储层岩石的三维逾渗模型研究

研究储层中的石油流通状况与逾渗规律,一直是油田开发领域的重点。基于逾渗理论,运用数值模拟方法建立三维逾渗模型,能够模拟储层岩石的裂缝连通团分布情况、逾渗规律、逾渗阈值,并判断其是否可渗透。结果表明,连通概率从0开始增加时,总簇数增加。连通概率增加到0.17时,总簇数开始减少;连通概率较小时,逾渗概率随着连通概率的增加缓慢增加,连通概率超过第一临界值时,逾渗概率的增长率突然增大,连通概率超过第二临界值时,逾渗概率再次开始缓慢增加并最终趋近于1;渗流集群可以准确地判定多孔介质是否可渗透,精准捕捉逾渗阈值。逾渗阈值的大小与介质的尺寸和形状都有关;最大簇大小与平均簇大小、最大簇大小与总簇数之间的关系没有明显的规律性。结论认为,此三维逾渗模型能够模拟多孔介质中由于连通概率变化所引起的长程联结性突变,可以用它模拟岩石的渗透性与逾渗规律。     

全国优秀博士学位论文摘要矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下:1)根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟.计算结果表明:采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19%;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10%～12%.2)通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征.选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析.物理模拟结果表明:在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大.3)利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性渡速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征.建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段时所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布.实验结果表明:在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10%～20%;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号.在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征.4)结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征.研究表明:对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射渡能量明显减弱,局部出现反射空白带.根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙"天窗"、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术.5)建立煤层开采前以及开采后生成离层(离层充水、离层充气)的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟.结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测.6)结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系.探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底极岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障.7)综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系.     

矿山采动裂隙岩体地球物理场特征研究及工程应用

地下矿床开采引起采场围岩变形破坏产生采动裂隙,采动裂隙是矿山一系列灾害的根源,研究矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征,提出可行的地球物理方法对裂隙岩体实施高精度高分辨率探测,对于防治矿山灾害发生,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文通过理论分析、数值和物理模拟以及现场试验等技术途径,全面系统地研究了矿山采动裂隙岩体的地球物理场特征.主要研究内容、方法、结论及发现点如下： 1）根据覆岩变形破坏产生冒落带和裂隙带这一特征,建立煤层开采前和开采后电性数学模型,利用高精度有限单元法进行电场数值模拟．计算结果表明：采动裂隙引起煤层上覆地层的视电阻率变化,其影响范围较实际破裂范围大得多,基本上是覆岩冒裂带范围的两倍,其视电阻率值最大影响区为冒落带,变化率可达19％;在裂隙发育带,视电阻率的变化率可达10％～12％． 2）通过建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,实施直流电阻率法的动态数据采集及反演计算,获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征．选择采矿活动引起覆岩采动裂隙的4个关键时段,进行代表性的电场观测和计算分析．物理模拟结果表明：在覆岩变形破坏产生的裂隙带中,电场特征变化表现为正常场电阻率值升高2～3倍;而在冒落带中,电阻率值增加4～6倍;在弯曲变形带,采动过程中电性特征有一定的变化,主要表现为电阻率值略有增大． 3）利用相似材料物理模拟进行覆岩变形破坏的弹性波速度场响应特征研究,获得了覆岩采动裂隙的波场响应特征．建立与实际采矿活动对应的相似材料物理模型,进行煤层开采之前和开采之后两个不同时段对所模拟的岩层进行声波CT测量,反演计算所模拟岩层的波速场的分布．实验结果表明：在所模拟的覆岩破坏产生的裂隙带中,速度场变化表现为正常场值降低约10％～20％;而在冒落带中,采后很难接收到弹性波穿透的有效信号．在受开采影响但未破坏的采空边缘区,波速的升高是主要特征．4）结合含完整采空区的采区三维地震资料,全面分析了在煤层采空区、裂隙带及采动影响边界的地震波场特征．研究表明：对应采空区的位置,煤层反射波消失或能量变弱,覆岩层中出现波组零乱的反射波,能量弱,连续性差;对应支撑压力区,反射波组能量明显增强;对应采动影响带,包括上倾和下倾方向边界角范围内岩层的反射波能量明显减弱,局部出现反射空白带．根据这些特征可以划分采空区范围、采动裂隙发育高度、裂隙”天窗”、采动影响范围,为水体下煤炭资源开采以及岩层沉陷控制提供了可靠的地质依据和监测技术．5）建立煤层开采前以及开采后生成离层（离层充水、离层充气）的波场数学模型,利用有限差分法进行波场数值模拟．结合现场利用地震技术探测离层层位,分析了离层发育的具体位置及注浆充填离层带的效果,理论与实际相结合,并经实际检测．6）结合煤层开采底板岩体采动裂隙的动态弹性波CT现场实测试验,研究采动过程中采动裂隙产生过程与弹性波场的响应关系．探讨了动态探测方法的观测方案,确定关键观测时段和观测系统,根据CT反演的速度场特征,全面分析了底板岩体产生采动裂隙的速度场响应特征,在此基础上确定底板破坏裂隙最大发育深度,探测效果明显,为承压水上安全开采底板破坏监测提供了新的技术途径和地质保障．7）综合分析采动裂隙岩体的电性特征和波场特征,结合现场试验的结论和效果分析,提出了采动裂隙岩体地球物理方法监测初步技术体系．     

