5000 m新型能源勘探智能钻探装备与技术研究

结合我国地下新型能源勘探工作的重大需求,开展了“5000 m新型能源勘探智能钻探装备与技术”的研究,取得了5000 m多功能交流变频电动钻机、多参数孔底自动监测装置、高温环保泥浆及泥浆性能自动测量装置、取心和无心钻进不提钻互换钻具等系列成果,填补了国内空白,推动了新型能源深部钻探技术向智能化方向发展。     

银额盆地蒙苏地1井钻井设计与施工

蒙苏地1井是中国地质调查局部署在银额盆地艾特格勒凹陷的一口大口径重点油气地质调查井,根据该区块地层地质概况和钻井施工技术难点,从井身结构、钻具组合、钻头选型和钻进工艺等方面对蒙苏地1井钻井工程进行了优化设计。综合采用 “简化井身结构+非常规钻具组合+常规钻头选型+强抑制性泥浆”的钻井技术方案,解决了中生界巴音戈壁组和二叠系上部地层的高硬度、可钻性差、裂缝构造易井斜及井壁失稳等一系列难题,顺利完成了该井的钻井施工任务。该井完钻井深2763.66 m,完钻口径215.9 mm,平均机械钻速3.51 m/h,成功揭示了中生界和石炭-二叠系岩石组合特征及含油气性,优质、高效、零事故完成各项目标任务。     

四川尔呷地吉铅锌矿区复杂地层钻探施工技术

四川尔呷地吉铅锌矿区位于南北向甘洛-小江断裂（本区内称为马拉哈断裂）北段与马拉哈背斜的复合部位。区域地质条件复杂,岩层破碎、裂隙发育,存在钻孔坍塌、漏失、缩径、掉块等钻探难题。为避免井内复杂事故、缩减钻井周期、降低作业风险,在该矿区开展了钻探技术研究工作。以ZK4522、ZK4737、ZK7545钻孔施工问题为例,重点剖析了钻孔事故频发的原因,提出了改进措施,总结了适合该矿区钻探施工的钻孔结构设计,并对不同地层使用冲洗液配方进行了阐述,对水泥浆护壁工艺、套管护壁工艺采取了技术管控措施,在该矿区取得了良好的效果,形成了一套具有实际参考价值的钻探施工方案,为该矿区以后的施工提供了技术保障措施和经验,同时对其他类似钻探施工也具有一定的借鉴意义。     

含水率对岩石电荷感应信号影响规律研究

水是诱发矿井灾害的主要因素之一,研究水?岩相互作用下的岩石破坏电荷信号,可丰富矿井水引起灾害的监测方法。为研究含水率对岩石破坏电荷感应信号的影响规律,基于损伤理论推导了岩石损伤破坏力?电耦合模型,得到了感应电荷量与岩石力损伤和水损伤的理论关系。利用自主研制的电荷感应信号数据采集系统,对不同含水率条件下的岩石试样进行了单轴压缩电荷感应信号监测试验,分析了水对岩石力学性质和岩石破坏过程中各阶段电荷感应信号的影响规律,并对含水率影响感应电荷产生的机制进行了讨论。结果表明：岩石变形破坏过程中的电荷感应信号与岩石的损伤程度有关,累积感应电荷量与感应电荷总量的比值可以表示岩石在水和力作用下的损伤量,且含水率越高,试样越易在较低的应力下产生大量的电荷感应信号。不同含水率岩石的宏观破坏特征明显不同,随着含水率升高,岩石的抗压强度降低,裂隙发育,岩石破坏形式由单剪式破坏向张拉和剪切混合破坏转变。电荷感应信号分布形态上,含水率的升高使得高幅值电荷簇数增加,并向弹性阶段发展,且高幅值电荷感应信号主要分布在弹性阶段后期和塑性阶段。感应电荷量上,随着含水率的升高,弹性阶段的感应电荷释放量占比逐渐增大,塑性阶段占比逐渐减小,两阶段的感应电荷量之和占试样变形破坏过程中产生感应电荷总量的90%以上。水通过弱化岩石颗粒和渗透压作用,使岩石在较低应力下产生或扩展裂隙,感应电荷信号更丰富。     

