973项目申报书CB00G深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论.docx

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973项目申报书CB00G深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论

项目名称：

深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论

首席科学家：

谢和平四川大学

起止年限：

2011.1至2015.8

依托部门：

教育部

二、预期目标

（一）总体目标

针对我国煤炭开采的“深部（高应力、高瓦斯、强吸附性）、高强、低渗”的三大突出特征，揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律，发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律，建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制，形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法，为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础，促进相关学科的发展。

在国内外核心学术期刊发表论文150篇以上，其中SCI、EI收录论文120篇以上，有重要国际影响的论文30篇以上，出版著作6～7部。

申请专利8～10项。

在深部煤与瓦斯共采研究领域，取得一批具有国际影响的研究成果。

培养博士后、博士生和硕士生70～90名，凝聚和培育国内一批高水平研究队伍，培养本领域的优秀科学家及创新团队。

建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台，完成1～2个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程，为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

（二）五年预期目标

（1）揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律

揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征；获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律；建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论，并发展相应的反演方法。

（2）建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论

揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律；建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型；建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型；应用密度泛函理论（DFT）等分子模拟技术，从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。

（3）发展以瓦斯富集和人工导向流动机制为基础的远程卸压瓦斯抽采模型

通过对深部开采条件下含瓦斯煤岩体在三维应力状态下全应力-应变过程、应力场-裂隙场-瓦斯场耦合以及卸压条件下，瓦斯在破断煤岩体中运移规律的理论、实验和数值模拟研究，得出破断煤体中瓦斯运移与富集规律，建立深部开采条件下煤岩体全应力-应变过程中的瓦斯渗流模型和含瓦斯煤岩体的热固流多场耦合模型。

系统研究工程尺度下采动卸压条件下煤岩体破坏的机理，揭示其采动卸压破裂带形成和演化规律；阐明破断煤岩体中瓦斯富集、运移和释放的力学机理和控制方法；提出瓦斯通道形成与控制理论，为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

（4）提出深部开采条件下煤与瓦斯工程的时空协同理论模型及评价方法

解析单一高瓦斯低透气性煤层卸压增透过程中裂隙场及瓦斯流动场的耦合作用机制，建立单一高瓦斯低透气性煤层抽采时空演化模型；以钻孔进行“钻-割-抽”、“钻-爆-抽”及“钻-压-抽”为技术原理和手段，实现单一高瓦斯低透气性煤层区域卸压增透和瓦斯流动场的可控，以提高单一高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效率，实现单一高瓦斯低透气性煤层的安全开采。

获得深部开采条件下煤与瓦斯共采的时空协同机制；针对煤层群赋存条件，揭示控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律，建立深部煤与瓦斯共采控制参数指标体系及量化分析方法，建立深部开采条件下基于时空协同机制的煤与瓦斯共采综合评价模型；基于煤与瓦斯共采的时空协同机制和评价模型，提出瓦斯抽采优化布置方案；形成煤与瓦斯共采的瓦斯抽采优化理论与方法。

三、研究方案

（一）学术思路

本项目以国家重大需求和学科前沿为导向，针对深部煤炭资源开采中煤与瓦斯共采的共性基础问题，以山西潞安、安徽淮北、河南平顶山矿区为研究试验基地，以深部开采下破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸与物质流动规律、多场多尺度裂隙结构演化和瓦斯运移规律、破断煤岩体中瓦斯导向流动的形成机制及控制理论、深部煤与瓦斯共采的时空协同作用机制及优化理论4个关键科学问题为核心，综合运用矿山工程力学、工程地质学、构造地质学、岩石力学、采矿工程、灾变学、地球化学、流体力学和安全工程等多学科及其交叉前沿理论，采用理论研究、实验室实验、数值模拟、现场测试等多种方法，开展系统的理论和方法研究。

在深刻认识深部煤岩地质环境（深部煤岩体结构与复杂地质条件、裂隙场演化机制）、高应力环境（高地应力特征及高强度开采工程扰动规律）、共性问题（高应力强卸荷下深部多组裂隙煤岩体的力学行为、裂隙场演化规律、瓦斯场的富集及导向流动规律）的基础上，建立适合我国高瓦斯煤层赋存特点的深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论体系，建成1～2个深部煤与瓦斯共采示范工程。

