1X - 中國煤炭學(xué)會(huì)

1、煤炭開采的基礎(chǔ)科學(xué)問題與探索煤炭開采的基礎(chǔ)科學(xué)問題與探索謝和平謝和平2014年年10月月16日日1.煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論2.煤炭開采的深部巖石力學(xué)理論3.煤炭開采的應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)理論4.巖石分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論5.致密礦藏資源開發(fā)的體破裂理論6.煤炭開采中的低碳化理論問題（CCU）2煤炭開采中的基礎(chǔ)科學(xué)問題與探索l 煤炭資源開采實(shí)際就是一個(gè)采動(dòng)力學(xué)問題，煤巖體經(jīng)歷完整的采動(dòng)應(yīng)力過程。應(yīng)該把力學(xué)理論深入一點(diǎn)，形成真正的采動(dòng)力學(xué)理論應(yīng)該把力學(xué)理論深入一點(diǎn)，形成真正的采動(dòng)力學(xué)理論1 煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論1H23H現(xiàn)有力學(xué)理論沒有考慮開采應(yīng)力環(huán)境和開采方式開采深度的影響e1evole31

2、e1e3l 創(chuàng)新思想：將采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)考慮到理論建模和實(shí)驗(yàn)過程中，從而建立全新的采動(dòng)力學(xué)理論。經(jīng)典三軸實(shí)驗(yàn)經(jīng)典三軸實(shí)驗(yàn)(CTC)采動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)采動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)常規(guī)力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)常規(guī)力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)真實(shí)模擬采動(dòng)影響真實(shí)模擬采動(dòng)影響加載到破壞加載到破壞實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康妮d荷特征載荷特征采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的加載路徑采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的加載路徑實(shí)驗(yàn)效果實(shí)驗(yàn)效果采動(dòng)力學(xué)行為采動(dòng)力學(xué)行為材料力學(xué)行為材料力學(xué)行為1 煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論e1evole31e1e3建立了采動(dòng)力學(xué)行為與開采方式的聯(lián)系解決了煤炭行業(yè)的一個(gè)共性基礎(chǔ)問題CkfV1321,eee三種開采方式下煤巖體的縱橫向應(yīng)變、三種開采方式下煤巖體的縱橫向應(yīng)變、體積應(yīng)變及圍壓壓力與峰

3、值應(yīng)力關(guān)系體積應(yīng)變及圍壓壓力與峰值應(yīng)力關(guān)系 無煤柱開采、放頂煤開采與保護(hù)層開采方式破壞時(shí)的水平壓力、縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變和體積應(yīng)變，可表示為3種開采方式對(duì)應(yīng)支承壓力的線性函數(shù)：l 小結(jié)1 煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論謝和平，等謝和平，等. 煤炭極限深部開采與極限開采深度的研煤炭極限深部開采與極限開采深度的研究與思考究與思考. 煤炭學(xué)報(bào)，煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(4):535-542.2012年年4月月20日發(fā)表，被引日發(fā)表，被引25次次 (截止截止2014年年10月月6日日)1.煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論2.煤炭開采的深部巖石力學(xué)理論3.煤炭開采的應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)理論4.巖石分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論5

4、.致密礦藏資源開發(fā)的體破裂理論6.煤炭開采中的低碳化理論問題（CCU）7煤炭開采中的基礎(chǔ)科學(xué)問題與探索 現(xiàn)有巖石力學(xué)理論是否還適應(yīng)于深部？ 隨著深度的增加，深部巖石模量、泊松比（密度）是否還是常數(shù)？E , const , const2 煤炭開采的深部巖石力學(xué)理論l 深部開采的深部的定量界定？l 思考：淺部與深部的定量差異：力學(xué)理論、變形與破壞規(guī)律、災(zāi)變特征的差異？門頭溝玄武巖 英國、波蘭：界定為英國、波蘭：界定為750米米 南非、加拿大：南非、加拿大：8001000米才稱為深井開采米才稱為深井開采 德國：將埋深超過德國：將埋深超過8001000米的礦井稱為深井，將埋深超過米的礦井稱為深井，將埋

5、深超過1200米的礦井稱為超深井開采米的礦井稱為超深井開采 俄羅斯：把深井的俄羅斯：把深井的“ 臨界深度臨界深度” 界定為界定為800米米 日本：把深井的日本：把深井的“ 臨界深度臨界深度” 界定為界定為600米米 中國：根據(jù)中國：根據(jù)“三高三高”（地壓高、地溫高、滲透高高）和災(zāi)害（地壓高、地溫高、滲透高高）和災(zāi)害事故發(fā)生頻率，我國的深部開采深度界定為事故發(fā)生頻率，我國的深部開采深度界定為7001000m米米謝和平等最早提出深部開采的界限（謝和平等最早提出深部開采的界限（ 175次香山科學(xué)次香山科學(xué)會(huì)議，會(huì)議，2001 ）2 煤炭開采的深部巖石力學(xué)理論根據(jù)地溫梯度和安全規(guī)程要求，得出極限開采深

