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2021年  第49卷  第5期

煤矿区矿井水污染防控及深部转移存储技术
我国煤矿区矿井水污染问题及防控技术体系构建
孙亚军, 徐智敏, 李鑫, 张莉, 陈歌, 赵先鸣, 高雅婷, 刘琪, 张尚国, 汪韦峻, 朱璐璐, 王晟
2021, 49(5): 1-16. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.001
浏览量:880 下载量:166
摘要:
煤炭开采必然产生大量的矿井涌水,我国目前的矿井水整体上表现出水质相对较差、水处理成本较高等问题。首先明确了我国典型矿区矿井水水质的主体特征:常规离子是造成矿井水水质差的主要化学组分;矿井水中有毒有害物质占比小,且基本优于地下水Ⅲ类水质量标准。其次,详细探讨了我国矿井水水质形成、演化的几个科学问题,包括不同水文地质结构下物理–化学作用所起的主导作用,时间效应对水质演化的影响,微生物群落结构特征及其与环境因素的相关关系,水动力场–化学场–微生物场–温度场的多场耦合问题等。接着重点介绍矿井水污染防控的技术方法,以减少矿井突(涌)水量和水资源保护为前提,以实现煤–水双资源协调开采、煤炭绿色开采为目标,以矿井水“阻断、减量、保护”为主要防控思路,围绕煤矿区矿井水阻断技术、污染负荷减量技术、污染区修复治理等科学问题展开分析;通过各种现有技术、方法、工艺,最大可能地降低吨煤矿井水处理成本,如采用井下预处理、地面深度处理、超深回灌封贮、生态资源化利用等。最后,提出研发煤矿区地下水及污染物的阻断材料和吸附材料、注浆装备、监测设备、投料设备、原位取样检测设备等,形成我国煤矿区矿井水污染防控技术体系。该技术体系的构建可对煤矿绿色开采、煤矿区深层地下水污染防控、闭坑矿井水污染防控、矿区地下水资源及生态环境保护利用等提供理论及技术支撑。
高矿化度矿井水深部转移存储介质条件及影响机制
李鑫, 孙亚军, 陈歌, 王厚柱, 张志军
2021, 49(5): 17-28. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.002
浏览量:246 下载量:45
摘要:
我国西部干旱-半干旱矿区既面临水资源匮乏,又面临矿井涌水量大、矿井水矿化度高等难题。为减少采煤过程中水资源浪费、保护西部地区水生态环境,基于保水采煤和煤-水双资源协调开采等理论基础与技术方法,围绕“矿井水深部转移存储”这一核心科学理念,提出将处理后的矿井水进行高压深井转移存储,转移至煤层底板深部含水层中存储。在鄂尔多斯盆地东部某矿实施试验井工程,通过开展野外岩样采集、室内电镜扫描、岩石成分分析、压汞等实验与定量-定性方法,研究目的转移存储层的水文地质条件和特征,分析不同高压水力压裂增渗试验主控因素,对比矿井水水质、转移存储层原生地层水水质和转移存储后混合水质,获取了矿井水高压持续深井转移存储的水文地质效应。结果表明:目前试验井单井累计转移存储矿井水量已满足设计预期,且持续高压水力压裂增渗方式可不断改善和渐次增强目的存储层的矿井水存储能力,延长服役时效。因此,高矿化度矿井水深部转移存储在技术和经济上具有可行性,将对西部地区水资源保护、水生态环境可持续发展产生重要意义;同时,相比高矿化度矿井水处理成本,能够有效缓解矿井水处理经济负担,为西部煤矿区矿井水转移存储提供典型示范。
高盐矿井水深部转移存储介质特征与水动力演化规律
刘琪, 汪韦峻, 罗斌, 王厚柱, 张志军
2021, 49(5): 29-35. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.003
浏览量:191 下载量:36
摘要:
高盐矿井水处理及排放是近几年影响煤炭高效开采的重要因素之一,选择开采煤层底板下深部适当的含水层,将高盐矿井水进行异位转移存储是一种值得探索的矿井水排放减量方法。以鄂尔多斯盆地X矿为例,分析认为开采煤层以下宝塔山砂岩和深层刘家沟组砂岩地层具备转移存储空间。采取压汞实验和岩石力学分析研究2组地层介质特征;采用水位自然恢复试验、压水试验和数值模拟等手段研究水文地质参数和水动力场特征。结果表明:宝塔山砂岩孔隙率为6.57%~19.89%,储水潜力大但距离开采煤层过近,转移存储矿井水可能引起底板突水威胁,现今开采阶段不考虑作为转移存储目的层;刘家沟组孔隙率为4.18%~7.49%,原始状态下渗透系数为5.31×10-6 m/d,注水压裂后为0.008 14~0.015 27 m/d,渗透能力大幅提升并可保持稳定;MODFLOW模拟结果表明,刘家沟组含水层在长期转移存储矿井水方面具备较好前景。
矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析
赵春虎, 杨建, 王世东, 周建军, 许峰, 刘基
2021, 49(5): 36-44. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.004
浏览量:290 下载量:51
摘要:
矿井水深井回灌是矿井水“转移存储”处理的主要形式,根据鄂尔多斯盆地煤矿区地质和矿井水特征,从回灌目的层地下水与矿井水的匹配性、上下岩层的隔水性、回灌层的渗透性以及封闭性角度提出了矿井水回灌目的层选取依据。并以地下水达西定律和Dupuit理论为基础,建立极坐标系完整注水井稳定流数学模型,得出在稳定注水条件下,回灌量与注水层渗透系数、厚度、回灌压力、水位埋深以及回灌井直径正相关,与影响半径负相关,与回灌层埋深无关。提出了矿井水深层回灌水动力和溶质运移耦合仿真模型构建方法,并以矿井水回灌试验案例为分析对象,模拟得出矿井水回灌过程中含水层水压形成以注水井为中心的“高位水丘”,且注水压力越大,回灌量增加较为明显,模型分析结果与现场试验结果基本一致。溶质运移范围形成以注水井为中心的“圆柱状”弥散形态,特征离子浓度沿回灌井两侧变化剧烈,回灌层特征离子浓度被迅速稀释,随着时间的延伸,弥散稀释范围增加相对较小,说明矿井水回灌对深部高浓度含水层地下水水化学影响程度不大,研究成果可为西部煤矿区矿井水高效回灌处理提供科学依据。
