西部矿区采动损害及减损开采的地质保障技术框架体系

【目的】煤炭在我国的主体能源地位短期内难以发生改变,是我国能源发展的兜底保障。煤炭资源大规模、高强度的开采损害煤矿区地质环境,同时导致突水、冲击地压等灾害。【方法】围绕煤矿安全高效开采面临的地质环境损害预测预警难和减损开采保障压力大等难题,基于煤炭采动损害预测与减损地质保障多学科交叉特点,突出地质条件的控灾机理和采动致灾模式,强调煤炭开采模式与地质结构演化全时空多场响应,分析采动效应下地质条件物质场、能量场、信息场的耦合机制,厘清损害模式和预警信息关键参量的映射关系,形成安全高效开采的地质保障策略和减损控灾工程技术体系。【结果和结论】研究思路为“孕灾环境→损害机制→过程响应→损害预测→防灾减损”,技术路线是“煤矿开采地质环境条件→地质结构演化规律及损害模式→多物理场演化全时空信息响应→损害监测及预测预警→减损保障工程技术”。核心内容包括:(1)剖析地质条件与致灾地质体的空间关系和成因联系,构建高精度的三维地质力学模型,阐明地质结构、开采条件和损害模式的映射关系,建立主控要素的特征参量数据库;(2)构建采动效应下的工程地质力学模型,研究开采方式、空间布局、采动速率等影响下地质条件结构的时空演化特征和损害机制,提出考虑地质体关键结构破坏演化规律的损害模式判识方法;(3)获取采动过程地质结构演化背景下的全时空多源信息响应,提出主控参量作用下的损害模式识别标准,进而厘清裂隙场、应力场、渗流场与地球物理场信息参量的镜像关系,建立基于地质条件物质场、能量场和信息场耦合响应的全时空信息映射模型;(4)构建地面-钻孔-井下的全空间、多方位、主被动的一体化多源监测体系,提出煤矿采动损害预测模型和预报方法;(5)构建基于损害源、损害模式、损害动力、损害通道剖析以及减损技术与效果评价于一体的减损控灾体系,追求煤炭安全开采与地质环境保护协调发展,破解资源开发与地质环境制约之间的矛盾,为煤矿安全高效开采和防灾减损提供地质、力学、物理基础的科学依据。

致密储层岩石超低渗测试系统研发与应用进展

面向深部非常规能源开发领域,自主研制了一套适应于储层特性和深埋环境的超低渗测试系统,旨在解决高地温、高地压、高孔压条件下致密岩石超低渗透率精准测定的难题。该系统由渗流管路和高温高压多通道压力室两部分重要组件构成,经过创新设计和系统优化,能稳定且可靠地模拟150℃高温、150 MPa围压和100 MPa孔压的深部储层环境,并能实现从亚纳达西至毫达西量级岩石样品渗透率的脉冲衰减法测量。基于该系统,开展了花岗岩和页岩在不同加卸载循环、有效应力、孔隙压力和温度条件下的渗透率测试。测试结果表明,加卸载循环次数增加有助于减少取样、制样过程中次生变形或次生微裂隙对测试结果的干扰;孔隙压力的提升抑制了气体滑脱效应,测得的表观渗透率更接近固有渗透率;相同有效应力条件下,页岩单一裂隙渗透率比基质渗透率至少高3个数量级;所建立的裂隙渗透率物理模型精准拟合了单一裂隙渗透率的测试结果,适用于刻画有效应力、孔隙压力和裂隙压缩变形共同影响下的裂隙页岩渗透率变化规律;固定有效应力和孔隙压力条件时,页岩渗透率随温度升高而降低。综上所述,所研发的超低渗测试系统可为致密储层渗透率的评价提供技术支撑,相关测试结果有助于加深对深部储层环境中流体运移机制的理解。

饱和黏弹性孔隙介质中压缩波的频散与衰减

波的频散现象及其成因是岩石物理学与孔隙介质声学研究的一个热点。基于Biot理论与Darcy-Brinkman定律,提出了Maxwell-Brinkman与Kelvin-Brinkman黏弹性孔隙介质力学模型,建立了压缩波的频散关系,揭示了波的频散与衰减规律,分析了应力松弛与蠕变对波的传播速度与逆品质因子的影响。低频情况下,Kelvin-Brinkman模型与Darcy-Brinkman-Biot模型预测的压缩波的频散及其衰减一致。高频情况下,Maxwell-Brinkman模型与Darcy-Brinkman-Biot模型预测的压缩波的频散及其衰减一致。结合墨西哥湾的试验数据,验证了物理模型的可靠性。通过参数敏感性分析,探讨了基于实测数据优化介质参数的方法。