总体学术研究思路如图1所示。

（二）技术路线

本项目将采用现场调查、实验室试验、理论分析、数值仿真和现场试验相结合的研究方法对深部煤炭开发中的煤与瓦斯共采理论开展深入细致的研究工作。

采用细观到宏观、二维到三维、理论-实验-现场结合的方法，考察深部煤岩体的微结构特征、裂隙特征和块系结构特征，从本质上把握含瓦斯煤岩体的宏细观力学特性的内在属性；研究深部多组裂隙煤岩体在高地应力和强卸荷条件下裂隙场演化特征、尺度律及生成理论与方法；应用带加载装置的工业CT断层扫描系统和带SEM的观测试验系统，探测深部煤岩体裂隙的宏细观几何形态、分布、结构面特征，运用分形几何、统计力学等方法建立采动过程中破断煤岩体的结构特征及联通性规律。

研究深部高应力和高强度开采条件下含瓦斯煤岩体内部多尺度裂隙结构的时空演化规律；利用新型高刚度试验机和带SEM原位观测试验系统获得不同加卸载速率和路径下深部含瓦斯煤岩体的屈服、峰值应力曲面及全程应力应变曲线，建立高应力和强卸荷条件下含瓦斯煤岩体的本构理论模型，并提出适合于深部含瓦斯煤岩的强度准则和破坏模式判据；基于深部岩体裂隙系统的宏细观几何形态、分布、结构特征，建立深部煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论，深入探讨覆岩裂隙场-采动应力场-瓦斯渗流场三场相互耦合过程中瓦斯运移规律、瓦斯富集及导向流动规律，进一步建立和完善深部煤炭开发的煤与瓦斯共采评价方法和理论体系。

总体技术路线框图（见图2）。

图2总体技术路线图

（三）创新点与特色

本项目根据深部煤与瓦斯共采的国家能源开发战略需求，突出“深部（高应力、高瓦斯含量、高瓦斯压力）、高强（大规模集约化开采）、低渗”三大特征，针对我国煤与瓦斯共采实践应用超前、基础理论研究滞后的现状，围绕煤与瓦斯共采的关键基础理论开展系统研究。

本项目创新和特色如下：

理论研究方面：

（1）突破连续介质力学理论框架，提出和建立采动条件下深部含瓦斯破断煤岩体力学理论；

（2）首次提出和研究深部采动应力场-裂隙场-瓦斯场耦合下破断煤岩体中瓦斯富集、运移的“导向流”机理与理论；（3）应用分形理论建立深部破断煤岩体分形模型，系统描述分析含瓦斯破断煤岩体内部破裂演化及瓦斯运移的“黑箱”问题。

研究方法方面：

（1）运用物理与化学相结合的方法研究深部采动破断煤岩体中瓦斯解吸、富集与运移全过程；

（2）从多尺度、多场角度研究瓦斯在深部采动破断煤岩体中的耦合作用机理与规律；（3）采用理论研究、实验研究、数值模拟和工程验证四位一体的研究方法，实现理论与工程的紧密结合。

实验手段方面：

（1）利用国际上最先进的微焦点体扫描CT系统，通过自行研制加载和环境模拟装置，实现实时观测分析瓦斯在破断煤岩体中瓦斯流动、运移演化全过程，建立破断煤岩体拓扑参数与瓦斯流态之间的关系；

（2）利用国际上最先进的MTS815实验系统和高温SEM试验系统，自行设计加载与量测系统（两个美国专利和三个发明专利），通过声发射、微震、红外热辐射等多参量监测，实现多尺度多场含瓦斯煤岩体的破裂演化过程的系统研究

（四）取得重大突破的可行性分析

研究思路的可行性：

针对煤与瓦斯共采“深部、高强、低渗”特征，以解决煤与瓦斯共采中的重大理论与技术难题为主攻方向，围绕采动条件下含瓦斯煤岩体破断结构演化及时空分布特征、深部采动破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸与物质流动规律、深部采动破断煤岩体中瓦斯导向流动的形成机制及控制理论、深部煤与瓦斯共采的理论模型和技术优化方法4个关键科学问题，综合运用矿山工程力学、工程地质学、构造地质学、岩石力学、采矿工程、流体力学和安全工程等多学科及其交叉前沿理论，建立深部煤与瓦斯共采理论体系，促进我国煤与瓦斯共采工程实践健康发展。