内蒙古某矿矿井水重金属污染特征及来源分析
王甜甜, 靳德武, 杨建
2021, 49(5): 45-51. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.005
浏览量:245 下载量:43
摘要:
确定矿井水中重金属污染程度及主要来源,对矿井水的再利用及矿区生态环境保护具有重要的理论意义。以内蒙古某矿区为研究对象,采集地表水、第四系潜水、承压水及矿井水水样49组,检测水体中Zn、Pb、Fe、Mn、As、Cu、Cd、Cr、Hg、Se 10种重金属浓度,分析矿井水中重金属污染特征及超标情况,利用HPI模型定量评价重金属污染程度,并综合数理统计、不同类型水样重金属浓度箱形图及煤/顶板重金属浸出试验,分析矿井水重金属主要来源。结果表明:内蒙古某矿矿井水中Zn、Pb、Fe、Mn、As 5种重金属浓度值超标,其中Fe和Zn的超标率高达100%;7个矿井水样中6个矿井水的HPI值大于临界值100,矿井水重金属污染程度较高;矿井水中的Pb、As主要来源于采煤及运输机械油类物质泄漏,Mn主要来源于Ⅲ含地下水,Fe、Zn主要来源于Ⅲ含地下水及煤层中含Fe、Zn矿物的溶滤。该结论将为矿井水中重金属污染防治提供基础与依据。
山东新巨龙煤矿区场地高TDS地下水水化学特征及成因机制
张玉卓, 徐智敏, 张莉, 吕伟魁, 袁慧卿, 周丽洁, 高雅婷, 朱璐璐
2021, 49(5): 52-62. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.006
浏览量:363 下载量:57
摘要:
针对山东巨野新巨龙煤矿区地下水高TDS的现状,基于历史水质资料和取样测试结果,运用Piper三线图、相关性分析、氢氧同位素、Gibbs图解、离子比值与饱和指数等方法,探究其高TDS地下水水化学特征及成因。结果表明:随着建井和煤矿开采,研究区水化学环境发生改变,水化学类型不再是单一的SO4-Na型,深层灰岩水的类型中出现SO4·HCO3-Na和SO4-Ca·Mg型;研究区高TDS地下水的形成主要是因为含水层水动力条件差,高温水岩作用强,溶滤、蒸发浓缩作用明显,同时存在一定程度的反向阳离子交换作用;地下水体中白云岩和方解石表现为沉淀状态,石膏和盐岩处于溶解状态,是地下水主要成分Na+和SO42-的主要来源。研究成果不但为研究矿井水的构成、揭示煤矿区地下水污染及多场耦合的地下水演化过程和成因机制提供依据,还可为煤炭开采水害防治和矿井水处理利用奠定基础。
煤炭地质矿井地质
煤矿区碳排放的确认和低碳绿色发展途径研究
王猛, 马如英, 代旭光, 单雅迪
2021, 49(5): 63-69. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.007
浏览量:533 下载量:89
摘要:
开展煤矿区碳排放的系统评价和减排路径的综合分析,是落实我国碳达峰与碳中和愿景的具体行动。针对煤矿区碳排放源边界不清、核算模型缺乏及碳中和背景下发展方向等问题开展分析。通过文献查阅、资料收集等方法,厘清煤矿区碳排放源边界,并建立碳排放量核算模型,明确煤矿区低碳绿色发展方向。结果表明:煤矿区碳排放(CH4和CO2)来源可划分为自然排放和人为排放两大类,并细分为5种类型,针对不同碳排放源提出相应的数学模型;同时煤矿区要加大节能和低碳技术的投入,提高综合资源的利用程度和瓦斯的监测力度,加强绿色矿山修复和建设,积极参与碳市场和碳排放权交易及培育适应市场的管理模式等一系列措施,逐步实现低碳、绿色产业体系;此外,煤矿相关单位应高瞻远瞩,深入分析并发挥政府的低碳环保政策的作用,与相关高校加强合作,在我国碳减排目标下,大力推动煤制氢技术的发展,突破CO2-ECBM和CCUS关键技术中的运输、封存选址、安全稳定性评价、成本降低等瓶颈问题,以期在双碳背景下碳减排过程中实现经济、环保双重效益。
基于瓦斯涌出量的煤巷合理掘进速度确定
付帅, 佀庆民, 王启飞, 郭昕曜, 张宏图
2021, 49(5): 70-76. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.008
浏览量:139 下载量:19
摘要:
科学确定掘进速度是保障高瓦斯、突出矿井安全高效生产的重要前提。为确定煤巷最佳掘进速度,减小动力灾害发生,理论分析掘进工作面前方瓦斯分布规律,并建立瓦斯涌出量数学模型,分析不同掘进速度下瓦斯涌出特征。以山西汾西矿区金晖万峰煤矿为例,分析其巷道瓦斯涌出规律,确定其最佳掘进速度。结果表明:煤巷掘进速度v等于应力迁移速度vσ,即以v=vσ持续掘进时,落煤瓦斯涌出量Q1不变,瓦斯涌出总量Q不变;当v < vσ持续掘进时,Q1线性减小,Q也持续减小;当v>vσ持续掘进时,Q1呈指数增加,Q持续增加;金晖万峰煤矿1115工作面区域应力迁移速度约为2.1 m每班次,以2.1 m每班次持续掘进或分别以每班次2.4、1.6、2.4 m速度循环掘进时,能够实现煤巷快速安全掘进。在该矿1115工作面进风巷对研究结果进行现场验证并证实了该方法的可行性。
基于垮落充填的坚硬顶板分段压裂弱化解危技术
郑凯歌, 杨俊哲, 李彬刚, 李延军, 戴楠, 杨欢
