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摘要:基于国家能源需求、新一轮科技创新及煤与共伴生资源赋存现状,为实现科学技术指导下的煤与伴生资源安全、高效、绿色开采,提出了煤与共伴生资源精准协调开采概念及预留走廊开采技术手段.精准协调开采是以生态资源保护为前提,基于透明空间地球物理技术、多物理场耦合理论,采用数字化、信息化及智能化手段,精确勘探资源赋存环境,利用预留走廊开采技术手段,精准定量确定煤、油、非常规天然气、特种稀有金属、水等叠置资源开发模式,智能生成最优开采技术方案的煤与共伴生资源科学开采方法.本文以鄂尔多斯盆地为例,聚焦煤与伴生特种稀有金属精准协调开采,具体分析开采所涉及的资源间作用、地下水、地表生态、多场动态信息数字化定量与采集传输的关键科学问题,制定精准协调开采安全等级初步评价标准,进一步分析了精准协调开采关键技术,并提出相关举措及建议,对煤与共伴生资源中长期开采具有良好的借鉴意义.
摘要:为解决传统富水性评价中遇到的水文地质试验孔较少,不能有效反映含水层富水性区划以及影响因素的不确定性问题,应用沉积控水规律,构建含有砂泥质量比、卵砾石层厚度、卵砾石层层数以及含水层厚度4个指标的评价体系,采用综合赋权法和多指标综合未确知测度理论耦合评价模型对第四系底部松散含水层的富水性进行评价,进而确定浅部煤层水体下安全煤岩柱留设类型,最后以蔚县矿区单侯矿井进行实例分析.结果表明:该方法能有效地实现松散含水层的富水性区划,为保水采煤分区研究中的含水层富水性评价提供了新思路.
摘要:针对煤炭开采逐渐由浅部转向深部,提出在深部复杂的力学环境下,岩体力学行为和工程响应条件下深部巷道围岩控制的有效方法.文中确定了影响巷道围岩稳定性的因素,分析了各影响因素对巷道围岩稳定性的影响规律,认为改善巷道围岩应力状态及围岩力学性能、合理选择巷道支护形式和提高其支护阻力以及优化巷道断面等为深部巷道围岩控制的有效途径.现场应用结果表明:巷道首选在时空上避开高应力作用,底板掘卸压巷可使巷道变形量控制在20mm以内,上行开采改善了深部巷道应力环境,工作面推进速度由48 m/月提高到90m/月左右,巷道迎头超前钻孔卸压后巷道顶底板移近量减小了900mm;采用高强、高预紧力、高延伸率锚杆(索)支护系统配合合理的注浆加固参数,有效提高巷道围岩强度,巷道围岩变形量降低40%以上.另外,尽量选择弧形断面,壁后充填等措施,实现支护体均匀承载,提高支护阻力.
摘要:为揭示软弱基底排土场边坡变形破坏模式,以某露天铁矿废弃排土场为研究对象,对基底黏土进行三轴剪切和原位直剪力学测试,获取黏土的抗剪强度参数区间.建立排土场边坡的三维数值模拟计算模型,基于强度折减技术逐渐折减黏土强度参数,得到边坡处于极限平衡状态时的强度参数即为黏土的合理抗剪强度参数.三维反演得到排土场边坡的变形破坏演化过程.结果表明:基底软弱层和排土场内部扩展裂缝组合形成“Y”型滑面,滑面将滑体分割为上部主动楔体和下部被动楔体,形成双楔体滑动破坏.模拟结果反映了边坡滑动的三维效应且和现场调查的排土场实际滑坡情况相符.
摘要:为了探索可控源微波场强化煤体瓦斯解吸扩散的机理,采用自主研制的可控源微波场作用下煤岩瓦斯解吸实验装置和扫描电子显微镜研究了微波场对煤体的甲烷解吸扩散特性、温度与表面结构形态的影响规律,分析了微波场对煤体的电磁辐射热效应和损伤效应.结果表明:微波在煤体的传播过程中会产生功率损耗,将电磁能转化为煤体的热能,使煤体温度升高并呈现出先快速上升、后保持大致线性增长的特征;微波场对煤体的穿透与选择性吸收的特性,改变了煤体的表面结构形态,使煤体出现诸如失水收缩、矿物界面剥离和碎裂、裂隙张开、形成孔洞等破坏形式.可控源微波场对煤体的电磁辐射热效应与损伤效应的共同作用,使煤体吸附瓦斯的能力降低、甲烷气体分子动能增加、煤体的瓦斯扩散通道更通畅,从而提高了煤体的瓦斯解吸与扩散能力.
