国家重点研发计划“深地资源勘查开采”攻关目标与任务剖析

国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项（简称“深地专项”）以大幅提升中国资源发现率和资源获取能力,全面支撑国家找矿突破战略行动为核心目标。按照国家重点研发计划“全链条设计,一体化实施”的要求,专项重点资助的研究工作包括：中国深部资源成矿成藏、预测评价与深部开采相关重大基础理论研究,航空-地面-地下立体勘查和智能化、无人化绿色采矿共性关键技术装备研发以及相关应用示范研究。“深地专项”共包含“成矿系统的三维结构与控制要素系统”等7项任务,各任务及专项的目标通过若干相互关联、有机衔接的项目落实。结合专项启动以来的立项情况,梳理了7个任务方向专项经费的分布情况,并分析总结了各任务方向的研究重点、难点和预期目标,全面呈现了“深地专项”的研究布局、空间布局和资金布局,为相关研究工作和管理工作的开展提供了参考。     

降压开采过程中含水合物沉积物的力学特性研究

天然气水合物是一种潜在的能源资源,开采过程中,水合物的分解会造成工程和地质等安全隐患。为研究降压开采过程中多因素综合影响条件下沉积物的力学性质,在自主研发的低温高压三轴仪上进行了不同围压条件下含水合物沉积物的剪切试验。试验结合常规三轴剪切及一个试样多级加荷的方法,并加入了水合物的降压分解过程。结果表明：水合物的存在可以显著提高沉积物的抗剪强度。在降压分解过程中,含水合物沉积物试样的力学强度受到有效围压和孔隙中水合物含量的综合影响。前期试样由于孔隙压力降低导致有效围压大幅增加,试样抗剪强度增大,后期由于水合物含量的大幅降低,试样在较高有效围压下抗剪强度下降。有效围压对含水合物沉积物试样的体积应变有较大的影响,较高的有效围压会导致含水合物试样产生显著的剪缩现象。     

油页岩原位开采井钻井工艺设计与施工

为了研究油页岩的地下原位开采技术,设计施工了FK-1井。该井地处吉林省松原市扶余县,完钻井深500 m,完钻层为嫩江组地层。该井设计施工中主要需克服大口径钻井的保直钻进、软塑性地层的裸眼钻进、水敏性地层中钻井液的应用、泥页岩层中发生钻头泥包现象及原位开采井的特殊成井、固井等问题。通过对钻井设备的优选,钻井液性能和井身结构的相应优化,钻头和钻具组合的选择等措施来解决钻井过程中的施工难题。设计结果在施工过程中进行了应用,施工效果良好,缩短了钻井时间,减少了钻井投入,解决了施工难题,为同类钻井的施工提供了借鉴和指导依据。     

开采沉陷动态预计的分段Knothe时间函数模型优化

针对分段Knothe时间函数在理论上存在的不足,为了扩展其应用范围,改善其在地表动态下沉预计时的精度,通过理论分析和对比研究,对该时间函数存在的理论缺陷进行了深入探讨,并针对存在的问题提出了相应的改进方法,进而构建了一种新的、适用范围更广、预测精度更高的分段Knothe时间函数模型。研究结果表明:该模型的构建解决了原时间函数在分段点处函数值与理论值不一致的问题以及原时间函数值最终不能收敛于1的问题;新的函数模型在应用上也摆脱了原模型对预计参数选取的某些特殊限制,扩展了利用该模型在不同地质采矿条件下进行动态预计的适用性。通过对实测数据的对比预测,证明采用该时间函数模型进行预测的精度比采用原时间函数进行预测的精度有所提高,并且地表下沉的终态预计值在达到最大下沉值后不会再随着下沉时间的增加而改变。     

含水层结构变异对区域地下水循环影响数值模拟

煤炭开采对地下水资源的破坏是限制煤矿区经济与环境可持续发展的主要瓶颈, 煤炭资源开采与水资源保护的矛盾将日益加剧。我国富煤地区主要分布在华北和西北, 仅山西、内蒙古、陕西和新疆四省自治区煤炭查明资源储量就占全国的73.1%, 这些富煤地区多是地下水资源相对贫乏的地区, 全国86个重点矿区缺水的占71%, 严重缺水的占40%, 而煤矿开采对地下水资源的严重破坏加剧了矿区的水资源短缺矛盾, 这一问题在能源大省山西尤为突出。究其根本原因, 在于采煤引起含水层结构变化, 造成地下水资源的破坏, 使地下水资源由原来可供开采的优质水源变为被污染的矿坑水而排走, 破坏了地下水的补径排, 破坏了水文下垫面条件, 破坏了地表水循环, 进而影响了区域地下水循环态势。     

