瓦斯地质学

学科

瓦斯地质学，是研究瓦斯的形成、运移、赋存及发生瓦斯灾害和瓦斯资源开发评价的地质控制理论的一门交叉学科。

创建背景

20世纪80年代，在杨力生教授的倡导下，煤炭工业部组织开展了第一次全国煤矿瓦斯地质图编图，全国大约有100余处煤矿编制了瓦斯地质图，初步奠定了煤矿瓦斯地质编图的理论基础和工作方法，公开出版《1：200万中国煤矿瓦斯地质图编制》（张祖银、张子敏主编，西安地图出版社，1992），之后，以河南理工大学张子敏教授为学术带头人的课题组，长期坚持瓦斯地质图编研与推广应用，创立了瓦斯地质学科，出版了《瓦斯地质学》等丰富的论著。

研究对象

瓦斯地质学认为瓦斯是煤在地质历史演化过程中形成的气体地质体，它是研究瓦斯的形成、运移、赋存及发生瓦斯灾害和瓦斯资源开发评价的地质控制理论的一门交叉学科。①赋存在煤层中的瓦斯，在煤炭开采活动中会造成涌出和发生煤与瓦斯突出灾害，涉及到采矿学、岩体力学、流体力学、气体动力学、煤化学、煤田地质学、构造地质学、区域地质学和板块构造理论等领域；②瓦斯预测和瓦斯治理理论及技术，涉及到数学、计算机科学、信息科学、地球物理学、电气自动化理论等领域；③开发利用煤层中的瓦斯资源，涉及到煤成烃地球化学、煤地质学、渗流理论、自动控制理论等领域。

研究内容

（1）瓦斯赋存机理研究

现在的煤层瓦斯赋存状态和影响煤与瓦斯突出、瓦斯涌出量、瓦斯含量和瓦斯渗透率等地质条件是含煤地层经历多次构造运动演化作用的结果，从宏观上涉及到板块构造运动、区域地质演化；从微观上涉及到煤的分子结构和化学作用。瓦斯赋存机理是世界产煤国家共同面临的国际性技术难题。瓦斯赋存分布控制着瓦斯含量、瓦斯涌出量和瓦斯抽采方法与技术；构造复杂程度控制着煤与瓦斯突出危险性；构造煤的赋存分布控制着瓦斯抽采的难度。

（2）构造煤与瓦斯突出煤体基础理论研究

构造煤是煤层受地质构造挤压剪切破坏作用的产物。瓦斯突出煤体是指含高能瓦斯的构造煤体，几乎所有的煤与瓦斯突出动力现象都是发生在构造煤分布区。瓦斯突出煤体具有高瓦斯含量、瓦斯高解吸速度、低强度、低渗透性的“两高两低”特性，因此它控制着瓦斯灾害的发生和治理，也控制着煤层气地面开发，是瓦斯地质研究的核心理论。国家科技部领导指出：加强“构造煤的成因及分布规律”研究，“力争在瓦斯灾害发生机理、预防控制理论上取得重大突破”，“深化机理和规律研究，为煤矿生产安全提供理论支撑”。构造煤与瓦斯突出煤体基础理论主要是运用构造地质学、地球物理学、流体力学、量子化学、力化学等相关学科，研究①构造煤力化学作用；②构造煤瓦斯多场多相耦合作用；③构造煤探测理论与技术等。为瓦斯突出煤体预测、瓦斯治理和煤层气开发提供理论基础。

（3）瓦斯（煤层气）抽采地质控制机理研究

瓦斯（煤层气）高效抽采是瓦斯治理的根本。正是由于煤层中赋存着高含量瓦斯和透气性低才造成煤与瓦斯突出危险性，高瓦斯煤与瓦斯突出矿井、矿区时时刻刻都受着煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸灾害的威胁。目前，我国煤矿瓦斯抽采率只达5%～12%左右，吨煤瓦斯抽采量不足1m3，仅为平均煤层瓦斯含量的6%～10%。

以煤矿瓦斯（煤层气）抽采地质控制机理为核心，围绕瓦斯富集和渗透性两个科学问题，运用板块构造、区域地质演化和瓦斯赋存构造逐级控制理论，依据中国煤矿地质条件复杂、瓦斯低渗富集区分布面积大、高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井居多的特点，开展①瓦斯赋存构造逐级控制理论；②瓦斯低渗富集区成因与分布；③高渗富集区成因与分布；④高富集低渗煤层甲烷解吸、流动特性；⑤煤矿瓦斯（煤层气）高效抽采地质控制机理5个方面的研究，突破 “突出煤层为煤层气开发禁区”的认知，揭示低渗煤层可抽性和瓦斯富集构造控制机理，为高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层瓦斯井下抽采和煤层气地面开发奠定理论基础。