2021, 49(5): 77-87. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.009
浏览量:163 下载量:17
摘要:
坚硬顶板条件下采煤工作面容易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出、矿震及采空区飓风等动力灾害,严重威胁矿井的安全生产。基于裸眼分段压裂超前弱化模式,结合“压裂垮落体+煤柱+承重岩层”协同支撑理念,提出坚硬顶板分段压裂超前弱化解危技术。综合采用理论分析、技术研发、工程应用等方法,探索顶板分段压裂超前弱化解危机理,研究形成稳定协同支撑系统的定量判定公式,并在河东煤田保德煤矿开展工程应用。结果表明:根据判定公式可优选压裂目标层位,顶板分段水力压裂弱化技术实施过程中,最高压力22.43 MPa,破裂压降最大达6.17 MPa,单个钻场3个钻孔累计出现3.0 MPa以上压力降167次;根据压裂前后工作面来压情况可知,压裂后顶板来压步距、动载系数、来压均值分别降低35.02%、14.29%、13.87%,巷道变形得到有效控制,验证分段压裂能够形成人造协同支撑系统,实现坚硬顶板动力灾害的弱化解危。研究实践可为同类地质条件下顶板强矿压灾害防治提供技术借鉴。
考虑支撑剂压实和嵌入作用的滑脱效应及渗流机制
成巧耘, 李波波, 李建华, 高政, 王斌
2021, 49(5): 88-97. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.010
浏览量:109 下载量:14
摘要:
水力压裂技术是煤矿瓦斯灾害防治与煤层气开采的关键技术之一,在实施水力压裂过程中,支撑剂的嵌入往往会诱发煤储层裂隙宽度的一系列变化。其中,滑脱效应的强度与渗透率的变化主要由裂隙宽度决定。因此,支撑剂嵌入将影响水力压裂技术的有效性。为探究水力压裂背景下气体的滑脱效应与煤的渗流规律,采用赫兹接触理论量化支撑剂的嵌入深度,并构建支撑剂与有效应力综合作用的气体滑脱系数计算方程与渗透率模型。结果表明:在不同瓦斯压力下,煤的渗透率随有效应力的增大先减小后趋于平缓;恒定有效应力条件下,瓦斯压力越低,渗透率相对越高;且铺置多层砂的增透效果相对铺置单层砂的增透效果更佳;两种铺置条件下,滑脱因子b在不同瓦斯压力下呈相同的变化趋势,均随支撑剂嵌入深度的增大而增大;不同形态裂缝的滑脱因子均随着有效应力的增大而增大,其中球形裂缝的滑脱因子最大,圆柱形次之,狭缝形最小。同时,不同形态裂缝煤的渗透率均随有效应力的增加而减小,而3种形态裂缝渗透率之间的大小关系与滑脱因子大小关系一致;考虑到有效应力与支撑剂对裂缝宽度的贡献,构建了考虑支撑剂和有效应力综合作用的裂隙渗透率模型,并通过公开发布的试验数据验证其合理性。研究结果将有助于水力压裂技术在煤矿瓦斯灾害防治与煤层气开采中的进一步应用。
超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究
陈晨, 何邢益, 牛庆合, 于洪旭, 解翔宇
2021, 49(5): 98-104. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.011
浏览量:142 下载量:22
摘要:
深部煤层CO2地质封存与CH4强化开采(CO2–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO2(ScCO2)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO2泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展“ScCO2–水–岩”地球化学反应模拟实验,探讨CO2煤层封存条件下ScCO2–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO2–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的“溶蚀坑”和“溶蚀缝”;增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO2–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO2–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO2泄漏,但在评价煤层CO2封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。
煤系气煤伴生矿产
颗粒煤超临界态甲烷吸附相密度特征研究
张明杰, 刘浩, 贾天让, 龚泽, 杨明鑫
2021, 49(5): 105-113. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.012
浏览量:149 下载量:25
摘要:
查明颗粒煤超临界态甲烷吸附相密度特征是研究温度、压力影响煤样吸附甲烷量的基础。选用安阳–鹤壁煤田鹤壁六矿与龙山矿颗粒煤样,借助磁悬浮天平等温吸附仪测量温度为308、313和318 K,压力为1~24 MPa下的等温吸附线。利用截距法、Langmuir三元模型拟合法与液相密度法分别计算超临界甲烷吸附饱和时的吸附相密度,分析其影响因素,并通过定吸附相体积的方法,一方面计算未吸附饱和时的吸附相密度,对峰值型拐点与过剩吸附量出现负值的实验现象进行解释,另一方面校正出较为理想的绝对吸附量。吸附相密度的计算结果表明,甲烷吸附相密度受温度、压力和煤变质程度的影响:随温度升高而降低,随压力升高先快速增加,后逐渐变缓,测量范围内吸附饱和时,无烟煤吸附相密度为121.60~136.17 kg/m3,贫瘦煤为73.29~76.96 kg/m3;绝对吸附量的计算结果表明,采用液相密度法校正出的绝对吸附量会出现负值,明显与实际不符,用截距法和Langmuir三元模型法校正的绝对吸附量会因实验条件的变化而改变,结合吸附常数b值的变化规律,发现用Langmuir三元模型法描述超临界甲烷的吸附行为最为恰当。