6、度：采煤工作面1471m，掘進(jìn)工作面1618m；根據(jù)巷道變形與圍巖應(yīng)變能釋放量，可知：當(dāng)埋深達(dá)到1500m左右時(shí)，支架承載能力達(dá)到了極限，無法繼續(xù)承載。初步結(jié)論初步結(jié)論綜合分析判斷，極限開采深度綜合分析判斷，極限開采深度1500m2 煤炭開發(fā)的深部巖石力學(xué)理論謝和平，等謝和平，等. 煤炭極限深部開采與極限開采深度的研煤炭極限深部開采與極限開采深度的研究與思考究與思考. 煤炭學(xué)報(bào)，煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(4):535-542.2012年年4月月20日發(fā)表，被引日發(fā)表，被引25次次 (截止截止2014年年10月月6日日)1.煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論2.煤炭開采的深部巖石力學(xué)理論3.煤炭開采的應(yīng)力場(chǎng)

7、-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)理論4.巖石分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論5.致密礦藏資源開發(fā)的體破裂理論6.煤炭開采中的低碳化理論問題（CCU）12煤炭開采中的基礎(chǔ)科學(xué)問題與探索煤礦開采中煤礦開采中“三場(chǎng)三場(chǎng)”科學(xué)問題的提出科學(xué)問題的提出： m+m地應(yīng)力m卸壓煤體原始煤體瓦斯富集區(qū)采采動(dòng)過程產(chǎn)生動(dòng)過程產(chǎn)生卸荷卸荷效應(yīng)效應(yīng) 巖體破斷變形、巖體破斷變形、裂隙網(wǎng)絡(luò)裂隙網(wǎng)絡(luò)形成形成流體運(yùn)移流體運(yùn)移滲流場(chǎng)滲流場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)裂隙裂隙場(chǎng)場(chǎng)滲流滲流場(chǎng)場(chǎng) 應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)是動(dòng)力，是動(dòng)力，裂隙場(chǎng)裂隙場(chǎng)是基礎(chǔ)，是基礎(chǔ)，滲流場(chǎng)滲流場(chǎng)是核心。是核心?！叭龍?chǎng)三場(chǎng)”問題是提升煤炭開采技術(shù)、支護(hù)技術(shù)、煤與瓦斯等災(zāi)害控制技問題是提升煤炭開采技術(shù)、支護(hù)技

8、術(shù)、煤與瓦斯等災(zāi)害控制技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題。術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題。三場(chǎng)均缺乏理論模型，更沒有三場(chǎng)耦合理論體系：三場(chǎng)均缺乏理論模型，更沒有三場(chǎng)耦合理論體系：應(yīng)力場(chǎng)：針對(duì)淺部，有砌體梁、傳遞巖梁等，但針對(duì)深部沒有模型和理應(yīng)力場(chǎng)：針對(duì)淺部，有砌體梁、傳遞巖梁等，但針對(duì)深部沒有模型和理論論裂隙場(chǎng)：有定性模型，但沒有定量描述和理論模型裂隙場(chǎng)：有定性模型，但沒有定量描述和理論模型滲流場(chǎng)：有模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但理論不完善滲流場(chǎng)：有模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但理論不完善研究邊界與現(xiàn)場(chǎng)開采方式脫節(jié)，亟需建立不同開采方式下現(xiàn)研究邊界與現(xiàn)場(chǎng)開采方式脫節(jié)，亟需建立不同開采方式下現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn)之間的聯(lián)系場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn)之間的聯(lián)系裂隙

