锦界煤矿侏罗系砂岩微观孔隙结构类型及富水性研究

砂岩富水性是顶板突水危险性评价的重要指标之一,研究砂岩的微观孔隙结构,对于认识其与含水层富水性的关系具有重要的意义,以锦界煤矿3-1煤顶板侏罗系砂岩为例,通过薄片鉴定和压汞实验对所采集到的砂岩样品的微观孔隙结构进行研究,最终对比钻孔单位涌水量,分析该区砂岩微观孔隙结构与富水性的关系。研究结果表明:侏罗系延安组砂岩中泥质的含量(平均25.5%)大于直罗组砂岩中泥质的含量(平均4%)。将砂岩的孔隙结构按照毛管压力曲线形态和排驱压力大小划分为Ⅰ类低排驱压力型、Ⅱ类中排驱压力型和Ⅲ类高排驱压力型。Ⅰ类低排驱压力型砂岩以大于10μm的粒间和晶间孔隙为主,将该区大于10μm的孔隙定为有效孔隙,则其有效孔隙占比达61.68%,且该含水层承压水头在66.30 m左右,具有一定的压力水头,大量赋存在孔隙中的重力水在一定的压力水头下自由移动,是其中等富水性的重要原因。Ⅱ类中排驱压力型砂岩以0.1～10.0μm的颗粒内和粒间孔隙为主,该类孔隙体积占51.44%。Ⅲ类高排驱压力型砂岩以小于0.1μm的晶粒内孔隙为主,该类孔隙体积占45.32%。Ⅱ类中排驱压力型砂岩和Ⅲ类高排驱压力型砂岩的有效孔隙仅占21.92%,此类砂岩为弱富水性。     

含摩擦作用叠梁应力势函数对煤层顶板的破坏研究北大核心

为了研究煤矿巷道顶板的破坏形式与机理,采用叠梁模型并引入应力势函数分析了叠梁模型中的应力分布状态;同时采用遍布水平节理与垂直节理对模型进行简化,结合摩尔-库伦强度准则分析了煤层顶板的破坏范围。结果表明:煤层顶板破坏的主要因素是由水平节理造成的离层以及由垂直节理造成的断裂;离层破坏域呈上陡下平的“类双曲线型”分布,断裂破坏域呈“拱形”分布;随着层间摩擦系数的增大,顶板离层破坏域高度和宽度显著降低,而弹性模量的增加对顶板破坏范围作用较小;随着间接顶的增大,顶板断裂高度逐渐降低、离层宽度逐渐提升。     

微波辐射下含水分煤体孔渗特性及表面裂隙演化特征实验研究

可控源微波辐射法因其选择性加热、热效率高、环保等特点,被认为是一种极具发展前景的煤层增透新方法。煤体中的水分作为一种良好的吸波介质,将对煤体的吸收微波能力产生重要影响。为了探索煤体中的水分对微波致裂煤体效果的影响,采用自主研制的微波辐射实验装置和基于核磁共振(NMR)测试的煤体孔隙结构定量表征方法,研究了微波辐射前后煤体的NMR弛豫时间T₂图谱的变化规律和煤体表面裂隙分布特征,揭示了微波辐射下不同含水饱和度煤体孔隙的数量、尺度、连通性以及煤体的核磁渗透率和表面裂隙的演化规律。研究表明:无论煤体含水饱和度的高低,微波辐射后煤体微孔的数量与体积减少、煤体中孔和大孔及微裂隙的数量与体积均增加,各类尺寸孔隙之间的连通性得到改善,从而表现为煤体核磁渗透率增大且煤体表面出现原生裂隙扩展、新孔洞裂隙发育、煤体剥离和脱落和新的裂隙网络形成等现象;随着煤体含水饱和度的增加,微波辐射后煤体孔隙的数量、尺度与连通性以及渗透性的变化幅度呈现出"小幅减小—急剧减小—轻微增加"的趋势;微波对煤体的选择性热效应所产生的热应力引起煤体热破裂是煤体渗透性提高的主要原因,而微波辐射下煤体中水分蒸发所...     