项目研究思路清晰，研究目标明确，研究内容具体，研究重点突出，可操作性强。

研究方法的可行性：

本项目应用物理和化学相结合、多场多尺度相结合的研究方法，理论建模、数值模拟、实验研究和工程验证相结合的四位一体研究方法，形成深部煤与瓦斯共采理论体系，进一步指导工程实践。

项目采用现代高新技术的原理和实验手段，以及多学科交叉的集成攻关进行深部煤与瓦斯共采的应用基础研究，并以国家科技支撑计划、科技行动专项等为依托，较传统理论与技术研究方法有突破，具有可行性。

实验条件的可行性：

项目主要承担单位拥有国际一流的研究手段（微焦点体扫描CT、MTS815、SEM），具备瓦斯基础实验室、煤与瓦斯突出基础实验室、采场瓦斯运移模拟试验台、岩石力学和材料实验室，相似材料模型实验室、采煤工作面和巷道相似模型试验台、动态多功能岩层控制实验系统，为本项目取得突破性进展提供了实验研究基础。

研究基础的可行性：

首席科学家为代表的研究团队长期承担相关领域的国家基础研究项目，获得了首届国家杰出青年科学基金项目（1994）、本领域的第一个国家自然基金创新团队（2002）、本领域的第一个973项目（2002）、第一个煤矿瓦斯灾害预防的国家自然科学基金重点项目（2001）等。

1995年、2007年两次获得国家自然科学奖，以及多项国家科技进步奖和国家发明奖，具有雄厚的理论研究基础，可确保本项目的理论创新和突破。

1．学科与队伍优势

本项目汇聚我国煤炭资源开采领域与瓦斯治理的主要研究力量（中国矿业大学、四川大学、中国矿业大学（北京）、重庆大学、山东科技大学、辽宁工程技术大学、煤炭科学研究总院、煤炭科学研究总院重庆研究院、煤炭科学研究总院沈阳研究院等10家单位），依托6个国家重点实验室、9个部级重点实验室和3个国家工程研究中心，集中各相关研究单位的优势共同研究深部煤与瓦斯共采理论。

相关单位承担过本领域国家973项目、国家自然科学基金创新团队项目、国家自然科学基金重大项目、重点项目、国家科技支撑项目等一批国家重大科学研究计划，已取得了一系列研究成果。

本项目聘请了周世宁、张铁岗、袁亮3位院士为学术顾问，研究队伍中有中国工程院院士1人，“国家杰出青年科学基金”获得者1人，国家级有突出贡献的中青年专家1人，"百千万人才工程"第一、二层次1人，“新世纪百千万人才工程”国家级人选3人，教育部“新世纪优秀人才支持计划”4人，国家安全生产专家4人，中国青年科技奖1人，中国青年科学家奖1人，中国煤炭青年科技奖1人，教育部“高校青年教师奖”1人，霍英东优秀青年教师奖4人，霍英东青年教师基金2人，孙越崎能源大奖1人，孙越崎优秀青年科技奖6人，"有突出贡献的中国博士"称号2人，国家级创新团队1个。

项目课题负责人6人和主要学术骨干共24人，其中拥有博士学位29人，博师生导师17人，教授（研究员）21人，副教授（高工）8人，中青年骨干（45岁以下）16人形成了一支多学科交叉、老中青结合、以优秀中青年科学家为骨干、具有良好合作基础的研究团队，为本项目的顺利实施提供了人才保障。

2．工作基础优势

（1）研究基础与工作积累

项目组人员长期从事矿山工程力学、岩石力学、煤与瓦斯共采工程、煤矿防灾减灾等方面的基础理论与工程应用研究。

谢和平院士为代表的课题组长期从事采矿工程和矿山工程力学研究，开创了破断煤岩体力学及非连续介质问题研究的新思想和新方法，形成了"分形岩石力学理论"的新领域，为资源开采新理论奠定了重要基础。

近五年来，结合我国煤炭科技的重大需求，项目组成员完成了973项目“灾害环境下重大工程安全性的基础研究”、自然科学基金创新群体项目“矿山岩石力学基础理论研究与工程应用”、国家自然科学基金重大项目“深部岩体的工程性质研究”等项目，为本项目研究奠定了基础。