AERMOD模式系统理论

作为新一代法规性质的稳态大气扩散模式,AERMOD将最新的大气边界层和大气扩散理论应用到空气污染扩散模式中。AERMOD具有下述特点:(1)按空气湍流结构和尺度的概念,湍流扩散由参数化方程给出,稳定度用连续参数表示;(2)中等浮力通量对流条件采用非正态的PDF模式;(3)考虑了对流条件下浮力烟羽和混合层顶的相互作用;(4)AERMOD模式系统可以处理:地面源和高架源、平坦和复杂地形和城市边界层;(5)AERMAP提出了一个有效高度对流场的影响。示踪试验表明,AERMOD模拟的结果比较理想。

拉格朗日烟团空气质量模式系统气象要素模拟验证

侧重介绍拉格朗日烟团空气质量模式系统及其在北京的应用。这套模式系统充分考虑了天气系统与中、小尺度气象过程对污染物之输送、扩散、转化和迁移过程的影响,区域与城市尺度之间大气污染物的相互影响,以及污染物在大气中的气相与液相化学过程、气溶胶过程和干湿沉积过程对污染物浓度时空分布的影响。在空气质量模拟方面,采用烟团函数分割方法,垂直坐标采用地形追随坐标。可以模拟区域与城市尺度大气气溶胶、对流层臭氧、酸雨、能见度和常规污染物的浓度。在环境风险预警与应急过程中,能为政府提供可靠的环境空气质量及暴露水平数据。通过对比气象要素(风向、风速和露点温度)的模拟值与观测值,结果表明,模拟值与其相应的观测值具有很好的线性关系,相关系数分别为0.95,0.74,0.94。这套模式系统将诊断模型与中尺度模型相耦合,对城市区域的环流特征和边界层结构具有很好的模拟能力,同时能够较真实地模拟下垫面非均匀性对大气边界层结构和局地天气条件的影响。

门头沟生态区排放的大气颗粒物输送的模拟研究

利用一个耦合的区域空气质量模式系统,模拟了2004年4月1～7日门头沟排放的大气颗粒物浓度的时空分布及向北京主城区的输送过程,分析了下垫面非均匀性和气象条件对输送过程的影响以及源于门头沟污染物对主城区颗粒物浓度的贡献.模拟结果显示,门头沟排放的污染物能够被输送到主城区,存在输送通道,浓度分布表现出强烈的时空非均匀性.门头沟排放的PM10对主城区近地面浓度的影响可达0·1～15μg/m3.与观测的比较表明,模式对于PM浓度分布和输送态势具有较强的模拟能力,浓度相关系数及标准偏差分别为0·8、0·03.

地下水流动三维有限差分模型并行计算

基于高速内联网落InfiniBand构建(IBA),采用分布式虚拟共亨内存(DVSM),利用Linux PC机群系统,根据地下水流动的有限差分模型MODFLOW,通过并行计算来模拟三维复杂几何形状的非均质各向异性地下孔隙介质含水系统的水流问题.对于给定的边值问题,计算出不同计算节点的加速比和效率.模拟结果显示,IBA可以通过远程直接内存访问(RDMA)和在硬件中自动运行的方式支持共亨内存进程,在DVSM系统上使计算节点与管理节点之间的通讯时间消耗最小.通过IBA,DVSM能够在很大程度上提高MODFLOW的并行计算效率.结果表明:对于1 000万有限差分计算单元,4,8,16,32,64个计算节点分别参与计算,并行效率分别为32.75%,59.63%,63.63%,58.88%,55.23%.实验证实了基于Linux PC机群系统的MODFLOW并行计算的有效性.

基于时空守恒元和解元(CE/SE)方法的孔隙介质多相流动计算

将时空守恒元/解元(CE/SE)方法推广到二维孔隙介质多相流问题的数值计算中,采用人工压缩法耦合速度和压力,同时结合杂交粒子水平集方法捕捉物质界面.提出一套完整的二维欧拉型孔隙介质非稳态多相不可压缩黏性流动计算方案.通过对溃坝和液滴在重力作用下的运动和变形问题的数值模拟,验证了方法的精度和有效性.在此基础上,提出了一个新的孔隙介质两相流物理模型——双层流体顶盖驱动方腔流.

