大深度近海底精细地形地貌探测技术

船载低频多波束测深声纳、侧扫声纳可以对深海海底地形地貌进行快速、高效、大面积探测,但其测量精度有限,难以满足深海科学考察、资源勘探开发对高精度海底地形地貌的需求。随着各类大深度水下移动载体(如深海拖体、水下机器人、遥控潜器和载人潜水器)的涌现,特别是各类耐高压测绘声纳的商业化,使大深度近海底精细地形地貌探测成为可能。首先分析了多波束测深声纳、侧扫声纳和测深侧扫声纳等3种测绘声纳的基本原理,然后分别介绍了各类测绘声纳的国内外典型商业化产品,并通过典型实例分析了其在大深度近海底精细测绘中的应用情况。     

基于超前钻探测试的隧道地层智能识别方法

可靠地识别掌子面前方地层是保证隧道工程稳定与安全的重要因素之一。传统的超前地质预报方法不能同时保证有高识别精度、低实施成本和占用少的施工时间,对于不同地质情况的地层识别通用性不强。在传统超前钻孔的同时获取掌子面前方围岩钻探测试数据,实时获取不同深度岩层情况,将大大提高超前预报效率,方便快捷,不影响施工,但目前缺乏客观、准确的地层识别方法。提出了一种基于神经网络的钻探测试数据智能分析和地层识别方法,对楚大高速公路九顶山隧道超前钻探测试数据进行了深入分析,通过隧道开挖后所揭示地层对分析方法进行了验证。结果表明：单一钻进参数用于地层识别的错误率在35%左右,打击能和打击数、送水压力和送水流量的参数组合不能显著提升地层识别准确率;钻进速度、扭矩、回转数、推进力的参数组合可降低地层识别错误率至22%。在神经网络模型中引入钻进参数的标准差,可大幅降低错误率,可使地层划分错误率下降9%～12%;多参数组合下的神经网络钻探测试神经网络模型对随机抽样的地层识别错误率小于10%,对单个钻孔的地层识别错误率小于14%。     

煤矿采空区充填墩台承载特性试验

高浓度浆液注入到采空区后形成充填墩台,墩台搭接尺寸将影响其上覆承载力。为掌握搭接尺寸对上覆承载力影响规律,选取水泥为胶结材料,标准砂为骨料,配制高浓度浆液,并利用3D打印技术制模制作墩台试样,进行单轴抗压试验。结果表明,单个墩台在顶面面积和高度一定时堆积角度越小极限承载力越大;堆积角30°和45°的搭接墩台试样的极限承载能力均在对应的单个墩台的2.0~3.5倍范围,试样硬化后,搭接墩台试样的极限承载力随着搭接尺寸的增加呈先增大后减小的趋势;采用墩台充填的方式进行采空区治理时,合理设置注浆孔间距,使所注浆液在采空区内部形成搭接墩台群,其承载效果优于均匀分布的单个墩台;堆积角30°搭接墩台的场地承载力整体优于堆积角45°的搭接墩台;采空区内取充填堆积角30°搭接墩台,且注浆孔间距为极限搭接尺寸的38.5%时,治理场地内整体承载力最大。研究成果将为高浓度浆液部分充填治理采空区的工程实施提供依据。      

煤矿采空区注浆治理工后质量检测技术与实践

注浆质量检测是煤矿采空区废弃土地高效开发利用的关键技术,对科学评价采空区治理后场地稳定及建（构）筑物安全具有重要意义。通过众多工程实践,对注浆质量的检测方法、指标、合格标准、评价方法及检测工作中存在的误区进行了全面总结。结果表明,注浆工后质量检测是一项系统性工作,应根据建（构）筑物特点及注浆设计要求,遵循“内外兼顾、前后一致、综合检测”的原则优选检测方法;将检测指标分为直接指标（充填率、结石体强度）、间接指标（透水率、波速等物性参数）及结果指标（变形值）3大类,不宜将岩心采取率作为检测指标;检测指标及合格标准应充分考虑建（构）筑物地基设计要求及采空区埋深等工程特点综合确定;确定变形指标合格标准时,需统筹兼顾场地稳定指标及建（构）筑物允许变形值。提出了一种适宜于煤矿采空区注浆质量百分制评定法,将施工过程质量控制及工后质量检测成果紧密结合,定量评价整体注浆效果;将建筑物、地基、采空区三者视为一个系统,讨论了目前检测工作中存在的4大误区,对地下隐蔽灾害治理质量及效果评价具有重要的实践价值。      

浆液-风积沙双相介质充填材料堆积角度实验研究

堆积角度是描述充填材料采空区内空间堆积形态的一个重要参数,对确定钻孔间距、优化浆液配置、调整注浆工艺参数具有重要的指导意义。为掌握浆液-风积沙双相介质充填材料堆积角度变化规律,采用尾矿自流堆积模型实验和流变特性实验,以风积沙的质量掺入比为变量,分别测定不同含砂率条件下浆料堆积参数和流变参数,并以此为基础对Sofra&Boger公式进行了回归修正,建立适合于浆液-风积沙双相介质充填材料的堆积角度计算式,为充填材料堆积角度定量评价提供了一条新途径。      