（4）煤与瓦斯突出地质控制机理研究

国务院常务会议决定采取七项措施大力开展瓦斯集中整治，其中一项就是加快煤与瓦斯突出机理及预测预报科研攻关。《1：200万中国煤层瓦斯地质图编制》提出：几乎所有的煤与瓦斯突出都间接或直接地与地质构造有关。板缘构造活动带、造山带、深层构造陡变带、深大断裂活动带、逆冲推覆构造带、强变形带等是发生煤与瓦斯突出的敏感地带。中国目前有58个高瓦斯煤与瓦斯突出矿区，其中有49个高突矿区属于石炭--二叠系煤层；中国目前有3500余对高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井。发生煤与瓦斯突出近20000次，是世界上突出矿井对数、突出次数最多的国家。瓦斯赋存分布是构造演化作用的结果，构造煤的形成与分布是构造强挤压剪切作用的结果。煤与瓦斯突出动力灾害主要发生在构造复杂区、构造煤发育区。运用板块构造、区域地质演化和瓦斯赋存构造逐级控制理论，研究我国58个高瓦斯、煤与瓦斯突出矿区构造演化特征；研究煤与瓦斯突出矿井发生突出的地质原因；研究煤与瓦斯突出危险区的分布规律；研究瓦斯突出煤体的分布规律。

研究方法

（1）瓦斯地质规律研究

瓦斯地质规律研究是瓦斯预测研究的基础。煤矿瓦斯（煤层气）是成煤作用的产物，现今煤层瓦斯的赋存状态是煤层经历历次构造运动演化作用的结果，受着各种复杂地质因素的控制。每次地质构造运动，不同构造应力场的作用，板块构造碰撞，区域构造挤压或拉张，引起隆起或拗陷，同时形成一系列不同级别的断裂、褶皱或发生岩浆作用等，控制着区域及其不同矿区（煤田）、矿井、采区、采面的煤层、围岩发生不同程度的变形破坏，形成构造煤，并引起水文、地应力等不同条件的变化，控制着煤层瓦斯赋存和分布的变化，如瓦斯的含量、瓦斯的压力、瓦斯渗透性等。瓦斯赋存分布受着不同地质条件的控制，从区域到矿区、矿井、采区、采面都存在着不同地质条件下的瓦斯赋存状态，存在着不同级别的瓦斯地质规律。

运用煤田地质理论、构造逐级控制理论、水文地质理论、构造煤理论等，研究不同级别的地质单元瓦斯与地质因素的关系，研究不同矿区到矿井、采区、采面的瓦斯地质规律，只有瓦斯地质规律厘清了，瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯资源量预测等模型才能可靠地建立。以往的经验和教训，低瓦斯矿井大型和特大型瓦斯爆炸事故时有发生。近几年，随着我国煤矿开采深度和强度的不断加大，低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出事故也在不断增加。由于是白垩系的煤层，盖层基岩薄，煤层上覆主要是堆积的火山碎屑岩，由于厚度不均，造成瓦斯风化带深度大，规律不明。又加上处于西伯利亚板块与太平洋板块两大动力学体系叠加的地带，构造应力场强烈，造成煤层开采由瓦斯风化带直接进入煤与瓦斯突出危险区。我国地质构造极为复杂，瓦斯地质规律也极为复杂，低瓦斯矿井同样需要加强瓦斯地质规律研究。

（2）瓦斯赋存构造逐级控制理论研究

大的地壳运动多是由板块碰撞引起的，中国的含煤地层较早的石炭—二叠系含煤地层形成以来主要经历了印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动，其中又可分为早、中、晚。每次构造运动的构造规模，涉及的范围，构造应力场等都不尽相同。煤层瓦斯的生成、瓦斯的保存条件控制着瓦斯的赋存和分布。瓦斯作为储存在煤层中的气体极易逸散，现今煤层中储存的瓦斯仅为瓦斯生成量的20%以下，80%以上都逸散掉了。主要原因是煤层形成以来，在历次构造运动中，拉张裂陷活动会使得煤层瓦斯大量逸散。同时构造运动引起的煤层深成变质和岩浆热变质作用会引起生烃作用。构造挤压、剪切作用会使煤体结构发生不同程度的韧塑性破坏，形成构造煤。不同级别的构造活动和构造应力场控制着构造作用的范围和强度，也就控制着不同区域、不同范围煤层瓦斯的赋存和分布，同时控制着煤层赋存条件、煤体结构破坏条件。板块构造控制着区域构造的作用范围和强度；区域构造控制着矿区（煤田）构造作用的范围和强度；矿区构造控制井田和采区、采面构造的范围和强度，构造逐级控制特征控制着不同级别范围煤层瓦斯的赋存和分布。只有厘清板块构造才能厘清区域构造控制，也才能厘清矿区构造控制；矿区构造控制矿井构造，矿井构造控制着采区、采面构造的分布。瓦斯赋存、构造煤和煤与瓦斯突出危险区的分布都是受构造控制的。因此，只有厘清瓦斯赋存构造逐级控制理论才能厘清不同级别的瓦斯地质规律，才能准确预测瓦斯。