砂土层中盾构掘进实测数据及数值模拟分析

相对于其他土层,盾构在富水砂层中掘进的风险更大,但目前盾构掘进引起砂层变形的机制并不清楚。依托广州某电力隧道项目,选取一典型富水砂性地层断面对盾构隧道施工引起的地层变形进行高频率、近距离的监测,得到以下几点认识可供类似的工程参考：（1）富水环境下,相对于均质砂层,隧道处于粉砂+粗砂地层组合更容易发生渗透破坏。此情况下,粉砂层在承受更大渗透力同时,又受粗砂层强烈补给供水,非常容易被侵蚀甚至掏空。（2）地层均匀损失与局部集中损失引起地层扰动规律有较大的不同。地层均匀损失时由于拱效应没集中局部损失的强,其扰动范围、地表沉降及水平位移均更大。水平位移最大值的位置与地层损失的非均匀化也密切相关。地层均匀损失时,隧道两边最大水平位移发生在隧道高程范围内;但地层非均匀损失（隧道顶部局部塌落）时,发生最大的水平位移的位置会明显上移。（3）渗透力的作用使得地层扰动范围扩大。（4）地层损失率受注浆影响严重,隧道附近大,地表最小,隧道上方土体呈松散化趋势。     

青海共和盆地高热机制数值模拟分析

共和盆地位于青藏高原东北缘,处于秦岭—祁连—昆仑造山带的交汇部位。盆地的平均热流值明显高于中国大陆地区热流平均值,也明显高于周边构造单元,表现为高热异常区域。笔者等结合区域地质、地球物理探测资料及近年来新获的热学参数测试数据,对共和盆地开展了热演化数值模拟,分析了共和盆地的高热异常机制。结果显示,如果将新生界地层作为一个整体考虑,实测的热导率参数不足以形成共和盆地的高热,必然有深部热源,如中—下地壳熔融体的影响。而结合地温曲线,对新生界地层进行分层数值计算分析,显示盆地高热异常形成的主要控制因素是浅表层松散的新生界沉积层的极低热导率,同时岩石圈以下的深部过程影响为共和盆地高热异常提供一定程度的区域热异常背景。     

贵州煤中某些金属元素异常富集研究进展

煤层能在特定的地质条件下富集多种关键金属元素,形成具有综合利用价值的“煤型关键金属矿床”,随着煤中共伴生金属元素提取技术日益成熟,研究煤中金属元素的富集与分布特征、查明具有成矿潜力的富集区具有十分重要的资源意义。本研究基于近20年以来前人发表的有关贵州煤地球化学的研究成果及作者自测数据,统计了贵州省23个主要产煤县（市）的1002个样品数据,揭示了贵州煤中Li、Zr、Hf、Nb、Ta、U和稀土元素（REY）等关键金属元素的总体分布富集特征。研究表明,贵州煤中Li、Zr、Nb、REY等关键金属元素较为富集并具有共伴生成矿潜力的区域为黔北煤田和黔西南兴义煤田两个区域。其中,金沙、桐梓、普安等地煤中Li平均含量换算为灰基Li2O 分别为1254 μg/g、1214 μg/g和724.4 μg/g,务川和正安煤种Zr平均含量换算为灰基ZrO2分别为4749 μg/g和4168 μg/g,务川煤中Nb平均含量换算为灰基Nb2O5为484.4 μg/g,金沙、桐梓、务川及凯里煤中REY含量换算为灰基稀土氧化物REO含量分别为2175 μg/g、2429 μg/g、2875 μg/g和2604 μg/g,这些含量均超过了相应矿种的最低工业品位或文献建议的可回收利用指标。贵州煤中多种金属元素具有较高的含量背景值,尤其以黔西南兴义煤田和黔北煤田最为显著,作者建议应进一步加强对上述两个区域的煤地球研究,查清煤中微量元素的时空分布与富集规律,为煤型关键金属矿床的找矿勘查提供更可靠科学依据。贵州晚二叠世煤中异常富集的Li、U、Nb、Ta、Zr、Hf和REY等元素的富集主要受峨眉山玄武岩风化产物的供给、同沉积火山灰的混入以及成煤期后低温热液作用的影响。其中REE的富集,不仅与玄武岩风化产物有关,还可能受到长英质—中性物质输入的影响。     

