瓦斯地質學

瓦斯地質學，是研究瓦斯的形成、運移、賦存及發生瓦斯災害和瓦斯資源開發評價的地質控制理論的一門交叉學科。

基本介紹

• 中文名：瓦斯地質學
• 創立時間：1992
• 創立人：張子敏
• 萌芽時間：20世紀80年代

創建背景

20世紀80年代，在楊力生教授的倡導下，煤炭工業部組織開展了第一次全國煤礦瓦斯地質圖編圖，全國大約有100餘處煤礦編制了瓦斯地質圖，初步奠定了煤礦瓦斯地質編圖的理論基礎和工作方法，公開出版《1：200萬中國煤礦瓦斯地質圖編制》（張祖銀、張子敏主編，西安地圖出版社，1992），之後，以河南理工大學張子敏教授為學術帶頭人的課題組，長期堅持瓦斯地質圖編研與推廣套用，創立了瓦斯地質學科，出版了《瓦斯地質學》等豐富的論著。

研究對象

瓦斯地質學認為瓦斯是煤在地質歷史演化過程中形成的氣體地質體，它是研究瓦斯的形成、運移、賦存及發生瓦斯災害和瓦斯資源開發評價的地質控制理論的一門交叉學科。①賦存在煤層中的瓦斯，在煤炭開採活動中會造成湧出和發生煤與瓦斯突出災害，涉及到採礦學、岩體力學、流體力學、氣體動力學、煤化學、煤田地質學、構造地質學、區域地質學和板塊構造理論等領域；②瓦斯預測和瓦斯治理理論及技術，涉及到數學、計算機科學、信息科學、地球物理學、電氣自動化理論等領域；③開發利用煤層中的瓦斯資源，涉及到煤成烴地球化學、煤地質學、滲流理論、自動控制理論等領域。

研究內容

（1）瓦斯賦存機理研究

現在的煤層瓦斯賦存狀態和影響煤與瓦斯突出、瓦斯湧出量、瓦斯含量和瓦斯滲透率等地質條件是含煤地層經歷多次構造運動演化作用的結果，從巨觀上涉及到板塊構造運動、區域地質演化；從微觀上涉及到煤的分子結構和化學作用。瓦斯賦存機理是世界產煤國家共同面臨的國際性技術難題。瓦斯賦存分布控制著瓦斯含量、瓦斯湧出量和瓦斯抽采方法與技術；構造複雜程度控制著煤與瓦斯突出危險性；構造煤的賦存分布控制著瓦斯抽采的難度。

（2）構造煤與瓦斯突出煤體基礎理論研究

構造煤是煤層受地質構造擠壓剪下破壞作用的產物。瓦斯突出煤體是指含高能瓦斯的構造煤體，幾乎所有的煤與瓦斯突出動力現象都是發生在構造煤分布區。瓦斯突出煤體具有高瓦斯含量、瓦斯高解吸速度、低強度、低滲透性的“兩高兩低”特性， 因此它控制著瓦斯災害的發生和治理，也控制著煤層氣地面開發，是瓦斯地質研究的核心理論。國家科技部領導指出：加強“構造煤的成因及分布規律”研究，“力爭在瓦斯災害發生機理、預防控制理論上取得重大突破”，“深化機理和規律研究，為煤礦生產安全提供理論支撐”。構造煤與瓦斯突出煤體基礎理論主要是運用構造地質學、地球物理學、流體力學、量子化學、力化學等相關學科，研究①構造煤力化學作用；②構造煤瓦斯多場多相耦合作用；③構造煤探測理論與技術等。為瓦斯突出煤體預測、瓦斯治理和煤層氣開發提供理論基礎。

（3）瓦斯（煤層氣）抽采地質控制機理研究

瓦斯（煤層氣）高效抽采是瓦斯治理的根本。正是由於煤層中賦存著高含量瓦斯和透氣性低才造成煤與瓦斯突出危險性，高瓦斯煤與瓦斯突出礦井、礦區時時刻刻都受著煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸災害的威脅。目前，我國煤礦瓦斯抽采率只達5%～12%左右，噸煤瓦斯抽采量不足1m3，僅為平均煤層瓦斯含量的6%～10%。

