几种梯度场计算的数值算法及其地学应用

梯度作为标量场在空间上最重要的微观变化特征,能较好地反映其在空间上的变化趋势。本文介绍了中心差分算子、相邻梯度因子和Sobel梯度算子三种梯度数值算法。以点电荷在三维空间中产生的电势场构造了一标量场,通过理论公式求解了其梯度值,并将理论梯度值与三种数值算法的结果进行了对比与统计分析,验证了三种梯度数值算法的有效性和适用性。结果表明,排除场源的影响后,Sobel梯度算子相较其它两种数值算法更逼近于理论梯度值。最后,利用Sobel梯度算子求取了某铜矿区可控源音频大地电磁法(CSAMT)三维视电阻率场的梯度场,用梯度场刻画了视电阻率在空间上的变化趋势,提高了对三维地下空间的电性分布规律和地质情况的认识。     

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。      

鄂尔多斯盆地韩城区块煤层气老井挖潜技术及应用

综合运用地质、压裂及排采动态等资料研究了韩城区块部分煤层气井低产原因,认为储层物性差、断层影响含气量和含气饱和度、多层开采临近水层被压裂沟通、开发井网不完善、越流补给导致储层不能有效降压、局部构造煤发育使煤层压裂造缝难度大并且排采煤粉堵塞渗流通道是造成煤层气井低产的主要因素。通过技术攻关,形成了跨层压裂、封层堵水、酸化解堵、修井工艺优化、加大排采强度等针对性的老井挖潜技术。通过现场试验表明,系列挖潜技术在韩城区块现场应用效果显著,有效提高了单井产气量,对该区块及其他类似地质条件区块的煤层气开发具有一定指导作用。      

煤层采空区“三相”的激发极化特征

激发极化法对煤层采空区、采空积水区、裂隙富水区等情况的探测,可以取得不同的响应特征,具有良好的区分效果。将该方法的物理-电学特性与土力学理论相结合,从土力学中的"三相"（固体、液体、气体）角度对激发极化法探测煤层采空积水等情况的不同特征进行理论分析,并进行了"三相"相关参数（饱和度、孔隙率）与激发极化特征（视电阻率、极化率）之间的关系实验。理论分析及实验结果表明:煤层采空区激发极化特征表现为"高电阻率、低极化率",采空积水区表现为"低电阻率、中-高极化率",裂隙富水区表现为"低电阻率、高极化率";煤层采空积水等不同情况下的激发极化特征与饱和度、孔隙率的变化密切相关。山西晋城某煤矿的工程实例,验证了理论分析成果。      

陆态网络GNSS基准站地壳运动速度场分析

针对中国大陆构造环境监测网络(陆态网络)中观测数据处理的期数过少或解算成果的坐标系统不统一等问题,该文在ITRF2008中对陆态网络239个GNSS基准站从2010年1月至2013年8月的观测数据进行解算,获取站点的坐标时间序列,估计了站点的水平和垂直运动速度场,并分析了中国大陆地壳运动特征。结果表明:GNSS基准站在ITRF2008中的坐标时间序列整体上符合线性变化趋势,东西方向的幅度变化大,高程方向受观测噪声的影响较大一些;高程方向相比较水平方向的年周期性更为明显;水平速度场明显有自西向东运动的趋势,且西藏块体中测站变化最为明显;垂直运动速度场中,华中、华南、华东块体中测站存在较低速率的下降,其他块体的测站存在较低速率的隆升。     

新型同径分层止水工艺在地热探采深井的应用

原平大营地热探采结合深井完钻井深3088 m,为探明494~3088 m变质岩地层的水文地质参数和水源补给情况,基于岩心和测井资料划分4个抽水试验段,且试验后需要恢复目的含水层。根据“一孔同径分层止水”原则,设计了管内止水托盘止水、管外止水伞止水的新型同径分层止水工艺。该工艺简化了井身结构,避免了管外投粘土球、注水泥等堵塞含水层的情况。现场实施表明,该工艺止水效果完全满足水文地质抽水试验要求,可为同类工程提供经验和借鉴。     

煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采钻孔钻进工艺

碎软煤层在我国煤矿区分布广泛,具有瓦斯含量高、压力大、渗透率低等特征,在碎软煤层中钻进存在喷孔、塌孔、排渣不畅等问题,导致碎软煤层钻进困难、孔内事故频发,进而影响成孔深度和成孔率,造成瓦斯治理盲区;尤其是随着我国煤矿开采深度的增加,碎软煤层瓦斯抽采孔工作量和成孔难度不断增大。针对碎软煤层瓦斯抽采对钻孔施工需求,研究开发了高转速螺旋钻进工艺、中风压空气钻进工艺、气体定向钻进工艺等实用、经济的碎软煤层高效钻进技术,破解了碎软煤层钻孔排渣护孔、轨迹控制和高效成孔等方面难题,实现了碎软煤层钻孔在服役周期内的长效利用,相关技术在安徽、贵州、山西等地区成功推广应用,达到高效、精准抽采的目的,为矿井安全生产提供了技术保障。     