摘要:煤矿综合机械化开采中的煤岩界面识别问题属世界性难题.利用煤与岩的声阻抗差异以及相控阵技术,提出了基于超声相控阵的煤岩界面识别方法.在分析煤样与岩石的声速和超声波衰减系数等参数的基础上,基于非均质散射场理论,建立超声相控阵煤岩识别模型.开展了多种频率的超声相控阵对不同类型煤岩模型的扫描检测数值模拟研究,获得了煤岩界面的回波信号和超声相控阵成像图像,实现了煤岩界面的识别.结果表明:基于非均质散射场声场理论的超声波相控阵煤岩模型构建与仿真方法的正确性;超声相控阵方法可应用于煤岩界面的识别研究.
摘要:为解决强膨胀软岩巷道支护问题,以红庆梁煤矿强膨胀软岩巷道支护工程为研究对象,通过理论分析和现场调研,分析了强膨胀软岩巷道变形特性.利用MIDAS/GTS建立强膨胀软岩巷道弹塑性数值仿真模型,分析了采用锚网喷架联合支护方案时巷道塑性区范围、应力分布、表面位移以及锚杆和U型钢可缩支架的受力特征.进行现场测试,得到了锚网喷架联合支护方案条件下巷道围岩变形规律.结果表明:采用锚网喷加U型钢可缩支架组成的联合支护体系将有效地提高支护结构整体刚度,增强围岩的自稳能力和自承能力.
摘要:为研究超临界二氧化碳气爆应力波和爆生气体致裂煤体的规律,通过实验确定了不同温压条件下气爆喷嘴压力时程曲线,反演得到了爆生气体Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程参数,建立了超临界二氧化碳气爆致裂煤体的冲击动力学模型,应用光滑粒子流体动力学方法对不同压力的超临界二氧化碳气爆煤体过程进行了模拟计算,揭示了粉碎区和裂隙区的破坏规律和形成机理,得到了气爆过程中爆破压力的分布.结果表明:煤体破坏形貌与实验结果一致;超临界二氧化碳气爆产生的冲击载荷超过爆孔周围煤体的动态抗压强度形成粉碎区,粉碎区外的介质在应力波作用下产生径向位移,形成环向拉应力,连同爆生气体的气楔作用使得环向拉应力超过煤体动态抗拉强度发生开裂形成裂隙区;裂隙扩展范围和密集程度与超临界二氧化碳气爆压力正相关.
摘要:为解决大倾角煤层变角度综放工作面“支架-围岩”系统稳定性控制的难题,以枣泉煤矿120210工作面综放开采为工程背景,采用平面相似模拟实验、理论分析和现场矿压观测等综合研究方法,重点研究了角度变化过渡区域“支架-围岩”系统稳定性,分析得出了大倾角变角度综放采场围岩变形破坏及支架稳定性的分区域特征.结果表明:在大倾角变角度工作面,上部区域是安全高效生产的主体区域,下部区域是整体稳定性的基础,中部区域是安全高效生产与系统稳定协调转换的关键区域,并提出基于工作面仰伪斜变角度布置、顶煤放出量和支架工作阻力分区域控制的大倾角变角度工作面围岩稳定性控制技术.
摘要:在对近地表厚硬关键层运动引起地面震动案例分析的基础上,综合厚硬关键层破断及能量传播规律,提出了“震动损害边界”的观点,并以质点震动速度作为震动损害的主要评价指标,初步建立了矿震诱发地面震动损害的评估方法.根据厚硬关键层破断诱发强矿震的基本条件,提出了矿震引起地面震动损害的防控思路:1)改变矿震孕育的条件;2)减小一次矿震释放的能量.通过某矿16101工作面开采实践,取得了良好的效果.
摘要:在对比分析煤岩体峰前和峰后阶段渗透率演化规律差异的基础上,通过考虑开挖损伤对煤岩体渗透率的影响,基于裂隙平板模型建立了考虑损伤效应的峰后煤岩体渗透率模型;将实验测试数据与渗透率模型计算结果进行对比分析,验证了渗透率模型的合理性.基于此模型,具体分析了3种典型开采方式下(保护层开采,放顶煤开采和无煤柱开采)工作面前方煤岩体渗透率分布特征.研究结果表明:峰前和峰后阶段煤岩体渗透率均随应力呈现指数增长趋势,但两者在增长量上存在明显不同;根据渗透率分布特征,可以将工作面前方煤岩体划分为4个区域:渗流开放区,渗流屏蔽区,渗流过渡区和原岩渗流区;3种开采方式对工作面前方煤岩体的瓦斯渗流影响规律相似,但是在影响区域范围上存在较大差异.