9、群產(chǎn)生、擴(kuò)展、相互交叉后繼續(xù)發(fā)展缺乏分析方法和計(jì)裂隙群產(chǎn)生、擴(kuò)展、相互交叉后繼續(xù)發(fā)展缺乏分析方法和計(jì)算手段算手段科學(xué)問題科學(xué)問題“三場(chǎng)三場(chǎng)”問題思考問題思考： 滲流場(chǎng)滲流場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)裂隙裂隙場(chǎng)場(chǎng)耦合耦合三場(chǎng)耦合理論模型三場(chǎng)耦合理論模型指導(dǎo)煤炭開采指導(dǎo)煤炭開采不同開采方式下，應(yīng)力場(chǎng)不同開采方式下，應(yīng)力場(chǎng)- -裂隙場(chǎng)裂隙場(chǎng)- -滲流場(chǎng)耦合分析滲流場(chǎng)耦合分析采動(dòng)力學(xué)理論采動(dòng)力學(xué)理論三場(chǎng)獲取：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、三場(chǎng)獲取：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、3D3D打印技術(shù)試驗(yàn)、數(shù)值模型打印技術(shù)試驗(yàn)、數(shù)值模型裂隙群擴(kuò)展計(jì)算方法裂隙群擴(kuò)展計(jì)算方法三場(chǎng)理論模型提出三場(chǎng)理論模型提出問題方法手段目標(biāo)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謝和平謝和平,高峰高峰,周宏偉周宏偉,程紅梅程紅梅,周福寶周福寶.

11、 煤與瓦斯共采中煤層增透率理論與模型煤與瓦斯共采中煤層增透率理論與模型研究研究J. 煤炭學(xué)報(bào)煤炭學(xué)報(bào),2013,(7).1101-1108現(xiàn)有研究成果與成效現(xiàn)有研究成果與成效進(jìn)展四：從增透理論得到工作面前方滲流場(chǎng)：即瓦斯增透率圖譜進(jìn)展四：從增透理論得到工作面前方滲流場(chǎng)：即瓦斯增透率圖譜1.煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論2.煤炭開采的深部巖石力學(xué)理論3.煤炭開采的應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)理論4.巖石分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論5.致密礦藏資源開發(fā)的體破裂理論6.煤炭開采中的低碳化理論問題（CCU）17煤炭開采中的基礎(chǔ)科學(xué)問題與探索煤巖體分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論及可視化方法瓦斯突出區(qū) 需要發(fā)展新理論煤巖體分形重構(gòu)與

12、災(zāi)變能量理論及可視化方法深部煤層開采能否用數(shù)學(xué)、力學(xué)的方法和手段，直觀定量地表征礦山深部“看不見、摸不著”的煤巖體不連續(xù)結(jié)構(gòu)、開采過程中煤巖體結(jié)構(gòu)演化、應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)變化？得到開挖時(shí)深部煤巖體的應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)的大小、空間分布和集聚位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部煤炭開發(fā)中災(zāi)害發(fā)生的位置、量級(jí)和時(shí)間進(jìn)行分析和初步預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)？煤巖體分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論及可視化方法煤巖體斷續(xù)結(jié)構(gòu)的分形重構(gòu)理論與三維可視化方法煤巖體災(zāi)變的能量機(jī)制與能量準(zhǔn)則煤巖體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)、滲流場(chǎng)的三維可視化方法解決深部煤巖體內(nèi)部不連續(xù)結(jié)構(gòu)的直觀與定量描述的問題解決深部煤巖體災(zāi)變的內(nèi)部能量積聚、傳遞、耗散和釋放機(jī)制，建立災(zāi)變能量準(zhǔn)則的問題解決

13、對(duì)深部煤巖體災(zāi)變行為起控制作用的內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)、滲流場(chǎng)分布和演化的直觀與定量描述的問題煤巖體分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論及可視化方法通過我們分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論的計(jì)算和分析，可以得到深部煤巖體的應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)的大小、空間分布和集聚位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部礦山災(zāi)害發(fā)生的位置、量級(jí)和時(shí)間進(jìn)行分析和初步預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。1.煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論2.煤炭開采的深部巖石力學(xué)理論3.煤炭開采的應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)理論4.巖石分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論5.致密礦藏資源開發(fā)的體破裂理論6.煤炭開采中的低碳化理論問題（CCU）21煤炭開采中的基礎(chǔ)科學(xué)問題與探索五、致密礦藏開發(fā)的體破裂理論五、致密礦藏開發(fā)的體破裂理論體破裂體破裂

14、是三維巖體在載荷作用下內(nèi)部孔隙、是三維巖體在載荷作用下內(nèi)部孔隙、裂隙及人工裂隙充分?jǐn)U展、貫通并形成新裂隙及人工裂隙充分?jǐn)U展、貫通并形成新的三維裂隙系統(tǒng)這一完整力學(xué)過程；的三維裂隙系統(tǒng)這一完整力學(xué)過程；是巖是巖體在大尺度下，大破裂、大強(qiáng)度、大能量體在大尺度下，大破裂、大強(qiáng)度、大能量釋放的過程釋放的過程。儲(chǔ)儲(chǔ)層壓裂改造層壓裂改造的核心理論的核心理論問題是問題是體破裂問題體破裂問題目前致密油氣資源開發(fā)最有效的途徑仍是目前致密油氣資源開發(fā)最有效的途徑仍是對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造壓裂改造。五、致密礦藏開發(fā)的體破裂理論五、致密礦藏開發(fā)的體破裂理論理論分析上的思考理論分析上的思考：1 1）進(jìn)行三維斷裂力

