煤材料变形力学特殊分析

在简单压缩实验上获得了煤的应力－应变关系曲线，较好地再了煤的应变强化和应变化软化特性。实验表明煤材料具有典型的弹塑性性质；煤和地壳中其他岩石相比具有一定的特殊性，煤的应力，应变及破坏规律及煤的力学性质有关。     

扬子地区古生界泥页岩吸附性及控制机理

扬子地区古生界地层为富气泥页岩层系,是我国页岩气勘探开发的主战场。吸附态是页岩气最主要的赋存方式之一,该区泥页岩吸附性及控制机理的研究较为重要。采集了扬子地区古生界泥页岩样品,对其进行TOC测试、Rock-Eval、XRD及含水量分析、等温吸附实验、超高压等温吸附实验。结果表明,不同地区、不同时代泥页岩吸附性能产生差异的原因是有机碳含量、矿物成分及组成等主要因素综合作用的结果。实验过程中TOC含量与泥页岩甲烷吸附量并未呈现前人提出的正相关关系,这与泥页岩样品数量有限、且处于高-过成熟阶段的影响因素较多有关。古生界干酪根甲烷吸附曲线显示出时代越老的干酪根甲烷吸附能力越强的特征。去除有机质丰度和成熟度的影响,Ⅲ型干酪根的吸附量要高于Ⅱ型干酪根。在有机质丰度及类型相同的情况下,高成熟干酪根比低成熟干酪根具有更高的甲烷吸附量。可溶有机质具有较强的溶解吸附特征,能够增强原岩对甲烷的吸附能力。黏土矿物含量与经TOC含量归一化后的甲烷吸附量的相关关系并不明显,这主要与样品中普遍含水有关,同时样品的成熟度、孔隙度、渗透率等对其最大甲烷吸附量可能也会有影响。高压范围内的甲烷吸附特征与低压相比具有一定的延续性,影响因素较多,需要更深入的研究工作来揭示各单一因素对页岩高压吸附特性的影响。      

不同成岩作用程度砂岩物理力学性质三轴试验研究

采用三轴岩石力学测试系统分析了不同侧压条件下砂岩岩石的孔渗性和力学特性及变形破坏机制 ,建立了砂岩岩石物理力学性质与侧压之间的相关关系。研究表明 ,砂岩的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小 ,且服从对数函数变化规律。砂岩的刚度和强度均随侧压的增大而增大 ,具有明显的压硬性。岩石破坏后的残余强度随着侧压的增加下降梯度减小 ,而残余强度值相对提高。不同侧压下岩石的破坏机制表现出随着侧压的增大 ,成岩作用程度较弱的岩石应力 -应变曲线由应变软化性态向近似应变硬化性态过渡 ;而成岩作用程度相对较强的岩石在单轴压缩条件下表现为脆性张破坏 ,随着侧压的增加 ,便进入剪切破坏 ,岩石应力 -应变曲线表现出明显的脆性和应变软化特性     

开滦范各庄井田突水特征及煤层底板 突水地质条件分析

 煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据,以开滦范各庄井田为依托,从促发与阻抗突水2方面系统分析矿井突水特征和12～14煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件,建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型,并探讨控制机制。研究结果表明,本区发生突水的水源以12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层为主,其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的浅部向深部增厚;含水层水压随其埋藏深度的增加而增高,呈线性相关关系,且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量,底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系,随着底板泥岩厚度的增加,泥岩层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好,且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层。突水与构造密切相关,突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加,力学强度大幅度降低的结果,且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。     

矿井岩体破坏突水机制及非线性渗流模型初探

矿山采动围岩破坏突水过程中,水流经历了在含水层中的Darcy层流、破碎带中的非Darcy快速流以及进入巷道中的Navier-Stokes紊流3个物理过程.研究表明Brinkman方程比较适合破碎带渗流特点;同时,将含水层Darcy渗流和巷道N-S流动有机联系在统一流动场中,基于质量守恒和压力平衡,建立突水流体流动数值模型.据此,以采动诱发陷落柱突水为例,应用COMSOL Multiphysics系统数值分析工具,通过在模型中耦合Brinkman,Navier-Stokes和Darcy方程,把含水层、岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,模拟突水流动全过程.计算结果表明,陷落柱作为含水层渗流和巷道突水自由流动的过渡区域,其渗透性变化对于突水压力和流速演变十分敏感,陷落柱或导水破碎带沟通了含水层和巷道之间的水力联系,而含水层充足的补给水量是保持恒定的高水压并沿陷落柱形成突水的根源.     