花岗岩风化料弃土快速堆填过程中不排水抗剪强度评估

沿海沿江城市地下开挖产生的工程渣土含泥量大、含水率高且较松散,主要运往渣土场进行堆填处置。由于产量巨大而处置场地有限,许多渣土场在运营过程中存在堆填速度快、缺乏排水设施、超高超库容堆填等问题,容易引发堆填体失稳事故。目前对于非饱和工程渣土堆体在快速堆填过程中的失稳机制认识尚不清晰,尤其是对这一过程中的高饱和度工程渣土强度增长规律缺乏足够的认识。以深圳红坳渣土场填料——花岗岩风化料(CDG)填土为研究对象,对不同初始饱和度土样进行三轴不排水不排气等向压缩和剪切试验,结果表明:非饱和CDG填土不排水抗剪强度随围压增大呈非线性增长,增长速率与试样初始饱和度密切相关;当土样压缩后的饱和度超过0.7,不排水强度随围压的增长速率显著降低。基于有效固结应力法的原理,结合Hilf孔压公式和修正剑桥模型,提出了一种工程渣土不排水抗剪强度估算方法,并通过与试验结果对比验证了该方法对初始饱和度高于0.6的CDG填土的适用性。利用该方法确定的不排水强度cu与正应力σn的关系可应用于高饱和度工程渣土快速堆填中的稳定性分析。     

一次西南低涡影响下的川渝地区 暴雨个例分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、卫星以及雷达资料对2015年8月16—18日影响川渝地区的一次持续性大暴雨过程进行了分析。结果表明:在亚洲中高纬和低纬相对稳定的环流背景下,两次高原涡东移、两次冷空气南下侵入四川盆地共同促进了西南低涡生成发展,造成此次大暴雨过程。西南低涡"初生形成"阶段,地面热低压东北侧有冷锋侵入,中心偏北形成暖锋,低涡近于正压;"稳定持续发展"阶段,冷锋南段移至地面热低压南侧,北段与暖锋结合形成准静止锋,低涡斜压性明显且呈近圆形,持续性暴雨主要出现在西南低涡的暖切变线附近和冷槽东侧;"东移变形减弱"阶段,冷空气第二次侵入,冷锋持续增强,西南低涡东移变形减弱。低层辐合、高层辐散、充沛的水汽输送以及不稳定能量的累积为西南低涡的加深、发展和强降水的维持提供了重要条件。西南低涡暖切变线和南侧冷槽附近发展起来的对流云团是暴雨产生的直接原因,强降水主要发生在云团上风方TBB梯度相对较大的区域。此次强降水过程的局地环流有低空急流和低空辐合线或切变线配合,雷达体积速度处理(velocity volume processing,VVP)法反演的风矢图可更直观地判断风向风速、天气系统所处的发展阶段以及判识辐合线或切变线,低空辐合线或切变线的演变以及低空急流的强度和移向对强降水天气产生的动力条件、维持时间和回波外推预报具有重要的指导意义。     

2017年5月7日广州特大暴雨模拟中的背景场影响分析

2017年5月7日广州发生了特大暴雨,为研究不同背景场资料对这次暴雨过程的影响,模式背景场分别采用美国NCEP的GFS资料和中国的T639资料,利用GRAPES_Meso模式对这次暴雨过程进行了数值模拟和影响分析;数值试验结果表明,采用不同的背景场对这次暴雨过程具有显著影响,用T639资料(T639_run)作为模式背景场大致模拟出了这次暴雨过程,而采用NCEP GFS数据(GFS_run)模拟的降水明显偏北。其原因是,采用T639资料做背景场时,华南暴雨区域存在深厚的水汽输送,同时存在强烈的上升运动,可以产生极端强降水;而采用GFS资料进行数值模拟时,实际暴雨区上空的上升气流较弱,水汽输送也较弱,使强降水落区偏北。GRAPES_Meso模式模拟的华南地区的云顶高度整体偏高,云顶温度整体偏低,相对来说,采用T639_run的模拟结果优于GFSrun的结果,该研究结果可以为云降水方案中的水物质和云量计算方案的改进和优化提供一定的参考。