水分条件下的瓦斯解吸规律；（2）建立构造煤的瓦斯放散机理和模式；（3）提出融合瓦斯解吸规律和孔隙结构特征的量化构造煤分类方法。三、拟采取的理论分析、计算、试验方法和步骤及其可行性：1、研究思路及技术路线论文拟采用实验室实验、理论分析、数值模拟和现场试验验证的方法开展研究，具体思路与技术路线如图1所示。改造瓦斯解吸规律实验测试系统构造煤现场观测与煤样采集煤样制样、瓦斯参数及工业分析瓦斯含量和解吸指标现场测定验证构造煤瓦斯解吸过程测定构造煤解吸指标实验室测定构造煤瓦斯解吸规律构造煤瓦斯解吸规律与突出危险关系构造煤瓦斯损失量计算方法构造煤灾害防治角度分类方法孔隙结构