沁水盆地南部15号煤层和顶板K2灰岩水文地球化学演化特征

针对煤层气井产水量大、降压困难、产气效果不佳等问题,基于沁水盆地南部煤矿15号煤层顶板K₂灰岩水以及15号煤层气井水矿化度和离子数据,利用统计、对比方法,系统研究两者的水化学成分特征、类型、成因机理,建立了地层水演化模型,系统阐述灰岩和煤层水在补给区、径流区、滞流区发生的各种反应和作用。研究结果表明:K₂灰岩水和15号煤层水会发生离子交换、混合作用及CO₂作用,在补给区和强径流区,K₂灰岩水水型以Ca-Mg-HCO₃-SO₄型为主,煤层水水型以Na-HCO₃-SO₄型为主;缓径流区K₂灰岩水一般为Na-Ca-Cl-HCO₃型,而煤层水以Na-Cl-HCO₃或Na-HCO₃型为主;滞流区K₂灰岩水和煤层水水型相同,为Na-HCO₃或Na-Cl-HCO₃水型。研究结果为15号煤的煤层气开发提供可靠的水文地质依据。      

弧角型PDC钻头切削齿布齿模式仿真分析

钻头在钻进复杂非均质地层时,由于其冠部形状的限制,钻头各部位切削齿受力不均匀,局部切削齿受到较大的冲击载荷,导致钻头发生“涡动”现象。为了解决上述问题,提出“多级力平衡”的切削齿周向布齿方案,通过建立全尺寸钻头破岩有限元仿真模型,分析顺时针、逆时针以及“多级力平衡”3种周向布齿模式下切削齿及钻头的受力特性。模拟结果表明:相对于顺时针和逆时针周向布齿,“多级力平衡”布齿模式下各刀翼载荷分布比较均匀,钻头的稳定性和攻击性均得到较大改善,钻头的破岩效率提高28%以上;顺时针布齿模式下钻头的侧向力最大,其稳定性相对最差;逆时针布齿模式下钻头的钻压最大,其攻击性相对较差,并且钻头的破岩效率最低。上述研究成果能够为指导PDC钻头切削齿的周向布齿设计提供理论依据。建议今后加强“多级力平衡”周向布齿模式下切削齿载荷沿钻头径向分布规律方面的研究,以指导防涡稳定PDC钻头的优化设计。      

漏失地层近水平钻孔水力反循环取心试验

基于煤矿井下陷落柱、小断层等地质异常体精确探查对漏失地层近水平孔取心钻进的迫切需要,采用双壁水力反循环连续取心技术进行井下地质异常体探查,分析其技术原理及特点,研制配套的ø89/42 mm双壁取心钻杆和反循环取心钻头,并在某地面矿山进行功能性试验,共施工完成3个近水平取心钻孔,单孔最高取心率为83.6%,最大回次进尺69 m,平均钻进效率为3.61~6.26 m/h。针对漏失地层冲洗液漏失严重的问题,提出双壁取心钻具的结构改进优化方案,采用改进后的取心钻具岩心上返通道返水流量和流速大幅提升,最后指出该套反循环取心施工中出现的钻孔环空排渣及岩心卡堵问题并提出了针对性的解决方案,包括采用正反循环排渣法解决钻孔环空排渣问题和采用中心通道打水解卡方法解决岩心卡堵问题。试验表明:该套双壁取心钻具满足煤矿井下地质异常体探查的施工需要,为煤矿井下地质异常体探查提供新的技术途径。      

倾角曲率属性在煤层巷道识别中的应用

煤炭智能精准开采需要构建高精度三维地质透明化模型,巷道资料动态融入地震资料解释为模型提供数据支撑。通过建立巷道地质模型进行正演模拟,分析巷道引起的地震特征差异。基于曲率属性原理,并将多种地震曲率属性分析技术应用于地震资料解释,指导实际数据中巷道识别。选取CJT煤田2号煤层作为研究对象,三维地震勘探得到高品质的地震数据体和多种属性体作为基础数据。分析发现倾角曲率属性沿层切片可以完整刻画巷道异常特征,所示巷道位置准确、边界清晰,具有较高的精度。研究表明,利用地震倾角曲率属性技术识别巷道的可行性和有效性,为检测和识别一些未知巷道提供参考依据,为煤炭精准开采提供地质保障。      

基于地质建模的保德Ⅰ单元煤层气井产能响应特征

煤层气资源条件及储层物性特征是煤层气勘探开发的基础,开展煤层气藏地质建模,厘清煤储层在空间上的展布特征,解释单井产能差异,可为煤层气选区、布井提供理论依据。以山西保德Ⅰ单元为研究对象,基于煤心含气量实测数据和试井渗透率测试,采用支持向量机算法（SVM）和变形F-S渗透率计算公式建立研究区含气量和渗透率反演模型,完成162口煤层气井含气量和渗透率测井数据的分析。进一步采用随机建模方法建立研究区含气量和渗透率模型,由模型计算结果表明:4+5号煤层的含气量为2.0~5.2 m3/t,平均3.3 m3/t,8+9号煤层含气量为2.4~9.2 m3/t,平均5.1 m3/t;4+5号煤层渗透率为（0.8~9.8）×10-3 μm2,平均6.1×10-3 μm2,8+9号煤层渗透率为（2.8~11）×10-3 μm2,平均7.3×10-3 μm2;保德Ⅰ单元总体表现为低含气量、高渗透率的煤层气藏开发单元。基于建立的地质模型,进一步分析研究区煤层气储层等效含气量、资源丰度、含气饱和度等平面展布规律,对比分析2口典型井（B1-X1和B1-X2）的地质条件,发现B1-X1井各项参数均优于B1-X2井。从过井剖面和生产曲线可以看出,影响两井产能差异的因素主要包括资源条件和储层物性条件,其中后者起决定性作用,B1-X1井条件明显优于B1-X2井。综合分析可以得出,渗透率差异是影响煤层气开采的关键参数,而煤层气资源丰度和吸附饱和度是评价煤层气井维持高产和长时间稳产的重要因素,煤层气开发前需查明煤储层主要地质条件和物性参数,为煤层气开发工程设计提供依据。