以煤礦瓦斯（煤層氣）抽采地質控制機理為核心，圍繞瓦斯富集和滲透性兩個科學問題，運用板塊構造、區域地質演化和瓦斯賦存構造逐級控制理論，依據中國煤礦地質條件複雜、瓦斯低滲富集區分布面積大、高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井居多的特點，開展①瓦斯賦存構造逐級控制理論；②瓦斯低滲富集區成因與分布；③高滲富集區成因與分布；④高富集低滲煤層甲烷解吸、流動特性；⑤煤礦瓦斯（煤層氣）高效抽采地質控制機理5個方面的研究，突破 “突出煤層為煤層氣開發禁區”的認知，揭示低滲煤層可抽性和瓦斯富集構造控制機理，為高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層瓦斯井下抽采和煤層氣地面開發奠定理論基礎。

（4）煤與瓦斯突出地質控制機理研究

國務院常務會議決定採取七項措施大力開展瓦斯集中整治，其中一項就是加快煤與瓦斯突出機理及預測預報科研攻關。《1：200萬中國煤層瓦斯地質圖編制》提出：幾乎所有的煤與瓦斯突出都間接或直接地與地質構造有關。板緣構造活動帶、造山帶、深層構造陡變帶、深大斷裂活動帶、逆沖推覆構造帶、強變形帶等是發生煤與瓦斯突出的敏感地帶。中國目前有58個高瓦斯煤與瓦斯突出礦區，其中有49個高突礦區屬於石炭--二疊系煤層；中國目前有3500餘對高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井。發生煤與瓦斯突出近20000次，是世界上突出礦井對數、突出次數最多的國家。瓦斯賦存分布是構造演化作用的結果，構造煤的形成與分布是構造強擠壓剪下作用的結果。煤與瓦斯突出動力災害主要發生在構造複雜區、構造煤發育區。運用板塊構造、區域地質演化和瓦斯賦存構造逐級控制理論，研究我國58個高瓦斯、煤與瓦斯突出礦區構造演化特徵；研究煤與瓦斯突出礦井發生突出的地質原因；研究煤與瓦斯突出危險區的分布規律；研究瓦斯突出煤體的分布規律。

研究方法

（1）瓦斯地質規律研究

瓦斯地質規律研究是瓦斯預測研究的基礎。煤礦瓦斯（煤層氣）是成煤作用的產物，現今煤層瓦斯的賦存狀態是煤層經歷歷次構造運動演化作用的結果，受著各種複雜地質因素的控制。每次地質構造運動，不同構造應力場的作用，板塊構造碰撞，區域構造擠壓或拉張，引起隆起或拗陷，同時形成一系列不同級別的斷裂、褶皺或發生岩漿作用等，控制著區域及其不同礦區（煤田）、礦井、採區、采面的煤層、圍岩發生不同程度的變形破壞，形成構造煤，並引起水文、地應力等不同條件的變化，控制著煤層瓦斯賦存和分布的變化，如瓦斯的含量、瓦斯的壓力、瓦斯滲透性等。瓦斯賦存分布受著不同地質條件的控制，從區域到礦區、礦井、採區、采面都存在著不同地質條件下的瓦斯賦存狀態，存在著不同級別的瓦斯地質規律。

運用煤田地質理論、構造逐級控制理論、水文地質理論、構造煤理論等，研究不同級別的地質單元瓦斯與地質因素的關係，研究不同礦區到礦井、採區、采面的瓦斯地質規律，只有瓦斯地質規律釐清了，瓦斯湧出量預測、煤與瓦斯突出危險性預測、瓦斯資源量預測等模型才能可靠地建立。以往的經驗和教訓，低瓦斯礦井大型和特大型瓦斯爆炸事故時有發生。近幾年，隨著我國煤礦開採深度和強度的不斷加大，低瓦斯礦井發生煤與瓦斯突出事故也在不斷增加。由於是白堊系的煤層，蓋層基岩薄，煤層上覆主要是堆積的火山碎屑岩，由於厚度不均，造成瓦斯風化帶深度大，規律不明。又加上處於西伯利亞板塊與太平洋板塊兩大動力學體系疊加的地帶，構造應力場強烈，造成煤層開採由瓦斯風化帶直接進入煤與瓦斯突出危險區。我國地質構造極為複雜，瓦斯地質規律也極為複雜，低瓦斯礦井同樣需要加強瓦斯地質規律研究。

