發(fā)人深省的“瓦斯”

　　瓦斯災(zāi)害是煤礦安全生產(chǎn)的最大危害，是威脅礦工生命的“第一殺手”。我國(guó)大多數(shù)煤礦為瓦斯礦井，這使得我國(guó)成為世界上瓦斯災(zāi)害頻發(fā)國(guó)家之一。我國(guó)也是煤炭資源大國(guó)和煤層氣資源大國(guó)，資源結(jié)構(gòu)決定了我們?cè)谖磥硐喈?dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，不得不利用這種能源。

　　在國(guó)家科技部“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重大科技專項(xiàng)等多個(gè)科研項(xiàng)目的資助下，中國(guó)科學(xué)院研究生院副教授琚宜文對(duì)此展開了長(zhǎng)期研究，為把握煤層變形引起的厚度變化和煤體結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律，揭示瓦斯突出機(jī)理做了大量工作。

　　危險(xiǎn)的瓦斯

　　瓦斯是Gas的音譯。通常我們將Gas理解為氣體，但瓦斯不是一般的氣體。我們?cè)谌粘Ｉ钪刑岬酵咚箷r(shí)，它總是和瓦斯爆炸、瓦斯突出等災(zāi)難性聯(lián)系在一起。

　　瓦斯生于煤層并主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)集于煤層中，作為一種非常規(guī)天然氣，它還有一個(gè)名字叫煤層氣，其主要成分是甲烷。隨著煤礦開采深度的增加、瓦斯含量的增加，當(dāng)采掘巷道工程接近時(shí)，在各種力的作用下，煤層可能瞬間釋放出大量瓦斯和煤，從而造成地質(zhì)災(zāi)害，稱為煤與瓦斯突出。在當(dāng)前開采技術(shù)水平下，煤礦開采深度越深，煤層瞬間釋放瓦斯量也會(huì)越大。

　　還有一種災(zāi)害與瓦斯有關(guān)，那就是瓦斯爆炸。煤礦瓦斯涌出達(dá)到一定程度后，大量的有害氣體進(jìn)入坑道，可能導(dǎo)致礦工窒息。如果同時(shí)出現(xiàn)以下三種情況，則會(huì)引起瓦斯爆炸：一是空氣中氧氣含量達(dá)到12%以上；二是瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%至16%之間；三是遇到明火，點(diǎn)火溫度達(dá)到650攝氏度以上。

　　繞不開的瓦斯問題

　　瓦斯的治理是一個(gè)世界性的難題，目前還沒有從根本上解決瓦斯災(zāi)害的辦法。因此，許多發(fā)達(dá)國(guó)家為了減少事故的發(fā)生，禁止開采瓦斯涌出量大的礦井，或者對(duì)高瓦斯礦井進(jìn)行抽采，在瓦斯涌出量符合安全開采要求后進(jìn)行開采。

　　但是，中國(guó)是一個(gè)煤炭資源大國(guó)和煤層氣資源大國(guó)，煤炭是國(guó)家的第一能源。長(zhǎng)期以來，在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)構(gòu)成中均占2/3以上，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供主體能源保障。在未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，以煤炭為主的能源供應(yīng)格局仍不會(huì)有大的改變。我國(guó)還不能像日本等國(guó)家一樣，因?yàn)榇嬖谕咚刮ｋU(xiǎn)就關(guān)閉煤礦。

　　“煤層中蘊(yùn)含的煤礦瓦斯也是一種重要的能源。開采煤層氣對(duì)于防治煤礦瓦斯災(zāi)害、利用潔凈能源、保護(hù)大氣環(huán)境等都具有重要意義。”琚宜文介紹道。我國(guó)煤層氣資源量高達(dá)14萬億立方米（其甲烷含量大于4立方米/噸，埋深-2000米以淺。數(shù)據(jù)來自《中國(guó)煤層氣資源》），居世界第三位，與我國(guó)陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)。

　　因此，煤礦瓦斯災(zāi)害機(jī)理及煤層氣開發(fā)理論與技術(shù)的深入研究具有重要的意義。國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院等相關(guān)部門一直對(duì)這一領(lǐng)域的科研工作給予了大力支持。此外，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)與高等院校也進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論與技術(shù)研究工作，并取得了不少研究成果。琚宜文一直致力于適合中國(guó)地質(zhì)特點(diǎn)的構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)層物性、煤礦瓦斯災(zāi)害機(jī)理及煤層氣勘探相關(guān)理論與技術(shù)研究。