.煤层群覆岩裂隙带煤与瓦斯共采协同机制研究

煤层群采动覆岩裂隙演化与煤炭开采、卸压瓦斯渗流具有内在的联系,为建立煤炭开采与卸压瓦斯抽采(共采)的协同作用机制,阐明了共采协同的内涵,应用协同学理论建立了以单宽工作面煤炭日产量Q_m、覆岩裂隙带日扩展体积V和卸压瓦斯涌出量Q_g为协同变量的共采系统序参量方程,试验研究了覆岩裂隙垂向与水平扩展特征,建立了裂隙带发育体积演化模型,通过对序参量方程进行线性稳定性分析,建立了协同变量的相互影响机制.以沙曲矿为背景进行了共采协同机制应用研究,构建了24208工作面共采协同变量的相互影响机制.结果表明:裂隙钻孔抽采层位选择裂隙带日扩展体积V曲线拐点位置(距顶板19.5～22.6 m)较为合理.     

煤气化过程中单颗粒吸收剂脱硫反应模型概述

对煤气化过程中吸收剂脱硫反应的气固反应模型进行了概述.气固反应模型大致可分为未反应缩核模型,晶粒模型、孔模型及逾渗模型等几种基本型式.未反应缩核模型结构比较简单,可以作为其它模型的基础和组成部分,晶粒模型应用较为广泛且已经得到了充分的发展和改进,孔模型侧重于颗粒内部孔隙特性对反应影响的分析,逾渗模型则基于孔模型将逾渗理论引入来描述脱硫反应过程.     

煤层瓦斯抽采钻孔密封理论模型与工程技术研究

瓦斯抽采浓度低是由孔内漏气和孔边裂隙漏气共同导致的,为分析钻孔漏气机理,基于多物理场耦合理论建立了考虑孔内漏气和孔边裂隙漏气的数学模型.采用COMSOL Multiphysics对其进行数值求解,结果表明采动影响区漏气裂隙的宽度越大,钻孔瓦斯抽采浓度衰减得越快,漏气裂隙特性是影响瓦斯抽采浓度的重要因素.为了保障封孔质量、增强瓦斯抽采效果,现代钻孔密封技术不仅要实现孔内密封,更要有效封堵钻孔周边煤岩体漏气裂隙,重点介绍了囊袋注浆封孔和二次封孔2种封堵裂隙的新技术及应用效果.     

采动覆岩活动规律的“空-地”监测技术

准确有效地掌握采动覆岩活动规律,已成为解决西部煤炭资源开发与生态环境损害矛盾的重要理论基础.本文围绕D-InSAR测量技术和氡气探测技术的工程应用两大方面对其国内外研究现状进行了概述,并指出了现有研究领域存在的不足之处.为此,从"采动地表形变+采动裂隙发育"的整体角度出发,提出了一种将"D-InSAR测量(空)"与"地表氡气监测(地)"二者融合的监测方法,形成了"空-地"一体化动态监测技术体系.在此基础上,论述了开展采动覆岩活动规律的"空-地"监测研究的内涵及预期目标;分析了该研究方向需解决的关键科学问题,主要包括低相干条件下D-InSAR影像高精度配准、覆岩采动裂隙介质中氡气运移数理模型及"采动地表形变-采动裂隙发育-工作面开采参数"三者动态耦合关系.     