中国矿业大学（徐州、北京）、重庆大学、山东科技大学、煤炭科学研究总院在煤矿安全高效开采、煤矿安全、瓦斯治理等方面的研究居于国内前列，有些方向形成国际影响。

在深部破断煤岩体结构及损伤破坏机理方面，四川大学、中国矿业大学（北京，徐州）、等单位利用先进的科学实验手段和分析方法研究了矿山裂隙岩体宏观损伤力学模型，研究其自然性状及导致灾害性事故发生的机理和过程，开拓了矿山裂隙岩体损伤力学研究新领域，成功预测了采动围岩的损伤大变形和蠕变稳定过程，并应用于深部巷道大变形预测、蠕变分析及其相关的巷道支护设计等重要工程领域；创造性地引入分形方法对裂隙岩体进行非连续变形、强度和断裂破坏的研究，形成了矿山裂隙岩体非连续行为分形研究的新方向，并与损伤力学相结合在岩爆、地表沉陷、顶煤破碎块度控制等重要矿山工程应用中获得成功。

研究了不同加载条件下破断煤岩体的变形破坏规律以及细观破裂演化；深部破断煤岩体的微结构特征、裂隙特征和块系结构特征，以及深部煤岩组合试件的拉伸、压缩响应、动力学特性和深部煤岩结构的变形破坏规律；基于能量耗散与释放原理，从理论上探讨岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏（灾变）的内在联系。

指出内部能量耗散与能量释放是控制岩石损伤至整体破坏的两个不同的物理力学过程，能量耗散使岩石产生损伤，并导致岩性劣化和强度丧失；能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因；给出了基于能量耗散的损伤与强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则。

在深部破断煤岩体瓦斯吸附、解吸和运移规律方面，煤炭科学研究总院、重庆大学、中国矿业大学（徐州、北京）、山东科技大学、四川大学、安徽理工大学等长期从事矿井瓦斯防治的科学研究工作，创建了以Darcy定律为基础的对煤层有强吸附作用的瓦斯流动微分方程；建立了我国煤层瓦斯地质、流动理论、瓦斯预测和抽放以及煤和瓦斯突出防治的学术体系；提出煤矿瓦斯地质的八项基本因素；创建了“煤层瓦斯流动理论”体系；提出了“煤层瓦斯应力场”模型。

在深部煤与瓦斯共采理论及工程实践方面，四川大学、中国矿业大学（徐州、北京）、煤炭科学研究总院、淮南煤业集团、平顶山煤业集团、淮北矿业集团等单位围绕高瓦斯、高地压、低透气性煤层及煤层群的煤气共采技术难题，研究了含瓦斯煤岩体物理力学特性、高瓦斯煤层瓦斯抽采技术及方法、高瓦斯煤岩体吸附解吸特性、瓦斯在煤体中的渗流规律，采动影响区内顶板岩层裂隙的动态演化规律等，建立了“煤层瓦斯流动理论”，提出了煤与瓦斯突出的“流变作用假说”、“球壳失稳理论”、“煤与瓦斯安全高效共采理论体系”、“O形圈卸压瓦斯解吸原理”和“地应力与煤储层渗透性耦合作用原理”等。

理论成果在淮南、淮北、平顶山、晋城、阳泉、开滦、中梁山、天府煤矿等高瓦斯矿区得到初步的应用。

我国煤炭资源正向深部发展，在深部复杂地质环境下进行煤与瓦斯共采将遇到前所未有的技术难题，更重要的是向基础科学研究提出了挑战，这将成为该项目取得重大突破的巨大动力和机遇。

（2）实验室工作基础

中国矿业大学（北京、徐州）“煤炭资源与安全开采”、“深部岩体力学与地下工程”、四川大学“水力学与山区河流开发保护国家重点实验室”等6个国家重点实验室及“煤矿瓦斯治理国家工程研究中心”等3个国家工程研究中心，具有较扎实完善的研究基础，实验室拥有一批高性能的先进设备。