（3）编制煤矿多级瓦斯地质图研究

瓦斯储存在煤层里，是一种复杂的气体地质体，瓦斯在煤层中的赋存和分布受着地质条件的控制，有着明显的瓦斯地质规律。瓦斯涌出和发生煤与瓦斯突出灾害与矿井采掘工艺、矿山压力和人为因素等又有着密切的关系。人们对煤炭开发的社会行为，有着不同级别的管理层次和范围，可分为省（区）、矿区、矿井、采掘工作面。采掘生产工艺不同，影响瓦斯涌出的速度、涌出量大小；同时引起的开采应力不同，在与复杂地质条件的共同作用下会引发不同强度的煤与瓦斯突出灾害。瓦斯的赋存、煤与瓦斯突出危险性的地质条件都与不同级别的地质构造密切相关。在瓦斯地质理论的指导下，运用瓦斯赋存构造逐级控制理论可以通过不同级别的地质构造与瓦斯赋存地质条件的控制关系，揭示不同级别范围的瓦斯地质规律，如矿区、矿井、采区、采面瓦斯地质规律。通过整理建矿以来揭露的大量瓦斯地质资料，建立瓦斯含量、资源量、瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出危险性预测模型，进行瓦斯预测，编制不同级别的彩色瓦斯地质图。

80年代，杨力生教授称全国煤矿瓦斯地质编图为宝塔式的系列图，从编制采面、采区、矿井瓦斯地质图，然后汇总编制矿区、省（区、市）瓦斯地质图，最后编制“中国煤层瓦斯地质图”。各级瓦斯地质图有着不同级别的预测功能、管理功能。煤矿彩色瓦斯地质图高度概括、主题突出、层次分明、一目了然。瓦斯地质图是瓦斯地质和瓦斯预测研究最好的档案，长年不懈的坚持填图、预测、分析，对于瓦斯综合治理做到有的放矢，也是瓦斯资源抽采利用最重要的基础。编制煤矿多级瓦斯地质图是从根本上治理瓦斯灾害。

发展趋势

（1）发展目标

瓦斯是复杂的气体地质体，瓦斯地质理论与技术的发展和突破是揭示瓦斯赋存、煤与瓦斯突出机理的基础，是推动瓦斯综合治理工作科学发展的关键。今后的目标，是要深化完善瓦斯地质理论，深入研究瓦斯赋存构造逐级控制理论，结合地球物理探测方法和计算机科学，力求做到瓦斯赋存定量化控制和可视化。深入开展深部开采扰动瓦斯灾害机理的研究；加快构造煤分子级的瓦斯赋存和吸附-解吸规律的研究；深化构造煤的形成和空间展布量化研究；加强瓦斯地质工程技术研究。以瓦斯地质理论的突破为先导，加快瓦斯(煤层气)抽采理论和技术的突破，使我国瓦斯治理技术排在世界的最前列。

（2）设置煤矿各级瓦斯地质专职人员

无论从防治瓦斯灾害还是从瓦斯资源开发利用而言，都需要设置煤矿各级瓦斯地质专职人员，更何况防治瓦斯灾害是高难度的技术和一项重大系统工程。瓦斯含量、瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出灾害都是随着开采深度和采掘工艺技术的变化而不断发生变化，需要专职人员随时跟踪瓦斯地质信息，收集、分析资料，编制各级瓦斯地质图。更需要瓦斯地质专职人员不断修改和补充煤矿各级瓦斯地质图资料。

（3）建立健全《煤矿瓦斯地质工作规范》

瓦斯地质规律是反映煤层瓦斯形成、分布和赋存的规律，是研究煤与瓦斯突出地质原因的理论。瓦斯地质技术是煤矿安全生产和瓦斯资源开发最基本的技术。只要办煤矿，首先应该搞清瓦斯地质规律，只有如此，才能掌握瓦斯涌出和煤与瓦斯突出危险性的规律；只有如此，才能厘清把瓦斯作为资源进行开发的理论和技术。在厘清矿区、矿井区域构造演化历史的基础上，做到瓦斯赋存构造逐级控制，从而厘清瓦斯赋存和瓦斯突出危险性的分区、分带特征。目前，运用计算机技术，建立瓦斯突出危险性预测预报的可视化技术，首先要建立准确地瓦斯地质模型。这些都必须具有详尽的第一手瓦斯地质分析资料。因此，要建立健全《煤矿瓦斯地质工作规范》。

（4）瓦斯地质技术和采矿技术密切结合

现代化采煤技术的高速发展，生产越来越集中，采掘机械自动化程度越来越高，瓦斯集中涌出和矿山压力的急剧变化，使得原来的低瓦斯矿井也变成了高瓦斯矿井，使得影响煤与瓦斯突出的因素越来越复杂。这就需要瓦斯地质技术和采矿技术密切结合起来。

主要论著

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