分数维在研究砂岩力学性质中的应用

本文介绍了笔者运用分形几何学原理和方法研究砂岩粒度、孔隙的分形特征。通过对煤层顶板砂岩镜下鉴定、分形维数统计计算分析，验证了砂岩粒度、孔隙自相似规律的存在，并初步探讨了砂岩粒度分形维数、孔隙分形维数与岩石抗压强度间的相互关系。其结果为应用岩石组构的分形特征分析顶板稳定性提供了可能。     

分数维在研究砂岩力学性质中的应用

本文介绍了笔者运用分形几何学原理和方法研究砂岩粒度、孔隙的分形特征。通过对煤层顶板砂岩镜下鉴定、分形维数统计计算分析，验证了砂岩粒度、孔隙自相似规律的存在，并初步了砂岩粒度分形维数，孔隙分形维数与岩石抗压强度间的相互关系。其结果为应用岩石组构的分形特征分析顶板稳定性提供了可能。     

神经网络法分析煤层瓦斯含量的影响因素

用人工神经网络模型分析了影响因素对瓦斯含量的定量影响,结果表明:瓦斯含量随煤层底板标高值的减小而增大;随与最近剥蚀面间距离的增加而增大;顶板砂岩比越低,瓦斯含量越高;顶板岩性为泥岩时,瓦斯含量高,为砂岩时,瓦斯含量低;到断层距离(m)越大,瓦斯含量越高;煤厚越高,瓦斯含量越低。     

深部煤层顶板砂岩的人工制岩模拟研究

为了研究人工砂岩与深部煤层顶板砂岩的力学性质及微细观结构的异同,对不同材料配比的人工砂岩与平煤十二矿深部顶板砂岩进行声波波速测量、单轴压缩、覆压渗透、CT扫描、高压压汞等试验,得到其力学与孔隙结构性质。试验结果表明:人工砂岩弹性模量与石英砂占比及粒径大小正相关,人工砂岩的骨料及孔隙结构分布均匀,孔隙度和渗透率均与所含黏土质量分数负相关;顶板砂岩的弹性模量介于大粒与粗粒人工砂岩之间,岩体密度分布离散性较明显,渗透率及孔隙半径分布比人工砂岩小1~2个数量级;人工砂岩能够在力学性质上较好地模拟深部顶板砂岩,而在孔隙结构上与深部顶板砂岩具有较大差异。     

热作用对煤孔隙结构及气体吸附量的影响

为研究火成岩侵入地点煤层CO异常涌出原因,定量描述岩浆侵入的热作用和时间对煤层孔隙结构和气体吸附量的影响,采用绝氧加热方法对原煤样分别进行不同作用温度和时间的处理,并进行镜质组反射率实验、压汞实验、吸附实验。结果表明:在实验温度与时间条件下,热作用对煤样孔隙结构影响强于时间;热作用增加了煤样微孔数量、总孔容、大孔孔容,煤样孔隙从半封闭型变为全开放型,孔隙间连通性增强;煤样CH_4、CO吸附量与热作用温度成正比,热作用改变煤样孔隙结构从而提高了煤样对2种气体的吸附能力。     

冻融循环作用下砂岩劣化试验研究

为从宏观与微观两方面研究砂岩在冻融循环作用下的劣化特征,选取内蒙古新乌苏矿区的青砂岩作为试验材料,并对3组试件分别进行10次、30次、40次冻融循环试验,采用图像二值化和核磁共振的方法对试件的外观、质量变化率、孔隙变化率、核磁共振T2谱进行分析。试验结果表明：随着冻融循环次数从10次增加到40次,试件外观劣化程度也随之加深;冻融循环次数越多,试件吸水量、质量变化率和孔隙变化率也随之增大,孔隙变化率最终趋于稳定;青砂岩孔隙是一种大小孔隙并存的状态,且随着冻融循环次数增加,青砂岩小孔隙数量减少,大孔隙数量显著增加。     