摘要:在地下岩体工程中,无论是软岩还是硬岩,只要岩体受力后的应力水平达到或超过该岩体的流变下限,都将随着时间的增长而发生流变变形.基于此,针对圆形断面巷道,在考虑巷道掘进面空间效应的基础上,根据黏弹性理论,建立巷道围岩与支护结构的二次支护耦合作用模型,并获取解析解.按照该思路,可递推出多次支护情况下围岩与支护结构的耦合作用过程.通过算例分析了初次和二次支护时间对支护结构与围岩以及支护结构与支护结构之间相互作用力的影响.结果显示,支护时间对支护结构与围岩以及支护结构与支护结构之间的相互作用力有显著的影响;当二次支护时间不变时,第1个支护结构与巷道围岩之间的相互作用力随着初次支护时间的增大而减小,第1个支护结构与第2个支护结构之间的相互作用力随着初次支护时间的增大而增大;当初次支护时间不变时,支护结构与围岩以及支护结构与支护结构之间的相互作用力都随着二次支护时间的增大而减小.
摘要:天然裂隙岩体抗拉强度及破裂模式是岩体重要的力学特性,在一定程度上影响岩体的稳定.鉴于此,使用室内试验和数值模拟的方法探究了平行非共面闭合双裂隙岩桥倾角对巴西试样的抗拉强度和破裂模式的影响.结果表明:1)试样的抗拉强度随岩桥倾角的增大呈现先减小后增大的规律,且随着岩桥倾角增大试样的最终破裂模式受到预制裂隙的影响越大;2)Flatjoint模型中有效接触模量主要影响试样的弹模,黏结力与抗拉强度比主要影响试样的拉压强度比,并提出关于单轴压缩和巴西劈裂试验细观参数验证的一般过程;3)使用Smoothjoint模拟了闭合裂隙巴西试样,模拟结果与试验结果吻合较好,试样的破裂模式主要受到黏结力的分布影响;4)岩桥倾角在30°~60°时黏结力随加载的进行不断向试样中心聚集,而倾角在90°~120°时试样黏结力主要集中在裂纹的尖端,这是造成试样承载能力不同的主要原因.
摘要:为确定富水地区限排隧道中适宜的注浆参数,采用室内模型试验和数值模拟手段,研究注浆圈内部水压分布规律及注浆圈外、注浆圈内、二衬外水压联动特征,并分析注浆圈厚度、注浆圈渗透系数、隧道埋深等关键因素对注浆圈内部水压的影响.结果表明:不同注浆厚度时,在隧道相同部位水压力量值十分接近,扩大注浆范围对降低水压力的作用并不明显;渗流模型试验与数值分析结果基本一致,深埋和浅埋隧道围岩的测点水压力均呈现从注浆圈外部至二衬背后逐渐减小的趋势,但浅埋地层中量值变化幅度更大,渗流影响范围更广;渗流场各测点水压力与地下水位高度关联性较大,而与隧道埋深关联性并不大;深埋和浅埋隧道注浆圈内部拱顶和拱腰位置的水压力均表现出衰减逐渐增大的非线性特征,且随着注浆圈渗透系数降低更加明显,而拱底处水压接近线性变化;注浆圈渗透系数减小时,二衬外水压力同步减小,注浆圈外侧水压力逐渐增加,但变化幅度总体较小,依靠不断降低注浆圈渗透系数来控制围岩-支护体系的水压力并不经济.
摘要:鄂尔多斯盆地中南部地区发育含气的长7段页岩.为了充分认识长7段页岩气的生成过程、运移过程以及成藏演化过程,以气体化学与同位素化学相结合为手段,研究了不同气体组分及其同位素在解析过程中的含量变化,认为在页岩气的解析过程中,甲烷的含量逐渐降低,重烃气的含量逐渐升高,气体的干燥系数降低;甲烷的碳同位素逐渐增重,重烃气的碳同位素变化不明显.研究结果表明:解析过程中,二氧化碳体积分数变化范围为0.53%~5.15%,氮气体积分数变化范围为1.24%~4.64%,气体干燥系数在0.43~0.82之间,甲烷碳同位素变化范围为-51.6‰~-33.9‰.基于长7段页岩的气体解析特征,得出长7段页岩气为腐泥型母质生成的油型热解气;长7段页岩对二氧化碳的吸附能力最强,对甲烷的吸附能力次之,对氮气的吸附能力最弱;烷烃气体中,气体的分子体积越小,其在页岩内部的初次运移能力越强;页岩中,吸附态、溶解态及游离态3种赋存相态的页岩气在地质历史过程中不断转化与调整;长7段页岩的平均含气量大致为1.90m3/t.