全球特提斯域煤系烃源岩发育特征及其控制因素
屈童, 黄志龙, 王瑞, 谭思哲, 李志远, 郭小波, 赵静, 潘永帅
2021, 49(5): 114-131. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.013
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摘要:
特提斯域构造活动背景控制下发育一系列煤系烃源岩发育盆地,且环太平洋带古近纪和新近纪煤多以“富氢”为特征,生烃潜力巨大,这一类煤系是我国东南沿海含油气盆地重要的烃源岩,因此,对特提斯背景下的煤系烃源岩发育特征及其控制因素进行系统总结尤为重要。通过系统分析特提斯域煤系烃源岩的发育时代、环境、地球化学特征及生物标志化合物特征,归纳总结影响煤系烃源岩发育的控制因素,明确煤系烃源岩的有利发育条件及优质源岩形成的控制因素。结果表明:特提斯域控制下的煤系烃源岩主要发育于东南亚沿海地区拉张背景下的盆地,多发育于断陷时期的海陆过渡相沉积环境,发育年代与特提斯构造活动时期吻合;煤系烃源岩发育受古植物、古环境、岩相古地理、陆源有机质供给、构造活动强度、沉积–沉降速率等多因素共同控制,各因素相互联系,相互影响,将其归纳为母源因素、构造–沉积因素及保存因素3类;富含壳质组和富氢镜质体的植物类型是富氢煤形成的必要母源条件,有利的聚煤环境及稳定构造背景是煤系烃源岩大规模发育的关键因素,合适的水体条件和还原环境是有机质得以保存的重要因素;我国东南沿海盆地煤系烃源岩生烃潜力巨大,东海盆地西湖凹陷煤系富含树脂体,珠江口盆地煤系富含孢子及花粉,琼东南盆地发育广泛的煤系泥岩,勘探前景巨大。
四川筠连地区高阶煤煤层气井解堵技术及应用
彭丽莎, 张毅敏, 熊威, 赵丹, 罗凯
2021, 49(5): 132-138. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.014
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摘要:
四川筠连地区乐平组煤层为低孔、低渗的高阶煤储层。部分煤层气井在生产过程中产气量出现快速下降,严重制约了煤层气井的开发效益。结合排采、水化学、检泵等生产动态信息系统分析煤层气井产气量下降的原因,认为煤层结垢与煤粉堵塞裂缝通道是产气量下降的主要原因。针对堵塞问题,对筠连地区煤层气区块开展了酸洗、水力震荡、等离子脉冲、注水等解堵工艺措施试验。现场排采动态表明,酸洗与等离子脉冲具有较好的增产效果。酸洗主要针对结垢的井,通过将酸液注入井筒,与井筒和近井筒地带无机垢充分反应,以达到解除井筒和近井筒地带通道堵塞的目的,酸洗措施成功率高,投入产出比1∶1.8,是区域内首选低成本有效性措施;等离子脉冲解堵主要针对煤粉和结垢井,通过物理震荡的方式粉碎堵塞物,然后通过洗井将堵塞物携带出井筒,从而实现解堵,实施后增产效果较佳,煤层气产量增产达130%,但因实施数量有限,区域适应性还有待评价;水力震荡、注水等解堵措施主要是针对煤粉堵塞井,通过水力冲击以及水力循环的方式带出煤粉以达到解堵的效果,但该措施本身也会造成储层激动,容易产生副作用,措施整体有效率不到30%,增产效果不明显。上述4种解堵措施均有其适应条件,需要根据堵塞原因,采取与之适应的措施才能获得最佳的解堵效果。研究成果可为我国同类煤层气井解堵、增产提供一定的借鉴。
水文地质工程地质环境地质
煤层顶板承压含水层涌水模式与疏放水钻孔优化设计
虎维岳, 姬亚东, 黄欢
2021, 49(5): 139-146. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.015
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摘要:
针对煤层顶板承压含水层涌水模式不清的问题,从煤层回采过程中顶板含水层涌水的时空变化特征入手,提出顶板含水层涌水量由静态储存量和动态补给量构成,认为静态储存量主要受来压步距、顶板垮落和导水裂隙(合称冒裂)影响区含水层厚度、含水层给水度控制,动态补给量主要受冒裂影响区外围含水层厚度、渗透性流场中水力梯度和过水断面面积控制;根据导水裂隙波及含水层情况,将顶板含水层涌水模式划分为井底进水的触及井涌水、井壁及井底进水的非完整井涌水和井壁进水的完整井涌水3种模式,并基于地下水渗流理论给出不同涌水模式下动态补给水量计算公式;针对以往疏放水钻孔数量多及疏放水量大的问题,以实现工作面顶板含水层静态储存量疏放后动态补给量可控为目的,提出冒裂区高度控制钻孔深度、单孔水位影响半径控制钻孔布置间距、钻孔疏放水量稳定时间控制超前疏放时间的疏放水钻孔优化设计理念,对疏放水及疏放钻孔布置进行优化,形成系统的顶板含水层水疏放体系。研究结果丰富了煤层顶板含水层涌水量计算和控制方法,对顶板水害防控具有实际的指导意义。
采后覆岩分带模型及工程意义探讨
吕玉广, 乔伟, 程建远, 崔平
2021, 49(5): 147-155. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.016