顶板隔水层关键层耦合作用规律研究

在煤矿开采过程中，如果覆岩裂隙扩展至贯穿隔水层，则会诱发地下水或地表水大量涌向采场，导致煤矿淹井事故．利用RFPA^2D-Flow软件建立了隔水层关键层耦合的采场推进模型，计算并分析了裂隙场的发育和分布，绘制了顶板水渗流量曲线．讨论了与裂隙发育密切相关的覆岩支承压力与中间岩层厚度、关键层厚度及破断闻的关系．结果表明：关键层未破断时，中问岩层厚度对隔水层裂隙发育作用不明显；厚关键层对隔水层能起较好的保护作用．     

重复采动条件下坚硬顶板力学试验研究

基于能反映岩体非线性破坏的Hoek-Brown准则对重复采动上覆坚硬顶板力学特性进行研究.利用MTS 815岩石伺服试验系统对不同损伤状态的坚硬顶板岩样进行加载试验,分析了坚硬顶板在不同损伤程度下的强度与围压的函数关系;得到了不同损伤程度下的m,s值并建立了以m,s的降低率ηm,ηs表征坚硬顶板损伤程度的参量,最后对现场顶板宏观破坏特征进行统计.结果表明:损伤岩样的强度与围压多数呈二次函数关系;重复采动造成m,s均呈不同程度降低,但ηm,ηs均呈增大趋势且ηmηs;覆岩裂隙带钻孔漏失量明显增大,裂隙带空间分布形态发生显著变化.     

朱集矿采动上覆岩层活动演化规律相似模拟研究

以朱集矿工作面开采技术条件为背景,建立了工程地质模型,采用相似模拟实验,研究了工作面开采后,上覆岩层变形移动及裂隙分布演化特征,获得了采动岩层破断垮落及位移特征参数,以及与工作面推进度的相互作用关系,为留巷位置的合理确定、上行开采可行性等工程实践提供了科学依据。     

基于位移连续监测的采场两带变形垮落特性试验研究

相似模拟试验是研究采动覆岩垮落带和裂隙带特征的有效方法,岩层位移的准确监测是采场两带高度试验研究的关键。为实现准确、连续、实时地监测采动覆岩位移,提出模型内部位移测试原理,研发了以微型多点位移计、光栅尺和可视化软件等组成的光栅位移连续监测装置。借助此装置并基于相似模拟试验,研究了工作面采动覆岩两带变形垮落特性。研究表明:1)光栅位移连续监测装置可连续监测模型内部测点位移,结果与模型表面散点位移结果吻合。2)在试验模型表面不暴露的情况下,本文方法可有效监测试验模型内部的测点位移。3)基于位移连续监测模拟试验得到了某煤矿采煤工作面采场两带高度,其中:垮落带高度为8.0 m,约为采高的6.3倍;裂隙发育高度为30.0 m,约为采高的24倍。4)采场垮落带垂直位移具有阶梯状的变化规律,裂隙带垂直位移变化相对平缓,可据此判断垮落带和裂隙带的分界,为工程现场两带高度鉴定提供参考。     

岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用

岩层采动裂隙分布的研究与水体下和承压水上采煤、卸压瓦斯抽放、离层区充填与开采沉陷控制等工程问题紧密相关，通过试验与理论分析，对岩层移动过程中的覆岩采动裂隙动态发育特征及其影响因素进行了深入研究，结果证明：覆岩关键层对离层及裂隙的产生、发展与时空分布起控制作用．基于关键层破断前后采动裂隙动态发育特性与差异，提出了“覆岩离层分区隔离充填减沉法”和卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论，并分别应用于我国不迁村采煤试验和卸压煤层气开采实践。     

天然-采动状态下顶板含水层疏降水量预测与评价

以鄂尔多斯市台格庙矿区为例,研究多层含水系统水文地质参数和边界条件特征,运用Visual Modflow软件建立研究区三维地下水数值模型,采用钻孔抽水实验资料及矿区初始流场分布数据完成了模型识别和校正。针对以往疏降水量预测未考虑采动后水文地质条件变化的问题,基于导水裂隙带发育高度与顶板隔水层的侵入关系确定了疏降含水层层位和区域,对矿区7个井田2、3煤层顶板含水层在天然状态和采动状态下的疏降水量进行了预测,结果表明:采动状态下顶板含水层疏降水量明显增大,开采前需要对顶板含水层水位进行疏降,且水位疏降会对当地居民饮用水含水层造成一定的影响。     

青东矿10煤层水文地质特征及充水因素分析

为了评价10煤层开采可能产生的水害影响,根据矿井含、隔水层的水文地质特征,指出10煤层受采动破坏,顶底板砂岩裂隙水、太原组和奥陶系岩溶水沿采动裂隙和断层溃入矿井,对矿井开采形成威胁。根据对矿井充水因素的分析,得出矿井的充水强度不大,充水通道主要为隔水层薄弱地段采动裂隙和断层破碎带。     

厚煤层采动裂隙发育演化规律及分布形态研究

结合弹塑性和断裂力学相关理论分析厚煤层上覆岩层采动裂隙扩展力学原理,根据覆岩内原生裂隙、次生裂隙和贯通裂隙分布情况将采动裂隙瓦斯流动通道沿工作面倾向分为:孤立区、局部网络区和网络区,运用UDEC数值软件模拟不同倾角和工作面长度条件下覆岩采动裂隙分布规律.结果表明:受采动影响,厚煤层工作面采空区覆岩出现"O"形裂隙圈,其随煤层倾角增大且沿煤层倾向向上发育,由水平煤层的等腰梯形演化为急倾斜煤层的不对称钝角梯形,瓦斯积聚于"O"形圈顶部;煤层倾角不变的情况下,"O"形裂隙圈随工作面长度的增加而增高.     