砂岩微观孔隙结构类型及其对含水层富水性的影响——以柠条塔井田为例

砂岩的微观孔隙结构特征决定了砂岩含水层的富水性、渗透性,砂岩含水层富水性预测是矿井防治水必须首先研究与解决的重要问题。以陕北侏罗纪煤田柠条塔煤矿为例,分别采集直罗组3块、延安组4块不同岩性典型砂岩样品,通过运用普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试技术,结合Matlab图像分析功能,研究了不同时代地层、不同岩性砂岩微观孔隙特征,联合高压压汞与核磁共振法获得孔喉半径分布,综合砂岩微观孔隙结构测试结果,将孔隙结构按照孔喉大小、分布及连通性的好坏依次划分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ3种类型,对比钻孔抽水试验成果的钻孔单位涌水量,分析了砂岩微观孔隙结构与富水性之间存在的关系。研究结果表明:Ⅰ类孔隙结构较Ⅱ,Ⅲ类孔隙结构的粗粒与中粒砂岩比例高、排驱压力小、T₂谱主峰的位置靠后;高压压汞与核磁共振所得孔隙半径分布基本一致;相同地层时代相同岩性条件下,风化程度越强,富水性越强;相同地层时代不同岩性条件下,粗、中粒砂岩较粉砂岩富水性强;不同地层时代相同岩性条件下,直罗组微观孔隙结构较好的Ⅰ类孔隙结构富水性强于延安组微观孔隙结构较差的Ⅱ类孔隙结构。     

复合煤岩受载破裂内部红外辐射温度变化规律

对由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩体受载破裂内部的红外辐射温度的变化规律进行研究。分别在试样砂岩、煤样的中部不同方向钻孔,利用红外测温仪测量试样内部温度来研究其受载变形直至孔破裂过程中的红外辐射温度的演化特征。结果表明：复合煤岩在加载试验过程中均存在热弹效应和摩擦热效应。煤体裂隙面之间错动和摩擦产生的热量明显大于热弹效应产生的热量,导致内部温度上升0.17 ℃;而顶、底板砂岩的热弹效应起主导作用,温度升高分别为0.04,0.05 ℃。煤、顶底板砂岩的内部红外辐射温度和应变、应力和温度线性拟合后均呈较强线性正相关关系。     

模糊综合评判方法在含水层富水性分区中的应用

针对平朔井工三矿太原组9#煤层开采受顶板砂岩含水层水影响严重的问题,分析了影响煤层顶板砂岩富水性的主要因素;根据矿井9#煤层水文地质特征,结合单因素分析,采用模糊综合评判方法,以砂岩厚度、脆塑性岩厚度比值、构造复杂程度为评价指标,对9#煤层顶板的砂岩裂隙含水层富水性进行了分级分区。后续掘进工程表明,分区结果与生产实际情况有良好的吻合性。     

基于测井的煤及煤层顶底板力学性质分异预测研究

为评价煤层顶底板岩石对煤层水力压裂裂缝的影响,取煤及煤层顶底板岩芯开展岩石力学参数测试,获取煤和岩石抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学参数。将测试的岩芯深度归位至常规测井深度,测井响应标准化处理后,标定岩芯纵波时差、电阻率、自然伽玛值。分析煤、岩石力学参数与声波时差、电阻率、自然伽玛值的拟合关系,构建了基于多测井响应的岩石力学参数预测模型。采用预测模型计算煤、岩石力学参数及比值,评价煤层与顶底板岩石力学性质差异。结果表明：研究区顶板岩石弹性模量一般是煤层的6倍以上,抗压强度一般是煤层的5倍以上|底板局部岩石弹性模量和抗压强度是煤层的5倍以上。煤层水力压裂裂缝容易控制在顶板之内,不易控制在底板之内,在研究区东南部,水力压裂裂缝容易窜至顶底板。     

松散层下覆岩裂隙采后闭合效应及重复开采覆岩破坏预测

为研究开采覆岩裂隙发育的时间效应和为残煤复采评价提供依据。采用彩色钻孔电视、冲洗液漏失量观测、岩芯RQD指标等对厚松散含水层下煤层开采15 a后的覆岩裂隙闭合效应进行了研究。结果表明：距煤层顶板较远的岩体裂隙张开度、裂隙率均较小且易闭合,距煤层顶板较近的岩体裂隙张开度大、裂隙率大且未能闭合,开采15 a后覆岩导水裂隙高度比煤层开采结束时的最大导水裂隙带高度降低了近40%,垮落带高度稍有降低。对比分析发现,开采后的覆岩岩块平均强度比开采前降低了约20%,采用Hoek-Brown经验公式换算得到破碎岩体单轴抗压强度仅为0.237 MPa,破碎岩体抗压强度已小于自重应力值,处于“潜塑”状态。因此,残留煤层的重复开采覆岩破坏高度计算时,覆岩应按软弱岩类型考虑。计算表明,杨庄煤矿3号煤层复采厚度2和3 m时,分别留设15.7和18.2 m的防砂安全煤柱即可起到防溃砂作用。     