浏览量:119 下载量:32
摘要:
采后覆岩力学状态与顶板事故、顶板水害等直接相关,有必要对采后覆岩结构进行深入研究。提出了覆岩结构“新四带”模型:垮落带、裂隙带、基岩离层带、松散冲积层带。结合前人的“三带”模型、“四带”模型进行了空间上对比分析,厘清了3种分带模型的空间关系。重点从覆岩内含水层水位受采动影响、光纤探测、顶板淋水现象等几个方面探讨了“新四带”模型的科学性,得出煤层上覆基岩内任何层段都可能产生离层裂隙(达到一定宏观尺度时称为离层空间)的结论。“三带”主要用来校核采煤支架的额定工作阻力以及指导防隔水煤(岩)柱的设计;“四带”可在一定程度上指导离层带注浆工程实践,但存在井下溃浆安全风险以及弱化“三带”原有工程价值的缺点;“新四带”传承了“三带”的工程意义,同时可有效指导顶板离层水害的防治。
突水矿井动水巷道骨料灌注截流可视化平台研制与试验研究
牟林
2021, 49(5): 156-166. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.017
浏览量:123 下载量:24
摘要:
通过骨料灌注法进行动水巷道截流堵水是矿井淹没后进行救援和复矿的重要方法。为研究骨料灌注截流堵水机理,基于水头高度、流速、巷道尺寸、倾角、糙度、骨料粒径、灌注速度等因素建立大型骨料灌注截流试验平台,并依托平台进行单孔、多孔灌注试验,分析动水巷道骨料运移堆积规律。结果表明:骨料正常灌注期间堆积体具有向下游运移生长的特性,迎水面和背水面由涡流控制的坡脚形态存在差异化现象;低流速条件下骨料会快速接顶且孔间存在空腔,高流速条件下孔间堆积体逐渐接龙、灌注量在下游相互叠加;残余过水通道沿截面呈U形分布,存在扰流接顶效应、空气掏蚀效应、堵孔效应、溃坝冲刷效应等典型动力学现象;结合解析法和数值法,对骨料颗粒的起动速度及典型现象进行计算和模拟,验证了试验平台的可靠性;通过浆液灌注实验验证浆液配比和骨料粒径对注浆效果存在重要影响,浆液在骨料堆积体中存在“上多下少”的空间分带性。试验平台的研制对截流堵水工程技术优化具有指导意义。
煤层底板水害区域超前治理技术优化及其应用
郑士田, 马荷雯, 姬亚东
2021, 49(5): 167-173. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.018
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摘要:
为了进一步提高煤层底板水害区域超前治理技术的治理效果,应优化注浆工艺,扩大技术的应用范围。总结淮北矿区区域底板超前治理工程实践表明,低压扩散和中压加固阶段压力控制对注浆总量起主要控制作用,进而直接影响灰岩含水层改造效果,推导的不同岩溶裂隙发育程度地层的注浆量预计公式,可以有效指导注浆工程设计。此外,提出了工作面区域内、外双(钻)孔组的水平布设方法,优化注浆工艺的同时,提高了钻孔利用率。针对注浆工程中注浆压力控制及浆液选取等关键技术问题,建立了研究区裂隙发育程度的多源信息判识方法和“微压充填—低压扩散—中压加固—高压劈裂”的“阶段型”注浆压力控制模型,细分了不同注浆阶段的注浆浆液类型,推导了注浆压力的分级阈值和设计公式,实现了注浆压力的分区段高效、精准控制,对煤矿底板水害超前区域治理技术的应用与推广具有重要意义。
昆明呈贡次生红黏土物理力学指标统计规律研究
高海艳, 张家明
2021, 49(5): 174-181. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.019
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摘要:
为分析昆明呈贡次生红黏土物理力学指标的统计规律,以呈贡吴家营片区69个岩土工程勘察钻孔的275组次生红黏土试样的指标数据为研究对象,基于统计分析原理,运用SPSS统计分析软件,分析了13个指标的变化范围、平均值、标准差、变异系数及指标与深度的相关性,总结次生红黏土的物理力学特性,拟合指标间的线性经验公式,用偏斜度和峰值法检验指标的正态分布规律。结果表明:次生红黏土的土粒相对密度大,塑限和液限低,以可塑状态为主,压缩性高,抗剪强度低;指标与深度的相关性不高,力学指标的离散性比物理指标大,次生红黏土指标的离散性比原生红黏土大;指标间的相关性总体较弱,孔隙比、压缩系数、湿密度及内摩擦角与含水比呈负相关,压缩模量、黏聚力、湿密度及塑性指数与天然含水率呈正相关;仅湿密度、孔隙比和内摩擦角服从正态分布。研究结果为昆明呈贡地区岩土工程设计、土工参数的选取提供参考,为次生红黏土地区的工程防灾减灾提供基础依据。
冻结孔泥浆置换中缓凝水泥浆及混合浆的性能劣化规律
李强, 王衍森, 王春林, 徐圣集, 樊志强
2021, 49(5): 182-189. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.020
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摘要:
冻结孔泥浆置换已成为岩层冻结法凿井的必需环节,但冻结管下放易遭遇浆液黏滞阻力过大,甚至被“抱死”导致钻孔报废。为深入掌握深孔环境中水泥浆及其与泥浆混合浆的性能劣化规律,以表观黏度作为衡量指标,考虑养护时间、温度、失水状态及混合浆的体积比等因素,分别开展缓凝水泥浆、混合浆的室内试验研究。结果表明:养护时间20 h内,水泥浆和混合浆的黏度均随养护时间延长而增长,但混合浆黏度值及增长速率远超过水泥浆;二者黏度与温度之间呈非线性变化关系;失水状态加速浆液的黏度增长,尤其是对混合浆的黏度影响更大;混合浆的黏度与体积比之间呈现为非线性关系;与缓凝水泥浆相比,混合浆的黏度剧增等性能劣化现象,受养护时间、温度及失水状态的影响都更为显著。分析认为,水泥与泥浆的混合浆液的黏度骤升、流动性大幅下降甚至丧失,是冻结管下沉阻力过大甚至被“抱死”的关键原因;因此,控制浆液混合段高度,抑制混合浆的黏度增长,是保证冻结管安全顺利下沉的关键。