15、學(xué)理論分析與探索）進(jìn)行三維斷裂力學(xué)理論分析與探索；2 2）唯象建模和體破裂理論分析：）唯象建模和體破裂理論分析：根據(jù)頁巖氣開采實(shí)際現(xiàn)根據(jù)頁巖氣開采實(shí)際現(xiàn)狀進(jìn)行抽象、假設(shè)并建立三維體破裂的唯象模型，進(jìn)而進(jìn)行體破狀進(jìn)行抽象、假設(shè)并建立三維體破裂的唯象模型，進(jìn)而進(jìn)行體破裂的理論研究；裂的理論研究；3 3）實(shí)現(xiàn)大體量、大尺度、高密度體破裂的最佳破裂途徑）實(shí)現(xiàn)大體量、大尺度、高密度體破裂的最佳破裂途徑理論預(yù)測(cè)及技術(shù)設(shè)計(jì)。理論預(yù)測(cè)及技術(shù)設(shè)計(jì)。五、致密礦藏開發(fā)的體破裂理論五、致密礦藏開發(fā)的體破裂理論 我們開展了低滲原煤的氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)，并與水力壓裂我們開展了低滲原煤的氣動(dòng)壓裂實(shí)驗(yàn)，并與水力壓裂進(jìn)行了對(duì)比。進(jìn)行

16、了對(duì)比。0100200300400500600700-0.0020.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200100020003000400050006000體應(yīng)變時(shí)間（s） 體應(yīng)變振鈴計(jì)數(shù)率（次/秒） 聲發(fā)射五、致密礦藏開發(fā)的體破裂理論五、致密礦藏開發(fā)的體破裂理論提出了高能氣動(dòng)脆裂技術(shù)并申請(qǐng)了專利提出了高能氣動(dòng)脆裂技術(shù)并申請(qǐng)了專利便于氣體輸運(yùn)的高分子便于氣體輸運(yùn)的高分子中空熱脹支撐劑中空熱脹支撐劑高能氣動(dòng)脆裂系統(tǒng)示意圖高能氣動(dòng)脆裂系統(tǒng)示意圖1.煤炭開發(fā)的采動(dòng)力學(xué)理論2.煤炭開采的深部巖石力學(xué)理論3.煤炭開采的應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲

17、流場(chǎng)理論4.巖石分形重構(gòu)與災(zāi)變能量理論5.致密礦藏資源開發(fā)的體破裂理論6.煤炭開采中的低碳化理論問題（CCU）26煤炭開采中的基礎(chǔ)科學(xué)問題與探索我國分品種化石能源溫室氣體排放現(xiàn)狀與未來來源： 發(fā)改委氣候變化中心 李俊峰氣氣油油煤炭煤炭 我國煤炭消費(fèi)約占化石能源使用溫室氣體排放總量的70-80%，占全部溫室氣體排放的50-56%。煤炭是京津冀地區(qū)霧霾的主要污染因素 北京市報(bào)告顯示， PM2.5來源中，機(jī)動(dòng)車、燃煤、工業(yè)生產(chǎn)和揚(yáng)塵分別占了31.1%、22.4%、18.1%和14.3%。 天津市公布的解析結(jié)果顯示，PM2.5中揚(yáng)塵、燃煤、機(jī)動(dòng)車、工業(yè)生產(chǎn)貢獻(xiàn)率分別為30%、27%、20%、17%。 石家莊市環(huán)境空氣PM2.5來源中，本地各類污染源排放分擔(dān)率為：燃煤28.5%、工業(yè)生產(chǎn)25.2%、揚(yáng)塵22.5%、機(jī)動(dòng)車15.0%，其它生物質(zhì)燃燒、餐飲、農(nóng)業(yè)等占比8.8%。其中， 初步揭開了京津冀地區(qū)的霧霾成因，燃煤、機(jī)動(dòng)車和揚(yáng)塵燃煤、機(jī)動(dòng)車和揚(yáng)塵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。煤炭應(yīng)開創(chuàng)高碳能源低碳開發(fā)的理念煤炭應(yīng)開創(chuàng)高碳能源低碳開發(fā)