张子敏，男，河南省夏邑人，我国瓦斯地质学科重要创始人之一，河南理工大学瓦斯地质研究所所长，河南理工大学一级特聘教授，博士生导师。国家安全生产专家，国家科技奖评审专家，国家“高新技术发展计划”（“863”计划）评审专家，河南省安全生产专家，国务院政府特殊津贴获得者。现任河南省一类重点学科“安全技术及工程”学科带头人，中国煤炭学会瓦斯地质专业委员会常务副主任。

 

主持国家科技重大专项课题“全国重点煤矿区瓦斯赋存分布规律及控制因素”，任国家能源局组织开展的“全国煤矿瓦斯地质图”编制技术工作组组长，正在承担全国煤矿瓦斯地质图编制工作。出版了我国第一幅《1∶200万中国煤层瓦斯地质图》等著作10余部，主编了我国瓦斯地质学科第一部普通高等教育“十一五”国家级规划教材《瓦斯地质学》，主持了国家精品课程“瓦斯地质学”。

 

 

 

瓦斯的地质成因是复杂的，从宏观上涉及到板块构造和区域地质构造演化理论，从微观上涉及到煤的化学结构。瓦斯在煤层中的赋存状态与煤颗粒、煤分子之间的关系，经历过极其复杂的地质历史演化过程，涉及到复杂的区域地质学、煤田地质学、煤化学等知识；它的解吸、运移、流动规律涉及到流体力学等知识；它在煤炭开采过程中的涌出和发生煤与瓦斯突出又涉及到地球动力学、构造地质学、岩体力学、采矿学等知识。瓦斯赋存分布控制着瓦斯含量、涌出量和煤层气资源量；地质构造复杂程度控制着煤与瓦斯突出危险性；构造煤的发育特征控制着瓦斯（煤层气）抽采和瓦斯防治的难度。实践证明，只有运用板块构造理论、区域地质构造演化理论、瓦斯赋存构造逐级控制理论才能揭示瓦斯赋存机理，才能揭示构造煤的发育规律，才能揭示煤与瓦斯突出的机理，才能揭示不同尺度范围的瓦斯地质规律，才能进行准确的瓦斯预测和有的放矢的防治瓦斯灾害以及瓦斯（煤层气）资源抽采。（见图1）

 

 

 

瓦斯是气体地质体，瓦斯赋存状态、分布规律以及瓦斯灾害危险性等都是复杂地质因素作用的结果，其中存在着以主控因素为主的瓦斯地质规律。揭示瓦斯与地质因素的内在联系就揭示了瓦斯地质规律。瓦斯地质规律从小尺度到大尺度，从采区、采面、矿井、矿区、区域到国家范围普遍存在。煤田地质理论、瓦斯赋存构造逐级控制理论、构造煤理论、水文地质理论、地球物理学理论等方法，可用于研究不同级别范围的地质单元瓦斯与地质因素的关系；研究不同含煤地层成煤条件下的瓦斯地质规律；研究不同区域、矿区到矿井、采区、采面的瓦斯地质规律等等。只有搞清楚了瓦斯地质规律，才能可靠地建立瓦斯含量预测、瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯资源量预测评价等模型。只有弄清不同区域范围的瓦斯地质规律，才能有助于制定瓦斯治理宏观的规划。

 

瓦斯地质规律研究是瓦斯预测和防治研究的基础。煤矿瓦斯（煤层气）是成煤作用的产物，现今煤层瓦斯的赋存和分布是煤层经历历次构造运动演化作用的结果，受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、剪切或拉张、裂陷，引起隆起或拗陷，都影响着瓦斯的生成和保存，同时形成一系列不同级别的断裂、褶皱或发生岩浆作用等，使区域及其不同矿区（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。这一系列地质因素控制着煤层的瓦斯赋存状态和分布，如瓦斯含量、瓦斯压力、煤层渗透性等，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，存在着不同级别范围、不同地质条件的瓦斯地质规律。（见图2）

 

 

 

3.1 瓦斯赋存构造逐级控制理论的建立

 

中国赋存有5个地质时代的含煤地层，使得中国有着丰富的煤炭资源，同时有着丰富的瓦斯（煤层气）资源。中国华北地区和华南地区开采的煤炭90%以上属于石炭——二叠纪的煤层，经历过印支运动以来多期次构造运动，经历过板块构造运动的碰撞、造山运动的隆起、拗陷、挤压、拉张、岩浆活动等，以及区域上发生的断裂活动等地质运动，使得煤层发生变质、变形、滑移、剪切等破坏作用，影响着煤层、煤厚、煤结构发生变化，同时影响着瓦斯（煤层气）的生成、赋存、运移和保存条件，涉及从宏观到微观。煤层中的瓦斯使得煤矿开采时会发生严重的瓦斯涌出、瓦斯突出灾害。虽然瓦斯（煤层气）是洁净能源，但是由于煤矿瓦斯有着复杂的地质演化历史，造成瓦斯灾害防治难、抽采难。