申请单位中国矿业大学等拥有系统开展煤与瓦斯共采基础理论研究的一大批先进仪器和设备，如工业计算机断层扫描系统（ICT）、MTS815FlexTestGT岩石力学试验系统、SEM高温疲劳实验系统、透射式电子显微镜、ASAP2010比表面及孔隙度分析仪、Agilent1100液相色谱-质谱联用仪、GARDNERDENVER815X高压泵机组、岛津GC-14A气相色谱仪、HP6890天然气色谱分析仪、DNA48+DMA512密度仪、AG-250kNI电子精密材料试验机、SPM-9500J2型扫描探针显微镜、EHF-EG200KN型全数字液压伺服实验系统、EHF-UG500KN型全数字液压伺服三轴实验系统、AutoGraphAGS-H5KN型精密电子万能实验机、1000吨级的多功能真三轴特大型试验机，三维多功能岩层控制实验系统、20MN高温高压伺服控制岩体三轴试验机、煤岩体水力致裂试验系统、高速摄影机、TVS-8000KⅡ红外热成像仪、PhotoStressPlusSystem反射式光弹仪系统、大尺度激光表面粗糙仪、高性能并行计算机、HP8000图形工作站、DELL1400SC型服务器等高端计算机、虚拟现实开发及显示投影系统、微地震岩体监测系统ISSP-12、电磁探地系统SIR-20、超声波测试系统TDS30145077PR3499B、岩石（体）与混凝土声学测量系统、程控三轴流变试验机、美国Quantachrome公司Nova1000e氮吸附比表面与孔径分布测定仪、BrukerTensor27FT-IR和HaidenMS用于吸附态和作用机制研究；XPS、TEM、XRD等可用于样品的结构表征和结构的研究。

拥有国内第一台可供固体样品微区分析的激光微探针-飞行时间型二次离子质谱仪，可做正负离子及同位素组成微区分析；粉末X射线衍射仪和原子吸收光谱仪，可供物相、矿物的定量和伴生元素的测定；X射线荧光光谱仪，可供煤中主量和微量元素的测定；带能谱仪的扫描电镜、MPV-III显微镜光度计，精密偏光显微镜、高速离心机、显微FTIR光谱仪、微波消解仪等分析仪器。

同时拥有Disp-24通道岩层失稳声发射监测系统、TDS-6微震信号采集系统、地应力测试系统、RISK2地质力学探测雷达、钻孔红外成像仪、多波地震仪、瞬变电法仪等工程物探仪器和开发平台，由17套服务器和工作站与大型软件构成的煤矿高分辨三维地震资料处理解释系统等。

近年来申请单位还自主研发了大型煤与瓦斯突出过程模拟实验装置、自控双柱变压吸附分离装置、含瓦斯煤热固流耦合实验装置、含瓦斯煤细观破裂过程力学加载系统、低速风洞、瓦斯高压吸附解吸实验系统、岩石平面应变试验装置、FDG-A防爆多功能高密度电法仪、KJH-D矿用防爆探底雷达、无线电波透视系统等装置，可对深部煤与瓦斯共采工程中的煤岩体声发射、电磁辐射、微震等效应进行测试研究，为本项目的研究和实施提供了全方位的试验条件和技术保障。

项目承担单位建设有淮北煤业集团、平顶山煤业集团、潞安煤业集团、晋城煤业集团、淮南矿业集团等一批现场试验研究基地，为开展深部煤与瓦斯共采工程研究提供了有利条件。

实验室拥有先进的岩土工程数值模拟计算软件ANSYS、ABAQUAS、FLAC3D、UDEC3D、PFC等均为课题研究提供了良好的条件。

（3）项目组织与管理方式

以国内长期从事相关领域基础研究与工程实践的中国矿业大学作为项目第一承担单位，联合我国本领域科研实力最强的四川大学、中国矿业大学（北京）、重庆大学、山东科技大学、辽宁工程技术大学、煤炭科学研究总院、煤炭科学研究总院重庆研究院、煤炭科学研究总院沈阳研究院等骨干单位，形成跨部门、多学科交叉的整体联合研究队伍。

项目将采取首席科学家负责制，实行首席科学家与课题负责人两级责任管理；设立学术咨询专家组进行指导和监督，建立定期检查制度。

项目拟分为6个课题，课题负责人对首席科学家负责，并接受咨询专家监督。

项目将设立专家工作组，由各课题负责人和国内外本领域知名专家组成，严格按照国家重点基础研究规划项目的管理条例实行动态管理，定期举行有本领域国内外知名学者参加的国际学术研讨会和课题负责人工作会议，确保项目内容的顺利完成。