（2）瓦斯賦存構造逐級控制理論研究

大的地殼運動多是由板塊碰撞引起的，中國的含煤地層較早的石炭—二疊系含煤地層形成以來主要經歷了印支運動、燕山運動、喜馬拉雅運動，其中又可分為早、中、晚。每次構造運動的構造規模，涉及的範圍，構造應力場等都不盡相同。煤層瓦斯的生成、瓦斯的保存條件控制著瓦斯的賦存和分布。瓦斯作為儲存在煤層中的氣體極易逸散，現今煤層中儲存的瓦斯僅為瓦斯生成量的20%以下，80%以上都逸散掉了。主要原因是煤層形成以來，在歷次構造運動中，拉張裂陷活動會使得煤層瓦斯大量逸散。同時構造運動引起的煤層深成變質和岩漿熱變質作用會引起生烴作用。構造擠壓、剪下作用會使煤體結構發生不同程度的韌塑性破壞，形成構造煤。不同級別的構造活動和構造應力場控制著構造作用的範圍和強度，也就控制著不同區域、不同範圍煤層瓦斯的賦存和分布，同時控制著煤層賦存條件、煤體結構破壞條件。板塊構造控制著區域構造的作用範圍和強度；區域構造控制著礦區（煤田）構造作用的範圍和強度；礦區構造控制井田和採區、采面構造的範圍和強度，構造逐級控制特徵控制著不同級別範圍煤層瓦斯的賦存和分布。只有釐清板塊構造才能釐清區域構造控制，也才能釐清礦區構造控制；礦區構造控制礦井構造，礦井構造控制著採區、采面構造的分布。瓦斯賦存、構造煤和煤與瓦斯突出危險區的分布都是受構造控制的。因此，只有釐清瓦斯賦存構造逐級控制理論才能釐清不同級別的瓦斯地質規律，才能準確預測瓦斯。

（3）編制煤礦多級瓦斯地質圖研究

瓦斯儲存在煤層里，是一種複雜的氣體地質體，瓦斯在煤層中的賦存和分布受著地質條件的控制，有著明顯的瓦斯地質規律。瓦斯湧出和發生煤與瓦斯突出災害與礦井採掘工藝、礦山壓力和人為因素等又有著密切的關係。人們對煤炭開發的社會行為，有著不同級別的管理層次和範圍，可分為省（區）、礦區、礦井、採掘工作面。採掘生產工藝不同，影響瓦斯湧出的速度、湧出量大小；同時引起的開採應力不同，在與複雜地質條件的共同作用下會引發不同強度的煤與瓦斯突出災害。瓦斯的賦存、煤與瓦斯突出危險性的地質條件都與不同級別的地質構造密切相關。在瓦斯地質理論的指導下，運用瓦斯賦存構造逐級控制理論可以通過不同級別的地質構造與瓦斯賦存地質條件的控制關係，揭示不同級別範圍的瓦斯地質規律，如礦區、礦井、採區、采面瓦斯地質規律。通過整理建礦以來揭露的大量瓦斯地質資料，建立瓦斯含量、資源量、瓦斯湧出量、煤與瓦斯突出危險性預測模型，進行瓦斯預測，編制不同級別的彩色瓦斯地質圖。

80年代，楊力生教授稱全國煤礦瓦斯地質編圖為寶塔式的系列圖，從編制采面、採區、礦井瓦斯地質圖，然後匯總編制礦區、省（區、市）瓦斯地質圖，最後編制“中國煤層瓦斯地質圖”。各級瓦斯地質圖有著不同級別的預測功能、管理功能。煤礦彩色瓦斯地質圖高度概括、主題突出、層次分明、一目了然。瓦斯地質圖是瓦斯地質和瓦斯預測研究最好的檔案，長年不懈的堅持填圖、預測、分析，對於瓦斯綜合治理做到有的放矢，也是瓦斯資源抽采利用最重要的基礎。編制煤礦多級瓦斯地質圖是從根本上治理瓦斯災害。

發展趨勢

（1）發展目標

瓦斯是複雜的氣體地質體，瓦斯地質理論與技術的發展和突破是揭示瓦斯賦存、煤與瓦斯突出機理的基礎，是推動瓦斯綜合治理工作科學發展的關鍵。今後的目標，是要深化完善瓦斯地質理論，深入研究瓦斯賦存構造逐級控制理論，結合地球物理探測方法和計算機科學，力求做到瓦斯賦存定量化控制和可視化。深入開展深部開採擾動瓦斯災害機理的研究；加快構造煤分子級的瓦斯賦存和吸附-解吸規律的研究；深化構造煤的形成和空間展布量化研究；加強瓦斯地質工程技術研究。以瓦斯地質理論的突破為先導，加快瓦斯(煤層氣)抽采理論和技術的突破，使我國瓦斯治理技術排在世界的最前列。