承压水导升过程中微裂隙扩张分析

带压开采是一种常用且有效的承压水上采煤方法,准确评价承压水导升高度是实现承压水上安全采煤的关键因素之一。将隔水层视为各向同性连续体,在隔水层微裂隙存在的前提下,运用力学理论推导了微裂隙的扩展长度与岩体力学参数、微裂隙参数以及水压之间的关系,并在此基础上建立了承压水导升高度的计算式。结果表明,决定承压水导升高度的微裂隙扩展长度L随侧压系数λ、隔水层内摩擦角φ、隔水层固有抗剪强度S0、微裂隙中水流速度v及垂直应力σV的增加而减小;随夹角α和承压含水层水压P0的增加而增加;而微裂隙宽度d对承压水导升高度几乎没有影响。     

低于现行一般工业指标的煤层何时能顺利审批和开采

笔者通过近几年的工作,尤其是为矿山企业进行煤炭资源储量核实时发现,多数矿山企业井田内的煤炭资源其煤层厚度均低于国家勘查规范《煤、泥炭地质勘查规范》所确定的一般工业指标。     

黑龙江省矿山环境问题与防治对策

据统计,黑龙江省95％以上的能源,80％以上的工业原料,70％以上的农业生产资料都来自于矿产资源,矿山开采已成为黑龙江省生产活动与经济增长的重要手段。以前,由于黑龙江省矿产资源开采缺乏管理和规划,矿山环境缺乏治理导致了较为严重的矿山生态环境问题。随着黑龙江省经济的发展和社会环保意识的增强以及社会可持续发展的需要,矿山环境治理已迫在眉睫。     

陕北现代化煤炭开采区土地沙漠化影响及原因——以大柳塔—活鸡兔矿区为例

为了弄清楚陕北现代化煤炭开采对沙漠与黄土交界处土地沙漠化和地质环境的影响,以神府煤田的大柳塔—活鸡兔矿区为例,采用遥感解译、大比例尺地面调查以及GIS技术,对矿区近20年来煤炭开采区沙漠化土地及地质环境的演化特征进行分析,探讨了土地沙漠化的影响因素。结果表明:近20年来研究区土地沙漠化总体呈好转趋势,1986—1996年是矿区沙漠化好转的主要时期,主要因为该时期煤炭开采规模较小,采空塌陷区增加缓慢;20世纪80年代中期以来,矿区因煤矿采空所形成的塌陷区面积不断扩大,但采空塌陷至少对严重和中度沙漠化土地的影响微弱;1996年以来,随着煤炭开采力度不断加大,采空塌陷区面积呈指数增长,但土地沙漠化仍处于一个相对稳定的时期;煤炭资源开发造成大面积地面塌陷和裂隙、地下水水位下降、泉水流量减少甚至干涸,以及地表径流减少等,会导致区域生物多样性的减少和湿地植被的演替,使生态环境更加脆弱。因此,影响矿区土地沙漠化的主要因素是气候变化和其他人为因素,而不是矿区生态特征和采空塌陷因素。设立重要的生态环境和水资源保护区是保护有限的水资源和生物资源必要手段,也是减轻土地沙漠化的重要途径。     

采动区建筑物抗震、抗变形双重保护作用机理分析

采动区建筑物保护是一个涉及采矿工程、结构工程、防灾减灾工程等多学科的综合性、交叉性问题,采动区建筑物的变形损坏是由于采空区上的土层变形与建筑的基础变形不协调,从而产生附加应力而引起的建筑物倾斜、出现裂缝等一系列问题。由于受到采动区地质条件的物理力学的性质以及煤炭的开采方法、开采面积等开采因素的影响,加之建筑物的结构型式、结构的强度刚度、基础的稳定性、地基的承载能力以及建筑物在采动区的位置等因素的存在,很难按照经典的数学模型和力学计算理论进行统一度量并加以分析研究。本文采用AN SY S有限元结构分析软件,对采动区地震和开采沉陷变形对建筑物的耦合作用机理进行分析,将采动区建筑物抗震设计和开采沉陷的抗变形设计结合起来进行分析研究,提出了采动区建筑物抗震抗变形双重保护的具体措施,发展和补充了采动区建筑结构抗震抗变形控制理论,不仅能够合理地解决地上建筑物保护与地下开采的矛盾,同时也为采动区已有建筑的加固防护、减少采动区建筑物的损害破坏以及新建建筑的结构设计提供理论依据和技术支持。