电介质击穿逾渗模型中的标度律

目的电介质材料中的无序对于电介质击穿是非常敏感的．本文将对不均匀电介质中的电击穿特性进行研究．方法建立了一个简单的内含无序的电介质击穿模型,并采用重整化群方法进行研究．结果得到了击穿的逾渗阈值Pc,击穿场强与逾渗阈值Pc的关系式Ec～（Pc－P）v,和分形维数df．结论无序材料电介质的击穿规律满足标度律,并且临界指数是普适的．     

平煤超千米深井采动应力特征及裂隙演化规律研究

以平煤股份公司十二矿超千米埋深己14-31050采面为测试基地,基于现场原位监测以及三维数值模拟,研究了沿空留巷采动条件下千米深井煤岩采动应力特征及采动裂隙演化规律.研究结果表明:平煤超千米巷道的采动影响范围明显较浅部增大,整体影响范围约为70m左右,采动应力峰值在距离采面10~30m,钻孔应力和锚杆应力均呈现阶段式演化特征;在距采面70m时,采动裂隙分维随采面推进快速增长并保持较高水平,煤岩易出现由初始破碎带与采动裂隙贯通后形成的破碎带群.数值计算表明:千米深井的采空区两侧25m范围内以及沿空留巷充填体上方会产生应力集中,系数分别为1.43和1.65.针对平煤矿区超千米巷道,采面前方重点支护区域应确定为采面前方70m范围,特别关注区域应由浅部的15m向开采方向延伸到20~30m.研究成果可为超千米埋深的巷道支护、工程设计、安全开采和采矿技术优化等提供指导.     

煤的裂隙结构分形特征与分形渗流模型研究

利用工业CT扫描实验系统对煤样进行了无损扫描,获取了煤样内部裂隙结构的发育程度与分布特征;基于分形理论计盒维数法的计算原理与煤样CT二维断面图的图像数据,利用MATLAB软件计算了煤样裂隙结构的二维分形维数,结合二维分形维数与三维分形维数之间的理论关系,得到了煤样裂隙结构的三维分形维数,分析了分形维数与煤样内部裂隙结构发育程度之间的关系;在此基础上,结合渗流理论,建立了煤的分形渗流模型.研究结果表明:分形维数可有效反映煤样内部裂隙结构的发育程度,分形维数越大,裂隙越发育;所建的分形渗流模型是准确合理的,可用于预测煤的渗透性.研究结果可为煤层瓦斯抽采和煤矿安全生产提供理论支撑.     

非线性科学在矿山开采沉陷中的应用（1）

论述了引进非线性科学对开采沉陷进行研究的重要性和可行性。对损伤岩体的采动沉陷规律、采动岩体裂隙分布规律、采动断层活化的分形界面效应、开采沉陷的协同效应及突变性进行了探索性研究；提出了基于开采沉陷非线性特征的采动损害防治对策。     

覆岩宏观支撑结构演化过程与特征

针对近水平煤层开采采场覆岩支撑结构的宏观特征,构建了覆岩宏观支撑结构的板-壳组合演化模型,分析了覆岩宏观支撑结构的形成-演化过程及其基本特征,在此基础上建立梁-拱力学模型,得到了覆岩宏观支撑结构中壳体形态、关键层悬露长度以及"充分采动"时采空区几何特征的计算方程.结果表明:近水平煤层开采采场覆岩宏观支撑结构的演化过程主要表现为倾向巷道→见方→走向巷道.在关键层影响下,覆岩宏观支撑结构整体呈现为板-壳组合的阶梯状结构,水平剖面形态为圆角矩形,倾向和走向剖面形态为梁-拱组合.如在采空区见方之前关键层已破断垮落,则在采空区见方时会伴随产生覆岩裂隙带高度、煤壁支承压力达最大值等"充分采动"现象;如在采空区见方时关键层未破断垮落,则在工作面推进距离与工作面长度之比为1～3时,也可能出现"充分采动"现象.研究结果得到了杨柳煤矿10414工作面实测数据的验证.