近距离煤层群切顶留巷覆岩应力及变形响应研究

为了深入了解近距离煤层群切顶留巷上覆岩层应力及变形演化规律,以白皎煤矿B4煤层、B3煤层、B2煤层切顶成巷巷道2442、2443及2444运输平巷为研究对象,开展了3层煤回采巷道开挖物理试验研究,结果表明:①上煤层巷道切顶后,顶板卸压;煤层开挖后,采空区顶板垮落并支撑巷道顶板,顶板增压;煤层继续开挖,覆岩断裂,顶板卸压...     

长壁开采切顶短壁梁理论及其110工法——第三次矿业科学技术变革

为了深入了解近距离煤层群切顶留巷上覆岩层应力及变形演化规律,以白皎煤矿B₄煤层、B₃煤层、B₂煤层切顶成巷巷道2442、2443及2444运输平巷为研究对象,开展了3层煤回采巷道开挖物理试验研究,结果表明：①上煤层巷道切顶后,顶板卸压; 煤层开挖后,采空区顶板垮落并支撑巷道顶板,顶板增压; 煤层继续开挖,覆岩断裂,顶板卸压; 巷道顶板应力依次经历卸压、增压及卸压过程,其中,高位顶板应力增加较大,应力较高。②中部巷道切顶及煤层开挖后,上覆岩层压力同时向上煤层巷道围岩及本巷道采动破碎压实围岩转移,并在两巷道之间的上覆岩层中形成应力增高区。③下煤层巷道切顶及煤层开挖后,巷道围岩破坏严重,无集中应力,受前两次开挖卸压影响较大。④上覆岩层沿层理面出现错动变形,同时出现垂直拉伸剪切裂纹,采动影响越大,裂纹扩展程度越大。

     

新集一矿111311工作面突水机理探讨

从水量、水温等方面对新集一矿111311工作面异常突水和突水机理进行了分析。认为该工作面突水水源主要为17#煤层顶板砂岩水、F038断层和附近裂隙充水以及少量13#煤层顶板砂岩水。     

综采工作面砂岩夹矸层酸化压裂破碎机理

以榆林小保当矿区112201大采高工作面煤层砂岩夹矸层为研究对象,通过夹矸层砂岩物理力学化学性质综合性实验分析,提出了以微量CO2水合物为主的复配专用岩石酸化压裂方法。对高压CO2耦合溶液作用下砂岩中矿物溶蚀的物理化学机理进行研究,分析了高压酸化压裂引起的岩石微观结构变化共同作用下的岩层变形破坏特征及孔渗影响规律。结果显示:CO2水合物酸化专用压裂方法,对夹矸砂岩组成中方解石和白云石组分的影响显著,高岭石膨胀作用增强,压裂液溶蚀孔隙数量显著增多,孔径变大,综合孔隙度和渗透率均增大。通过开采验证,煤层夹矸层CO2耦合压裂破碎后,与正常回采区段及常规水压致裂区段相比,耦合压裂区段工作面回采率显著提高,同时节能降耗效果最为明显。     

近直立煤层深浅孔爆破卸压技术与效果分析

为降低近直立煤层工作面水平地应力集中程度,理论分析了近直立煤层顶底板爆破卸压原理,提出了近直立煤层深浅孔爆破卸压方案,采用钻孔成像对爆破前后卸压效果进行了对比分析,并通过现场电磁辐射、微震数据分析对卸压爆破效果进行了验证,研究结果表明：采用深浅孔爆破后,顶底板岩层中形成了立体“缓冲带”,阻碍了高水平地应力向工作面传递,降低了应力集中程度;爆破后顶底板发育新的裂隙,数量增加约46.6%,若干裂隙扩展为离层,局部出现破碎区;爆破后工作面两侧煤岩体电磁强度明显降低,爆破前后微震能量与频次呈现先升高后降低规律,起到了良好的卸压效果。