（2）設定煤礦各級瓦斯地質專職人員

無論從防治瓦斯災害還是從瓦斯資源開發利用而言，都需要設定煤礦各級瓦斯地質專職人員，更何況防治瓦斯災害是高難度的技術和一項重大系統工程。瓦斯含量、瓦斯湧出量、煤與瓦斯突出災害都是隨著開採深度和採掘工藝技術的變化而不斷發生變化，需要專職人員隨時跟蹤瓦斯地質信息，收集、分析資料，編制各級瓦斯地質圖。更需要瓦斯地質專職人員不斷修改和補充煤礦各級瓦斯地質圖資料。

（3）建立健全《煤礦瓦斯地質工作規範》

瓦斯地質規律是反映煤層瓦斯形成、分布和賦存的規律，是研究煤與瓦斯突出地質原因的理論。瓦斯地質技術是煤礦安全生產和瓦斯資源開發最基本的技術。只要辦煤礦，首先應該搞清瓦斯地質規律，只有如此，才能掌握瓦斯湧出和煤與瓦斯突出危險性的規律；只有如此，才能釐清把瓦斯作為資源進行開發的理論和技術。在釐清礦區、礦井區域構造演化歷史的基礎上，做到瓦斯賦存構造逐級控制，從而釐清瓦斯賦存和瓦斯突出危險性的分區、分帶特徵。目前，運用計算機技術，建立瓦斯突出危險性預測預報的可視化技術，首先要建立準確地瓦斯地質模型。這些都必須具有詳盡的第一手瓦斯地質分析資料。因此，要建立健全《煤礦瓦斯地質工作規範》。

（4）瓦斯地質技術和採礦技術密切結合

現代化採煤技術的高速發展，生產越來越集中，採掘機械自動化程度越來越高，瓦斯集中湧出和礦山壓力的急劇變化，使得原來的低瓦斯礦井也變成了高瓦斯礦井，使得影響煤與瓦斯突出的因素越來越複雜。這就需要瓦斯地質技術和採礦技術密切結合起來。

主要論著

序號	專著名稱	作 者	出 版 社	出版; 日期
1.	煤層瓦斯預測圖編制方法	葉弗列莫夫，吳榮祥	中國工業出版社	1966
2.	瓦斯地質概論	焦作礦業學院瓦斯地質研究室	煤炭工業出版社	1990
3.	1:200萬中國煤礦瓦斯地質圖編制	張祖銀，張子敏	西安地圖出版社	1992
4.	瓦斯地質規律與瓦斯預測	張子敏，張玉貴	煤炭工業出版社	2005
5.	瓦斯地質與瓦斯防治進展	張子戌，張子敏，王兆豐	煤炭工業出版社	2007
6.	編制煤礦三級瓦斯地質圖	張子敏，張玉貴，衛修君	煤炭工業出版社	2007
7.	瓦斯地質基礎	張子敏，劉勇，張玉貴	煤炭工業出版社	2008
8.	基於瓦斯地質的煤礦瓦斯防治技術	王兆豐，張子敏，張子戌	中國礦業大學出版社	2009
9.	瓦斯地質學	張子敏	中國礦業大學出版社	2009
10.	河南省瓦斯地質規律研究及煤礦瓦斯地質圖編制	河南省煤炭工業管理局，河南理工大學 （編著：張鐵崗、張子敏等）	地質出版社	2010
11.	河南省煤礦瓦斯地質圖圖集	河南省煤炭工業管理局，河南理工大學（編著：張鐵崗、張子敏等）	地質出版社	2010
12.	陝西省煤礦瓦斯地質圖圖集	范立民，張曉團，王 英，等	煤炭工業出版社	2012
13	陝西省煤礦瓦斯地質規律研究	范立民，王英，夏玉成，張曉團，安秀煜	煤炭工業出版社	2012
14	1:500000陝西省煤礦瓦斯地質圖說明書	王英，范立民	煤炭工業出版社	2012
15	煤礦瓦斯地質與抽采利用研究	范立民，趙強，王鵬科，屈永利	煤炭工業出版社	2013-1
16	山西省煤礦瓦斯地質圖集	張春燕，郭景林	山西科學技術出版社	2013-11
17	雲南煤礦瓦斯地質研究	苗 琦	煤炭工業出版社	2013