（五）课题设置

根据项目的研究思路和总体目标，本着突出重点、强调有机联系的原则，围绕4个关键科学问题及5个研究内容，共设置6个课题，即：

课题一：

采动过程中破断煤岩体的结构特征及联通性规律；课题二：

深部采动多尺度破断煤岩体瓦斯吸附、解吸规律；课题三：

深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律；课题四：

深部采动破断煤岩体瓦斯导向流动的形成特征和规律；课题五：

单一低透煤层增透机制和有效抽采技术原理；课题六：

煤层群煤与瓦斯共采时空协同机制及技术优化方法。

对应科学问题一“采动条件下含瓦斯煤岩体破断结构演化及时空分布特征”，研究深部含瓦斯煤岩体的多尺度结构特征与描述模型，深部采动岩体裂隙场特征、尺度律及生成理论与方法，深部含瓦斯煤岩体多尺度裂隙结构中的瓦斯运移规律。

为此设立课题一“采动过程中破断煤岩体的结构特征及联通性规律”和课题三“深部采动破断煤岩体中瓦斯运移与富集机理及规律”。

对应科学问题二“深部采动破断煤岩体中瓦斯吸附、解吸与物质流动规律”，研究深部煤岩体界面和裂隙对瓦斯吸附、解吸模型和吸附机理，高压瓦斯吸附、解吸的热力学和动力学，物质流动过程中的宏观浓度场和压力场的模拟和动态规律，应用分子模拟技术模拟高压和高浓度瓦斯的吸附、解吸与微观过程，深部多尺度裂隙结构深部煤块上高浓度瓦斯吸附解吸与流动规律，为此设立课题二“深部采动多尺度破断煤岩体瓦斯吸附、解吸规律”。

对应科学问题三“深部采动破断煤岩体中瓦斯导向流动的形成机制及控制理论”，研究煤岩体卸压致裂的力学模型与判别准则，采动过程中煤岩体卸压区应力与能量演化规律，采动过程中卸压区演化与瓦斯通道形成相关性，采动卸压裂隙带形成变化规律，瓦斯富集、运移和突然释放的力学本质，瓦斯通道形成与控制理论，为煤与瓦斯共采提供科学决策依据。

为此设立课题四“深部采动破断煤岩体瓦斯导向流动的形成特征和规律”。

对应科学问题四“深部煤与瓦斯共采的理论模型和技术优化方法”，针对单一高瓦斯低透煤层和煤层群，研究建立深部、集约化开采、低渗条件下煤气共采控制参数指标体系及量化分析方法，控制参数对煤与瓦斯共采效果的影响规律，深部开采条件下煤与瓦斯共采的模糊评价模型及瓦斯抽采优化布置方案，为此设立课题五“单一低透煤层增透机制和有效抽采技术原理”和课题六“煤层群煤与瓦斯共采时空协同机制及技术优化方法”。

通过对四个关键科学问题、六个课题的研究，可望在建立深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论与技术体系方面有所突破，为深部煤炭安全和绿色开采提供关键理论与技术保障，为深部煤炭资源开发和我国经济的可持续发展作出贡献。

各课题之间及课题与关键科学问题、学术思想、课题设置及项目总目标之间的关系如图3所示。

课题一、采动过程中破断煤岩体的结构特征及联通性规律

1、研究内容

（1）深部高强开采条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络特征及尺度律研究

利用现场观测、物理模拟和高分辨率工业CT扫描，在实验室尺度下识别并提取采动煤岩体裂隙网络结构的形态、统计分布特征（包括数量、尺寸、空间位置等）、碎裂块度分形分布和拓扑性质，表征开采条条件下破断煤岩体裂隙网络、块度分布和演化模式的控制函数或特征函数，瓦斯渗透裂隙尺度-数量和开度-数量关系，采动煤岩体裂隙网络的统计特征、尺度律。

（2）深部高强开采条件下采动裂隙场时空演化规律

分析深部采动岩体裂隙网络的分形性，研究分形裂隙网络随开采空间、岩石性质以及工作面推进度的时空演化规律，采动煤岩体裂隙网络时空演化模型，以及相应的三维渗透裂隙网络模型。

引入逾渗模型和重整化群方法，研究采动煤岩体裂隙场拓扑结构突变特征量，采动煤岩体裂隙网络几何相变模型。

（3）深