 

煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出危险性、瓦斯渗透性等存在着分区分带，都是受地质构造形迹及其块段控制的。构造应力场的大小控制着构造形迹的性质、范围和强度。构造应力场存在着序次和级别。板块构造运动的时间、性质、范围、规模和强度控制着区域构造运动的性质、范围和强度。拗陷、岩浆活动有利于瓦斯的生成和保存，拉张、裂陷有利于瓦斯的大量逸散，挤压、剪切活动有利于构造煤的形成、瓦斯聚集和发生煤与瓦斯突出危险性。

 

地质学家们所认识的区域构造在后期构造活动演化中，会出现压扭作用为主的区块或块段或张扭作用为主的区块或块段，控制着不同矿区、矿井的大地构造位置；同时会出现有的矿区、矿井位于以挤压构造形迹为主的区块或块段，有的矿区、矿井位于以张扭构造形迹为主的区块或块段。只有搞清楚区域构造演化，才能搞清楚矿区、矿井构造演化。这样就出现了区域构造控制矿区、矿井构造，矿区、矿井构造控制采区、采面构造。通过构造逐级控制就可以圈定出以挤压、剪切作用为主的高瓦斯区、高瓦斯带、煤与瓦斯突出危险区和瓦斯抽采有利区或不利区。

 

3.2 瓦斯赋存构造逐级控制理论体系

 

该理论体系运用板块构造理论和区域地质构造演化理论，研究区域地质构造和构造应力场演化历史及构造形迹分布特征，以此为基础研究矿区、矿井所在大地构造位置，地质构造演化及构造形迹分布特征。依据区域构造应力场、构造形迹控制矿区构造，矿区构造应力场、构造形迹控制矿井构造及采区采面构造，高级别构造应力场及构造形迹控制低级别构造应力场及构造形迹的规律，结合大量的瓦斯地质信息资料揭示瓦斯地质规律，对瓦斯赋存高低、瓦斯渗透性和煤与瓦斯突出危险性等进行预测和区、带划分。（见图3）

 

 

 

4.1 煤矿瓦斯地质图及其作用

 

瓦斯在煤层中的赋存和分布受地质因素的控制，有着明显的瓦斯地质规律。瓦斯涌出、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，瓦斯涌出的速度、涌出量大小不同，同时引起的开采应力也不同，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。通过整理各煤矿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。

 

瓦斯地质创始人杨力生教授认为，全国煤矿瓦斯地质编图应为宝塔式的系列图，从编制采面、采区、矿井瓦斯地质图开始，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，也是实现瓦斯地质信息化平台的基础。长年不懈地坚持填图、预测、分析，对于瓦斯综合治理可以做到有的放矢，同时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有助于从根本上防治瓦斯灾害。

 

4.2 编制煤矿多级瓦斯地质图得到各级政府和煤矿企业的高度重视

 

20世纪80年代，焦作矿业学院杨力生、张子敏、陈名强、张克树在煤炭工业部技术司申请到编制“全国煤矿瓦斯地质图”重大项目，得到煤炭部总工程师赵全福和煤炭部安全司付建华等人的支持，到1986年全国共编制了500余幅矿井、125幅矿区和25幅省（区）瓦斯地质图。时过25年后，全国煤矿瓦斯地质图编制工作得到国家煤矿瓦斯防治部际协调领导小组的高度重视。2009年4月15日，国家能源局下发了《关于组织开展全国煤矿瓦斯地质图编制工作的通知》（国能煤炭[2009]117号文件）。国家能源局成立了全国煤矿瓦斯地质图编制工作领导小组，国家能源局煤炭司司长方君实任组长，下设技术工作组，由河南理工大学教授张子敏任组长。各省（区、市）发改委、煤炭行业管理部门都成立了编图领导小组，各大煤炭产业、地方煤炭工业局都成立了相应机构。

 

4.3 煤矿多级瓦斯地质图

 

河南理工大学40余年来开展瓦斯地质研究，提出了瓦斯地质规律研究理论、瓦斯赋存构造逐级控制理论，以瓦斯地质理论为指导进行瓦斯预测和编制煤矿多级瓦斯地质图，指导煤矿瓦斯预测和防治，提出了煤矿多级瓦斯地质图编制方法。目前正在承担煤矿矿区、矿井、采掘工作面瓦斯地质图编制方法三项国家行业标准的编制工作。（见图4）

 

 

《科学时报》 (2010-6-8 B3 前沿)