深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析

大量实测地质资料与防治水实践证实,深部煤层开采底板含水层存在大量的局部高承压水区域,在强开采扰动下极易诱发底板突水灾害。基于“下三带”、“关键层”理论,将局部高承压水与底板隔水关键层简化为圆筒力学模型,分析研究隔水关键层在局部高承压水作用下的屈服破坏机制,得到了隔水关键层发生屈服的4个临界水压值公式;对各临界水压值进行区间划分,分析不同区间隔水关键层的屈服状态,确定了局部高承压水致使隔水关键层屈服破坏两个阶段的水压判据平衡方程,得出了奥陶系顶部岩层作为隔水关键层剩余隔水能力的计算表达式,并反演得到了开采深度上限、下限公式。结合九龙矿深部开采实际,对所建力学模型进行了验证与应用,进而提出了防止局部高承压水致灾的相关措施,对实现深部煤层安全带压开采具有重要的理论指导意义。     

降雨条件下顺倾向煤系地层边坡稳定性的影响研究

煤系地层具有岩层软硬不均,层间胶结较差,风化速度快,遇水易软化,结构易破坏导致强度丧失等特点,特别是夹层中炭质泥岩或页岩具有强度低、易活化、易变性和渗透系数相对较小的特点,这决定了其对整体边坡的稳定性具有控制作用。文章分析了煤系地层边坡饱和、非饱和渗流降雨条件（降雨强度）、土性参数（夹层饱和渗透系数）以及边坡形状尺寸（坡脚、夹层倾角、夹层埋深）等因素对边坡渗流特点及稳定性的影响,发现软弱夹层与上下岩体渗透性差异性对边坡稳定性影响明显;软弱夹层埋置越浅,边坡越易失稳;降雨强度越大,边坡越易沿软弱夹层发生滑坡;并非坡脚越大降雨之后边坡的安全系数降低幅度就大,而是随着夹层倾角的增大,边坡的安全系数逐渐降低,边坡越易沿软弱夹层发生滑坡,这些认识对煤系地层边坡的设计和治理有重要的参考意义。      

内蒙古二连盆地巴彦宝力格煤田下白垩统赛汉塔拉组层序—古地理与聚煤作用*

二连盆地巴彦宝力格煤田蕴藏着丰富的煤炭和煤层气资源。利用钻孔和测井资料对赛汉塔拉组层序格架下的古地理演化特征和聚煤作用进行研究,识别出3种层序界面类型: 区域不整合面、河道下切谷冲刷面和对应整合面,将赛汉塔拉组划分为2个三级层序,厚煤层主要发育于层序Ⅰ湖侵体系域早期和晚期。采用单因素分析多因素综合作图法,恢复了层序格架下的古地理格局,古地理单元为冲积扇、扇三角洲平原和滨浅湖。有利聚煤环境为扇三角洲平原与滨浅湖过渡带、滨浅湖,具有合适的基底沉降速率并且受到较小的陆源碎屑影响。从层序Ⅰ到层序Ⅱ,煤层厚度减小,聚煤作用减弱;多层厚煤层的形成受基底沉降震荡性、周期性的影响,受可容空间增加速率与泥炭堆积速率比值不断变化的控制。层序Ⅰ发育时期,研究区中部为下一步煤炭资源和煤层气勘探的有利区。     

鄂尔多斯盆地东南部上古生界层序地层格架及含气砂体沉积演化特征*

鄂尔多斯盆地长期存在“南油北气”的固有认识,晚古生代早期砂体不发育与分布规律不清的认识,长期制约了盆地东南部天然气勘探开发的步伐。因此,加强盆地东南部上古生界煤系含气地层地质方面的研究、尤其是层序地层与储集砂体成因研究,对进一步增储上产具有重要理论与实践意义。作者采用Vail经典层序地层理论与方法,对鄂尔多斯盆地东南部上古生界进行层序地层研究: 首先对层序界面进行识别,以岩性、旋回和沉积特征变化作为识别依据,并提出二级层序界面上下岩性组合变化巨大、二级界面之上叠置的低位砂厚度巨大的观点,共将本溪组—石盒子组划分为3个二级层序,11个三级层序;其次根据层序内部砂体堆积、迁移样式对体系域进行了划分。通过大量钻井的层序单元追踪对比与岩心精细描述,重点分析层序格架内主要含气层段本溪组、山西组及盒8段储集砂体的空间叠置关系,结合不同时期基准面旋回变化及其形成机制对其进行探讨,认为优势含气层段储集层中本2段具有障壁迁移、毯式连通,山2段具有低位控砂、面线连通,山1段具有侧向迁移、接触式连通,盒8段具有迁摆叠置、多向连通的特点。     

Lithofacies paleogeography mapping and reservoir prediction in tight sandstone strata: A case study from central Sichuan Basin,China