Distribution characteristics and paleo-climatic significance of continental climate-sensitive sediments in the Late Cretaceous in China
2021, 49(5): 190-199. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.021
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摘要:
河道疏浚底泥堆土镉污染修复技术分析
章长松
2021, 49(5): 200-208. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.022
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摘要:
城市生活垃圾中重金属Cd污染修复是我国亟待解决的环境问题之一。为了确定最佳Cd污染修复技术,探究了多种镉修复技术在河道治理中的适用性。以华东地区城市河道疏浚底泥堆土修复工程为例,对重金属镉污染土壤的修复工艺进行了对比和分析。拟选定土壤稳定化修复技术、土壤淋洗技术和植物修复技术三种修复工艺对受污染土壤进行治理。实验结果表明,稳定化修复技术可以使土壤中镉的浸出率从33.3%降低到14.3%,能有效降低其在环境中的生物毒性,但镉的总量并不会降低;采用柠檬酸和草酸的土壤淋洗技术,能够使镉的去除率达到90.1%和92.4%;相比而言,植物修复技术具有更为突出的高效性、易操作和二次污染少的特点,但修复周期较长。从技术、经济、环境安全等多方面出发,分别对三种修复工艺进行了分析讨论,综合考虑了研究场地的现状和未来规划,最终确定土壤淋洗技术为治理河道底泥堆土镉污染的最佳选择。
煤田物探矿井物探
基于多t-x域联合的多震源地震数据混叠噪声分离方法
俞岱, 黄德智, 孙渊, 杨文平
2021, 49(5): 209-219. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.023
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摘要:
随着多震源同时激发采集方法在地震油气勘探领域的应用逐年增加,许多学者对其关键技术多震源地震数据混叠噪声分离进行了研究,就目前为止,仍需开展保真度更高的方法研究。基于以下设想:对多震源地震数据做正常时差校正(NMO),可以加强反射信号的线性分布程度(尤其在共中心点CMP道集内),并扩大反射信号和混叠噪声的分布差异;单域分离混叠噪声,仅针对混叠噪声和反射信号的某一分布特性差异进行分离,多t-x域联合分离可综合利用各t-x域内混叠噪声和反射信号在各域内的分布差异,其分离效果更好。首先,通过对多震源数据CMP道集做NMO以强化反射信号的线性程度、扩大随机分布混叠噪声的离散程度,利用中值滤波分离大部分混叠噪声,再在其他t-x域内(如共炮点CSG道集、共检波点CRG道集和共偏移距COG道集等)根据残余混叠噪声分布特征利用随机噪声衰减等方法进一步分离,并在整个分离处理中使用保幅处理方法。提出的多t-x域联合分离混叠噪声方法,经理论数据验证,相较于单域分离方法可以有效且保真分离多震源数据中的混叠噪声,并对其他噪声和横波有一定的压制作用;实际数据应用效果表明,该方法比单域方法分离效果较好,叠后成像效果品质较高。多t-x域联合分离混叠噪声方法,能够稳定、可靠和保真地分离多震源地震数据中的混叠噪声。
薄互层条件下围岩变化对煤层反射波的影响研究
常锁亮, 张生, 刘晶, 刘最亮, 陈强, 刘波
2021, 49(5): 220-229. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.024
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摘要:
为研究薄互层条件下围岩变化对煤层反射波的影响,以地震勘探中λ/4薄层范围内含煤地层为研究对象,建立围岩岩性、厚度与结构变化三类模型,基于薄层反射系数谱理论中Brekhovskikh方程,计算并总结围岩变化对煤层AVO曲线、属性及道集的影响。研究结果表明:λ/4范围内围岩岩性变化会对煤层AVO响应产生显著影响,其中顶板为砂岩会使得煤层AVO截距和梯度属性明显增大,顶板为泥岩会使得煤层AVO截距和梯度属性增大,且顶板岩性不同,对应的煤层AVO道集特征也会发生变化;λ/4范围内围岩互层结构和厚度变化会对煤层AVO响应产生一定影响,但是影响较小,其中围岩互层结构的变化会使得煤层AVO道集特征产生变化,围岩厚度的变化会使得煤层AVO截距属性产生变化;基于界面型的Zoeppritz方程不适用于薄互层含煤地层的正演模拟,应选取更适用于薄互层的Brekhovskikh正演方程或者其他模拟方法。
地面核磁共振技术在隐伏火烧区富水性探测中的应用
侯恩科, 樊江伟, 高利军, 王建文, 陈德海, 迟宝锁, 王宏科
2021, 49(5): 230-237. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.025