Damage Constitutive and Failure Prediction of Artificial Single-Joint Sandstone Based on Acoustic Emission

The effect law of deformation and failure of a jointed rock mass is essential for underground engineering safety and stability evaluation. In order to study the evolution mechanism and precursory characteristics of instability and failure of jointed rock masses, uniaxial compression and acoustic emission (AE) tests are conducted on sandstones with different joint dip angles. To simulate the mechanical behavior of the rock, a jointed rock mass damage constitutive model with AE characteristic parameters is created based on damage mechanics theory and taking into account the effect of rock mass structure and load coupling. To quantify the mechanism of rock instability, a cusp catastrophe model with AE characteristic parameters is created based on catastrophe theory. The results indicate that when the joint dip angle increases from 0° to 90°, the failure mechanism of sandstone shifts from tensile to shear, with 45° being the critical failure mode. Sandstone's compressive strength reduces initially and subsequently increases, resulting in a U-shaped distribution. The developed damage constitutive model's theoretical curve closely matches the test curve, indicating that the model can reasonably describe the damage evolution of sandstone. The cusp catastrophe model has a high forecast accuracy, and when combined with the damage constitutive model, the prediction accuracy can be increased further. The research results can provide theoretical guidance for the safety and stability evaluation of underground engineering.

     

2000—2020年兴都库什东部冰川区物质平衡变化及其影响因素

利用SRTM DEM和ASTER立体像对数据获取的DEM分析了2000—2020年兴都库什东部的冰川物质平衡,并结合CRU TS 4.04气象数据探讨了气温、降水、地形和冰湖对南、北冰川区物质平衡空间差异的影响。结果表明：2000—2020年兴都库什东部冰川区物质平衡为（-0.02±0.04） m w.e.·a^-1,冰川整体呈现微弱的负物质平衡状态。从坡向来看,南坡以正物质平衡冰川居多,北坡以负物质平衡冰川居多。从南、北两个子区域来看,北部冰川区物质平衡为（0.07±0.04） m w.e.·a^-1,南部冰川区物质平衡为（-0.32±0.04） m w.e.·a^-1。北部冰川面积规模大,所处海拔区间高,南部则相反。北部冰川区处于较高的海拔区间且冬季气温较低,导致夏季升温所产生的冰川消融的影响被削弱,冰川物质平衡的分布与降水分布在空间上具有一致性。南部冰川区出现的强烈物质亏损主要是由于夏季气温的急剧升高和冰川处于较低的海拔区间。南、北区域冰前湖和冰面湖面积不断扩大的空间差异性,也在一定程度上加剧了该地区冰川物质平衡的空间差异。     

南京河西地区地面沉降成因分析

为了查明南京河西地区地面沉降的成因,笔者等在系统研究水文地质与工程地质条件的基础上,研究了地面沉降的分布特征和发展规律,以及地面沉降与地下水位、软土分布及建筑荷载之间的关系,进而揭示了南京河西地区地面沉降的成因。研究结果表明：南京河西地区不开采地下水,地面沉降与软土层厚度和建筑荷载分布关系密切,地面沉降主要受建筑工程影响,即建筑荷载和深基坑降水的作用。