Sand-rich tight sandstone reservoirs are potential areas for oil and gas exploration. However, the high ratio of sandstone thickness to that of the strata in the formation poses many challenges and uncertainties to traditional lithofacies paleogeography mapping. Therefore, the prediction of reservoir sweet spots has remained problematic in the field of petroleum exploration. This study provides new insight into resolving this problem, based on the analyses of depositional characteristics of a typical modern sand-rich formation in a shallow braided river delta of the central Sichuan Basin, China. The varieties of sand-rich strata in the braided river delta environment include primary braided channels, secondary distributary channels and the distribution of sediments is controlled by the successive superposed strata deposited in paleogeomorphic valleys. The primary distributary channels have stronger hydrodynamic forces with higher proportions of coarse sand deposits than the secondary distributary channels. Therefore, lithofacies paleogeography mapping is controlled by the geomorphology, valley locations, and the migration of channels. We reconstructed the paleogeomorphology and valley systems that existed prior to the deposition of the Xujiahe Formation. Following this, rock-electro identification model for coarse skeletal sand bodies was constructed based on coring data. The results suggest that skeletal sand bodies in primary distributary channels occur mainly in the valleys and low-lying areas, whereas secondary distributary channels and fine deposits generally occur in the highland areas. The thickness distribution of skeletal sand bodies and lithofacies paleogeography map indicate a positive correlation in primary distributary channels and reservoir thickness. A significant correlation exists between different sedimentary facies and petrophysical properties. In addition, the degree of reservoir development in different sedimentary facies indicates that the mapping method reliably predicts the distribution of sweet spots. The application and understanding of the mapping method provide a reference for exploring tight sandstone reservoirs on a regional basis.     

基于CT三维重建与逆向工程技术的煤体数字模型的建立

为了建立能够表征煤体真实孔隙结构的数字模型,进而进行数值模拟研究,通过μCT225kVFCB高精度CT系统扫描得到了大柳塔煤矿长焰煤CT数据,可观测到的最小孔隙直径为1.94 μm。使用基于Matlab语言的三维重建程序结合逆向工程技术,提出了一种将煤体CT三维数据转换为CAD数字模型的方法。以Ansys建立的煤体有限元模型为例,对煤体瓦斯渗流进行了模拟,分析了煤体孔隙内的速度及压力分布规律,并计算了沿X、Y、Z方向的渗透系数。计算结果表明：在微观尺度下（< 100 μm）煤体渗透系数呈现各向异性,其受煤体结构的影响较明显。提出的基于CT三维重建结合逆向工程技术构建的煤体CAD数字模型不仅可进行有限元分析,同时也可以被EDEM等离散元分析软件所使用,拓宽了煤体CT三维数据的应用范围,丰富了煤体在微观尺度上的研究方法。     

煤岩动静力学参数关系试验研究

煤岩的动、静力学参数关系的试验研究,对研究煤岩的位移和变形特征及工程支护设计具有重要意义。将取自新河煤矿3煤的煤样加工成Φ50 mm×100 mm的圆柱体标准试件;采用500 kHz频率的纵横波换能器分别进行纵横波速度测试;在MTS815.03电液伺服试验机上进行单轴压缩试验,得到静态弹性模量和泊松比。试验结果表明:煤岩动弹性模量与横波速度相关性强于与纵波速度的相关性,煤岩介质的纵波对孔隙和裂隙发育程度的敏感程度要比横波高;煤岩试件Ed/Es比值主要集中在1.4~1.7,室内煤岩试件动、静弹性模量和动静泊松比之间存在较好的线性相关关系。      

基于声发射参量的煤样损伤模型研究

在单轴压缩下煤样损伤模型基本原理的基础上,推导出了基于声发射参量的煤样损伤模型。以原煤为研究对象,在单轴压缩下,对煤样进行声发射实验,验证了基于声发射参量的煤样损伤模型在煤样破坏前是可行的;分析了在单轴压缩下的声发射特性,并提出了基于＂归一化＂声发射累计计数的损伤变量,得到了在单轴压缩下煤样的应变—损伤方程和煤样的一维损伤本构方程。研究结果表明：声发射参量能够反映煤样内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程;基于声发射参量的煤样损伤模型是合理的,反映了声发射事件数和煤样损伤之间的对应关系;单轴压缩下的煤样损伤演化过程,可分为初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段和残余损伤阶段4个阶段。     

煤岩吸附二氧化碳气体的CT实验研究

利用工业CT技术及应变测量研究不同气压下煤岩的二氧化碳气体吸附性质。研究发现：煤样的应变随吸附时间和气体压力的增加而增加,且在不同方向是不同的,吸附气体导致煤样孔隙率增加;煤样CT图像的灰度均值和灰度标准差随吸附时间和气体压力的增长都表现出增加的趋势。结果表明：吸附二氧化碳导致煤样总体发生膨胀变形,这为吸附提供更多的孔隙表面积而使吸附气体量增加,含气煤样的密度也因此而增大;气体吸附导致的煤样密度均值增加的效应大于体积膨胀导致的煤样密度均值减小的效应;吸附使煤样内部物质分布不均匀程度增加。     

上覆硬厚岩层破断运动及断顶控制

硬厚覆岩的破断与结构将发生显著的变化。针对汝箕沟煤矿二2煤层上覆厚层石英砂岩条件,采用现场实测、数值模拟、理论分析及现场试验等方法,研究了硬厚覆岩裂隙发育特征、破断运动、矿压显现特征及断顶控制技术,为硬厚覆岩工作面灾害防治提供了依据。研究表明,硬厚石英砂岩的微观结构致密完整,呈现大面积悬空、大步距破断运动,引起强烈的支架动载,甚至导致工作面风流逆转、沟通上部采空区隐形火区;硬厚岩层破断运移后产生明显的离层空间,并在开切眼上部和工作面上部及采空区中部形成覆岩主裂隙带,且发育高度大于经验计算数值,甚至与上方采空区沟通诱发灾害;实施开切眼深孔断顶爆破及降低工作面采高,有效缩短了硬厚岩层的初次破断步距,降低了支架动载及主裂隙带高度。