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摘要:
煤层隐伏火烧区上覆基岩复合含水层(包括风化基岩和烧变岩含水层)是煤层开采的主要威胁之一, 明确隐伏火烧区的富水性对矿井水害防治具有重要意义。基于此, 以发生过较大突水事故的柠条塔煤矿为研究对象, 利用地面核磁共振(SNMR)技术开展隐伏火烧区含水层富水性探测并对其进行分析和验证。结果表明, 隐伏火烧区共有2个含水层位, 分别为第四系松散砂层含水层和1-2 上煤上覆基岩含水层; 第四系砂层含水层富水性受地表地形及其下隔水层顶部起伏形态影响水平变化较大; 1-2 上煤上覆基岩含水层富水性总体西南较低、北东较高, 该含水层厚度9~30 m, 局部相对较厚, 推测为1-2 上煤火烧区风化基岩和烧变岩含水层的叠加反映; 研究区内1-2 上煤上覆基岩含水层总体呈现出西部及中部偏东南区域富水性相对较大, 其余区域富水性相对较小。利用SNMR得到的含水层富水程度与探放水孔及水文孔的涌水量结果大致相同, 表明该方法的勘探结果相对可靠, 可用于隐伏火烧区富水性的探测。
考虑发射电流波形的地–空瞬变电磁三分量响应研究
侯彦威, 郭建磊, 司银女, 姜涛宁辉
2021, 49(5): 238-246,252. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.026
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摘要:
地–空瞬变电磁法在煤炭采空区勘探等领域受到了越来越多的关注, 有必要研究发射电流波形参数对地–空瞬变电磁三分量响应特征影响, 为地–空瞬变电磁数据处理与解释提供理论依据。以梯形波为例, 首先, 研究不同发射电流波形的频谱分布情况; 然后, 基于三维时域有限差分正演研究发射波形的上升沿时间、脉宽和关断时间对地–空瞬变电磁三分量磁场响应的影响。结果表明:上升沿时间对三分量二次场响应基本不产生影响; 关断时间对三分量二次场响应的影响主要集中在0.2 ms之前, 且关断时间越长对纯异常响应影响越大; 脉宽对三分量二次场响应的影响主要集中在0.1 ms之后, 且脉宽越短对纯异常响应影响越大。三维采空区模型结果表明:关断时间、脉宽对三分量异常场和背景场响应的影响特征基本一致; 通过三分量纯异常场响应多测道图和时间道图可以判断异常体的分布范围和深度。研究成果可为地–空瞬变电磁激励源波形的参数选取提供有价值的理论借鉴。
煤矿电法集成勘探系统及其应用研究
刘宝宝, 郭纯, 杨海涛
2021, 49(5): 247-252. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.027
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摘要:
为解决现有煤矿电法探测技术存在的电测深、电剖面、电透视需分多次施工且采集数据量少等方面的不足, 借鉴并行电法数据采集思路, 应用“矩形波型”电极布置方式结合“多装置数据提取”技术, 设计一种电法集成勘探系统。实验结果表明:应用该系统可一次布线、一轮供电完成电测深、电剖面、电透视等多种电法施工方式的原始数据采集工作, 提取出多种电法工作方法和装置类型的测量数据, 综合处理得到多种地电场的三维勘探结果, 同时相同施工条件下多种成果相互对比, 提高物探成果解析的精细度和可靠性。研究成果对现有的传统直流电法、高密度电法、并行电法、电透视法等电法技术取长补短、融合创新、集成应用, 实现工作面煤岩层富水性的高效、精细、立体探测。
油气井雷达成像测井仪改进及试验
赵永刚
2021, 49(5): 253-259. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.028
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摘要:
传统的测井仪器探测深度基本在3 m以内, 大多也没有方位分辨能力, 无法实现油气井周围较大范围地层结构与构造的成像, 故不能解决隐蔽构造与油气储层的探测问题。针对上述问题, 将地表地质雷达成像技术移植到测井中, 研发了雷达成像测井仪。为提高雷达成像测井仪探测深度、方位分辨率和下井深度, 采用纳秒脉冲源与定向接收天线对井周地层进行探测和成像, 在增大探测距离的同时, 兼顾了分辨率; 采用磁环和光耦对脉冲板做隔离, 有效地压制了噪声; 通过在电路外增加保温瓶和优选耐高温元器件提高了仪器的耐高温性能; 最后利用模型井对仪器进行了测试和标定, 并在3口油井中进行了现场应用。改进后的雷达成像测井仪下井深度可达6 000 m, 最大探测深度可达12 m, 能够对井周5 m以外孔洞、裂缝进行定位和成像, 大大地拓宽了测井技术的横向预测能力。测试与应用结果表明:该仪器能够耐受油井下的高温高压环境, 探测深度大且分辨率高, 对钻孔周围地层界面、裂缝和孔洞构造成像效果较好。
钻掘工程
水平绳索随钻定向钻进技术研究与应用
吴金生, 黄晓林, 蒋炳, 张弛, 吴万炯
2021, 49(5): 260-264. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.029
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摘要:
水平孔绳索取心钻进时, 钻具回转轴线与自身重力方向不在一条直线上, 地面孔口加压, 受地层软硬或岩层产状作用下, 钻孔轨迹都会发生偏斜, 目前暂无有效办法实现随钻定向纠斜。针对此问题, 开展了小直径水平绳索随钻定向仪器的推送、固定、打捞机构研究, 创新形成一套水平绳索定向钻进器具和定向技术, 并在川藏铁路多吉隧道水平钻孔进行随钻定向纠斜, 成功抑制钻孔上漂趋势, 并降斜3°, 为地质勘查水平绳索取心定向钻进轨迹控制提供支撑。
顺煤层超长定向钻孔复合钻进摩阻规律研究
许超, 姜磊, 王鲜, 方俊, 陈盼, 刘智
2021, 49(5): 265-271. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.030
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摘要:
煤矿井下超长孔定向钻进中孔内摩阻是限制其成孔率及成孔效率的主要因素, 为适应大盘区瓦斯抽采模式的客观需求, 研究实钻过程中摩阻及其影响规律。为顺煤层超长定向钻孔复合钻进减摩阻工艺参数选取提供依据, 对煤矿井下顺煤层近水平复合钻进工况下钻柱的钻具运动特性及受力状态进行分析。通过一定的条件假设, 建立复合钻进轴向摩擦阻力和旋转摩擦扭矩力学模型, 通过数值计算, 针对常用ø89 mm定向钻具组合, 在不同孔深及钻进工艺参数匹配下的摩阻规律特性进行分析。结果表明:机械钻速、钻具转速、钻孔深度是滑动摩擦阻力和旋转摩擦扭矩的主控影响因素, 与超长定向钻孔实钻参数统计分析对比, 推进阻力和旋转扭矩变化规律与模型计算结果吻合, 该结果对于指导近水平钻孔复合定向钻进工艺参数选取、钻进工况判断具有重要的现实意义, 同时, 对于煤矿井下自动化、智能化定向钻进控制系统设计开发具有借鉴意义。
煤层顶板大直径定向钻孔用双级双速PDC钻头设计及应用
高晓亮, 居培, 赵建国
2021, 49(5): 272-277. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.031
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摘要:
大直径定向钻进成孔技术的发展, 为“以孔代巷”技术抽采采空区上隅角瓦斯提供了技术支持。受限于井下设备条件, 常规大直径钻孔主要采用逐级扩孔工艺。然而, 逐级扩孔钻进需要多次提钻、下钻, 辅助时间长、工人劳动强度大。为提高煤层顶板大直径钻孔成孔效率, 开发了双级双速钻进工艺, 该工艺采用螺杆马达与钻机分别驱动一级、二级钻头进行单次双级扩孔钻进, 可大大提高成孔效率。通过分析双级双速钻进工艺特点、拟钻地层岩性等, 从剖面形状、切削齿排布、水路设计以及导向器设计等方面设计了双级双速钻头, 该钻头采用球头螺旋形导向器, 更容易沿既有钻孔轨迹钻进; 采用等切削布齿, 提高破岩效率、降低切削齿不均匀磨损, 进而提高钻头寿命与钻进效率。设计的双级双速钻头进行了现场试验, 试验表明双级双速钻头能够沿先导孔钻进, 较常规逐级扩孔钻头综合效率提高25%以上, 使用后钻头磨损均匀, 满足了双级双速工艺要求, 大大提高了煤层顶板大直径钻孔施工效率。
碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术应用研究
刘建林, 方俊, 褚志伟, 杨伟锋
2021, 49(5): 278-285. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.032
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摘要:
针对碎软煤层空气定向钻进存在空气螺杆马达降温润滑, 煤尘降尘处理和孔内煤层出水处置技术需求, 在分析钻渣运移特性的基础上, 通过集成稳定高效发泡、“机械+泡沫”复合排渣和“空气+泡沫”复合钻进等关键技术, 配套定向钻机、泡沫发生灌注系统、空气螺杆马达、异形钻杆和随钻测量系统等关键装备, 开发了碎软煤层空气泡沫复合定向钻进技术。在安徽省宿州市某矿开展了应用试验, 在出水碎软煤层中顺利施工了主孔深度232 m顺煤层定向钻孔, 与应用空气定向钻进技术施工的2个钻孔相比, 成孔深度分别提高了97%和105%, 显著提高了顺煤层定向钻孔成孔深度, 增强了碎软煤层瓦斯抽采效果, 同时达到了降温润滑空气螺杆马达, 降低孔口返出煤尘目的, 可为碎软煤层定向钻孔施工提供一种新的技术途径。
煤矿巷道掘进超前钻探技术应用与发展
张幼振, 范涛, 阚志涛, 魏宏超, 陈洪岩
2021, 49(5): 286-293. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.033
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摘要:
随着煤矿巷道智能快速掘进的发展, 掘进工作面超前精细化探测需求日益迫切。结合巷道掘进与坑道钻探工作技术特点, 分析了煤矿智能绿色开采地质保障发展背景下巷道掘进超前钻探技术特征与技术需求。为有效解决探掘矛盾, 提升超前钻探技术装备水平, 阐述了掘探一体化、双臂超前钻探和基于定向钻孔的综合探测等技术装备创新实践。相关工程实践表明, 双臂钻机超前探施工效果明显, 试验巷道单月掘进进尺效率提升了30%;基于定向钻孔技术, 综合使用孔内多种物探手段, 在山西某矿2203工作面进行超前综合探测, 效果良好, 探明多处断层与陷落柱等地质构造情况。结合智能化矿山技术的发展趋势, 从自动化控制角度探讨了由基础自动化层、过程控制层和智能决策层组成的智能钻进闭环控制策略; 从钻探信息融合发展角度, 按照有数据、管数据、用数据的技术思路为钻探信息挖掘与管理提供了新的视角。