摘要:综合运用钻测井和三维地震资料,对陆丰凹陷东部缓坡带文昌组层序地层格架、坡折带类型及层序样式进行了详细探讨,认为古近系文昌组自下向上可划分为5个三级层序,代表了一个由弱到强再变弱的完整裂陷旋回.陆丰凹陷东部缓坡带文昌组层序构成样式划分为3类6种:斜坡型(平缓斜坡型和翘倾斜坡型)、挠曲型(先存潜山挠曲型和沉积地形挠曲型)和断阶型(二级断阶型和多级断阶型),并分别建立了相应的层序地层模式.研究结果表明:初始断陷时期,断裂活动弱,陆丰凹陷缓坡带总体表现为平缓的斜坡地貌特征,坡度约0.8°~2.0°;断陷强烈期,岩浆作用活跃,同沉积断层差异性活动,形成二级和多级断裂型以及岩浆底辟改造斜坡型坡折带,在深湖背景下发育众多低位砂及高位滑塌砂体,地震反射以丘形为特征,钻测井显示厚层泥岩夹薄层细砂岩;弱断陷期,受控于断层活动减弱以及前期的岩浆底辟活动的影响,整体在缓坡带发育差异明显的多种层序样式,缓坡带北段发育先存潜山型挠曲坡折带(坡度约3.8°~6.0°),控制发育厚层S型地震前积的低位扇体,是研究区有利的勘探目标;断陷衰弱期,断裂活动近乎停止,大部分同沉积断层停止活动并转化为地形挠曲坡折带,辫状河三角洲推进距离远,整体为一套富砂沉积,可见红色泥岩夹层.
摘要:孔隙连通性是致密储层有效性评价的关键.为了定量评价致密储层孔隙连通性,文中分析了核磁共振和高压压汞所反映的孔隙空间的差异,以核磁共振和高压压汞数据为基础,提出了一种用于评价致密储层孔隙连通性的方法,并用自发渗吸实验验证了其正确性,选取沾化凹陷沙三下亚段典型泥页岩样品为例,对其进行了实例分析.研究结果表明:沾化凹陷沙三下亚段泥页岩孔径分布呈三段式.0~50nm孔体积占总孔隙体积比例平均为66.2%,是泥页岩主要的储集空间;50nm~2μm和大于2μm分别为16.6%和17.2%,二者发育情况相当,是重要的储集空间及运移通道.孔隙连通受控于孔隙尺度及层理发育情况.孔隙尺度越大,其连接到运移通道的概率就越大,孔隙连通性越好;层理的发育一方面提高了大孔隙孔体积;另一方面改善了不同尺度孔隙的连通性.
摘要:为了明确富油凹陷洼槽区古压力演化特征,以冀中坳陷饶阳凹陷为研究对象,运用录测井、试油等资料,在现今地层压力研究的基础上,采用盆地模拟技术与流体包裹体测温技术相结合定量恢复了不同洼槽古压力演化过程,并探讨了富油凹陷洼槽区古压力演化的影响因素,认为洼槽区古压力演化经历了原始积累—释放—再积累3个阶段,不同阶段不同洼槽古压力演化特征差异明显;源岩生排烃能力控制的生烃增压作用是大规模生排烃时期(12~0 Ma)古压力明显增强的主要原因.结果表明:饶阳凹陷洼槽区发育东营组—沙一段和沙三段2套压力系统,河间、马西与留西洼槽为上弱下强型,任西洼槽为下强上弱型,其中河间洼槽超压强度最大,压力系数可达1.58.古压力恢复结果表明饶阳凹陷洼槽区成藏期普遍发育超压,最大压力系数可达1.51,相邻构造带发育弱超压,最大压力系数为1.29.洼槽区沉积充填特征决定了不同层系的岩性、厚度与沉积速率等特性,影响了欠压实增压机制对超压的贡献大小;大规模生排烃时期异常压力快速积累,洼槽区古压力变化率fVR随生排烃量差值增大而提高,马西洼槽fVR可达0.030 Ma-1.