　　我國(guó)大陸是由幾大板塊經(jīng)多次碰撞拼合而成，至今仍受到歐亞、印度、太平洋三大板塊運(yùn)動(dòng)共同作用的影響；我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，成煤期多，延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，煤田遭受后期改造次數(shù)多而強(qiáng)烈，因而形成了我國(guó)煤田與煤層氣地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性。

　　我國(guó)主要有五個(gè)地質(zhì)時(shí)代的煤層，不同成煤時(shí)代煤層的瓦斯賦存與分布不一樣。中國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，有一個(gè)重要原因是中國(guó)開采的煤炭主要集中在工業(yè)發(fā)達(dá)的華北、華南地區(qū)，這些地區(qū)主要開采的是石炭一、二疊紀(jì)的煤層，是中國(guó)五個(gè)含煤地質(zhì)時(shí)代中較古老的煤層，經(jīng)歷的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)次數(shù)最多，在煤層中普遍發(fā)育構(gòu)造煤。因此，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。

　　搞清機(jī)理才能解決問題

　　在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)揭示有利于煤層氣聚集的地質(zhì)條件，找出構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)演化、儲(chǔ)層物性演化的理論依據(jù)是琚宜文所在課題組正在從事的研究工作。

　　構(gòu)造煤就是指煤層受構(gòu)造應(yīng)力作用，原生的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造遭受強(qiáng)烈破壞而產(chǎn)生碎裂、破碎、揉皺和糜棱化等構(gòu)造變動(dòng)特征的煤。構(gòu)造煤的變形有強(qiáng)有弱：弱變形包括原生煤體結(jié)構(gòu)被破壞而形成碎裂煤；強(qiáng)變形則是煤體在較高構(gòu)造應(yīng)力或長(zhǎng)期較高溫壓下化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

　　相關(guān)研究表明，當(dāng)煤層變形厚度發(fā)生顯著變化，且采煤巷道采至變形較強(qiáng)的構(gòu)造煤區(qū)時(shí)，極易發(fā)生瓦斯突出。我國(guó)大量礦井煤層氣地質(zhì)研究資料充分顯示出這樣一個(gè)事實(shí)：構(gòu)造煤分層厚度明顯增大，煤的滲透性反而會(huì)下降，也就是說煤層氣不易滲出，煤層含氣量增大。

　　此外，煤體微觀結(jié)構(gòu)也是影響煤與瓦斯突出和煤層氣開發(fā)的重要因素之一。

　　基于已有的研究，構(gòu)造煤超微結(jié)構(gòu)在不同溫壓和定向應(yīng)力等因素影響下會(huì)表現(xiàn)出超微尺度上的特征與規(guī)律。煤巖大分子結(jié)構(gòu)的變形可以引起納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的變化，而納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)是煤層氣的主要吸附和擴(kuò)散空間。因而在不同的變質(zhì)階段，不同機(jī)制的變形對(duì)不同類型構(gòu)造煤超微結(jié)構(gòu)的影響以及對(duì)其變質(zhì)變形環(huán)境的研究具有重要的科學(xué)意義，而且對(duì)于煤層氣的儲(chǔ)集和賦存狀態(tài)、煤與瓦斯突出的機(jī)理以及煤層氣資源和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)等，都具有十分重要的實(shí)際意義。

　　通過各種測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)模型、煤巖超微結(jié)構(gòu)與應(yīng)力的關(guān)系以及構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與應(yīng)變環(huán)境等三方面研究成果，琚宜文等指出：構(gòu)造煤的變形程度不同，其含氣量也不同，變形較強(qiáng)烈的構(gòu)造煤層比原生煤層含氣量高。而碎裂程度較高的構(gòu)造煤具有含氣量高、相對(duì)滲透率高和孔容較大等特點(diǎn)，對(duì)煤層氣勘探開發(fā)有利；煤體受韌性剪切且結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重的區(qū)域，一般也是瓦斯含量高及煤與瓦斯突出嚴(yán)重的地方。

　　所以，準(zhǔn)確把握煤層變形引起的厚度變化和煤體結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律，闡明影響瓦斯災(zāi)害的主控因素，揭示瓦斯突出機(jī)理，能夠有效地促進(jìn)瓦斯災(zāi)害的防治和煤層氣的有效勘探開發(fā)。