煤系岩石声波速度及其影响因素实验分析

岩石声波速度是岩体质量评价的重要指标,通过超声一时间动态测试方法系统地研究了煤系岩石声波速度特征,探讨了影响沉积岩石声波速度的主要因素,建立了沉积岩石纵、横波速度之间及其与沉积岩石密度、围压和含水量之间的定性定量关系.研究结果表明,砂岩和石灰岩的纵、横波速度一般要高于砂质泥岩、泥岩和煤.沉积岩石的横波速度与纵波速度之间呈现出很好的线性相关性,反映出横波速度大约为纵波速度的3/5.沉积岩石的声波速度受沉积岩石密度、围压和含水量等因素所控制,且随着岩石密度、围压和含水量的增大而增大,但由于岩性不同,岩石的声波速度增高的速率则不完全相同.     

基于测井参数的煤层含气量预测模型与应用

煤层含气量是决定煤层气开发效果的重要参数,准确确定煤层含气量是煤层气勘探开发研究的一个关键问题。以沁水盆地东南部沁南东区块为依托,通过煤层含气量解吸试验和煤层气钻孔测井资料统计,分析了煤层含气量与测井参数之间的关系,选择了有效埋深的对数、体积密度、自然电位、深侧向电阻率与浅侧向电阻率比值、微球形聚焦电阻率的对数、声波时差与自然伽马和补偿中子乘积的比值等6个参数作为BP人工神经网络预测模型的基本特征量,建立了基于测井参数的煤层含气量BP人工神经网络预测模型,并对模型进行误差分析和应用结果对比分析。结果表明:基于测井参数的BP人工神经网络预测模型具有极强的非线性逼近能力,能真实反映煤层含气量与测井参数之间的非线性关系,预测结果与实测结果之间误差小,相对误差一般小于10%,采用测井参数预测煤层含气量具有较好的应用前景。     

煤层甲烷碳同位素与含气性关系

煤层气甲烷碳同位素值是反映煤层气成因及赋存条件的有效参数。通过对沁水盆地沁南东区块煤层甲烷碳同位素和煤储层含气性测试资料分析,剖析了3号煤层甲烷碳同位素分布特征,建立了煤层甲烷碳同位素与镜质组反射率、煤层埋藏深度和煤储层含气性之间的相关关系和模型,揭示了煤层甲烷碳同位素分布的控制机理。研究结果表明:本区3号煤层自然解吸气甲烷碳同位素为-28.89‰~-53.27‰,平均-36.48‰。与全国其他地区同等演化程度的煤层气相比总体偏重,表现出煤层具有较好的保存条件;3号煤层甲烷碳同位素与镜质组反射率和煤层埋藏深度之间呈对数函数关系,且随着镜质组反射率和煤层埋藏深度增加而变重,与全国煤层甲烷碳同位素统计规律一致,主要受控于煤层气形成的热动力学机制之下的同位素分异效应和煤层气解吸—扩散—运移过程中甲烷碳同位素的分馏效应;煤层甲烷碳同位素与煤储层含气性之间存在相关性,且随着煤层气含量、煤储层压力和含气饱和度增加,3号煤层甲烷碳同位素也相应变重,且呈对数函数关系,反映控制煤储层含气性的因素与控制煤层甲烷碳同位素的因素存在一致性。     

晋城成庄井田煤层气直井开发后煤层底板突水危险性评价

以晋城矿区成庄井田为依托,分析煤层气开发后煤层底板岩石破裂压力、地应力、煤层底板含水层水压和隔水层有效厚度等条件,建立了煤层气开发后煤层底板突水危险性评价理论与方法,揭示煤层气直井开发对煤炭开采底板突水影响机制。研究结果表明:煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压使煤层底板隔水层形成贯通的破裂,如果隔水层中的最小水平主应力大于承压水的水压,从应力方面,就不会发生突水,如果相反,就会发生突水;煤层气井煤层底板完井深度和采动矿压与承压水的水压未能使底板隔水层形成贯通的破裂,开采煤层承受的水压与煤层到主要含水层间有效隔水层厚度之比,决定了煤层底板突水危险性。根据煤层底板隔水层岩石破裂压力、水压和水压与隔水层厚度比值等关键参数,将煤层底板突水危险性划分为安全(Ⅰ)、中等安全(II)、安全性差或有危险(III)和安全性极差或极有危险(Ⅳ)4类。成庄井田太原组15号煤层距奥灰含水层间距小,且变化大,煤层气垂直井开发后煤炭开采受奥灰水威胁。如果9号煤层气完井深度与煤炭开采底板破坏深度15 m相同计算,煤层底板突水危险性主要为中等安全,仅在深部存在突水危险性;煤层气开发后3号煤层开采过程中不会发生底板突水。