牛顿流体角落流理论在板块俯冲中的应用

应用地球动力学、流体力学理论与方法 ,确定了岩石圈俯冲进地幔物质中所激发的牛顿流体角落流动力学压力场 。

纳米流体注入过程中咸水层二氧化碳迁移数值分析

二氧化碳地质封存是一个新型的地质工程热点问题,仍然面临诸多挑战,其中之一是如何利用纳米材料与技术提高储层的可注入性和有效储量.本文将纳米流体的对流-扩散方程与三维多孔介质多相流动模式相结合,初步建立多孔介质中超临界CO2纳米流体多相流动理论模型,采用高精度时空守恒元/解元(CE/SE)算法,模拟非均质储层中CO2的前缘迁移和分布特征.计算结果显示,疏水纳米粒子减弱流体边界层内流动的剪切力,增强CO2在边界层内的移动性能,即纳米粒子在流体边界层减阻机理;同时,纳米粒子增强流体内部的剪切作用,促进CO2前缘迁移均匀化.上述结果初步揭示疏水纳米粒子降低了地层非均质性对CO2前缘迁移的影响,可提高CO2有效地质储量.本文提出的纳米流体地质封存概念,对商业化大规模CO2地质封存、深层干热岩地热资源的开发、致密油气藏的高效开发以及提高采收率(EOR)具有意义,同时对纳米材料与技术在环境资源利用及资源高效再生中的应用研究领域具有一定的推动作用.

饱和多孔介质多相流体系中孔隙压传播数值分析

孔隙压波传播与衰减对解释深部流体在地震孕育、触发和断裂活动过程中的作用机制，以及石油与天然成藏机理等方面具有重要的学术和应用价值。目前孔隙压波的理论与计算以孔隙弹性介质理论、BISQ理论为基础。Blot孔隙弹性理论仅考虑流体沿着波的传播方向发生流动，严重低估了Biot损失。

饱和多孔介质中孔隙压传播激波管实验及其数值分析技术

基于X—Ray CT扫描技术，利用激波管技术和光纤传感器测定饱和砂岩试样中孔隙压动态信号，识别孔隙压波的结构，分析孔隙压传播速度和衰减特征，讨论孔隙压与压缩波速度的关系。考虑流体和固体之间动量和能量输送机制，完善了非线性流固耦合模式及其高精度时空守恒（CE／SE）数值疗法。

美国AERMOD模型与中国大气导则推荐模型点源比较

介绍了美国AERMOD模型和中国大气导则推荐模型一般浓度公式,通过大气稳定度和扩散参数的确定、复杂地形处理和对流条件下污染物扩散等原理方面的比较认为,AERMOD模型优于大气导则推荐模型.以美国环境保护局(USEPA)2个试验场Clifty Creek(平坦地形)和Lovett(复杂地形)的数据资料为比较数据,分别用AERMOD模型和大气导则推荐模型计算SO2小时质量浓度,在Pasquill 6类稳定度下用相对偏差(FB)、预测值与观测值的比率(RHCR)及图形法(Q-Q图)等进行模型比较,结果表明:在RHCR和FB中,AERMOD模型除个别值外,其他均好于大气导则推荐模型;而大气导则推荐模型存在接近或大于模型可靠性界限0.67(0.66和0.74),说明其可靠性比AERMOD模型差;图形法比较中,强不稳定和不稳定下AERMOD模型明显好于大气导则推荐模型,而大气导则推荐模型预测值明显偏低,其他稳定度下结果相差不大.研究认为:在平坦地形和复杂地形条件下,AERMOD模型点源预测值均优于大气导则推荐模型,并从原理上进行了解释.

龙滩水库诱发地震的孔隙压力扩散特征

利用孔隙压力扩散机制,分析了广西省龙滩水库与蓄水有关的小震精定位数据,获得了5个分区的流体孔隙压力扩散特征.龙滩水库与蓄水有关的小震活动表现出明显分区现象,使用多源孔隙压力扩散过程触发机理,计算出5个分区流体孔隙压扩散系数值为0.04～0.65 m^2/s.根据5个分区流体孔隙压力扩散程度,将这5区划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型,各类型的流体孔隙压扩散系数分别为0.45～0.65 m^2/s,0.25 m^2/s和0.04～0.08 m^2/s.断裂发育的区域内,地震分布范围较大,地震优势分布方向与断裂一致或相交,而断裂不发育的地块内,地震分布集中,无优势分布方向.各分区岩性的差异与流体孔隙压扩散系数的关系不显著.同时,各分区流体孔隙压力扩散的持续时间和最大扩散距离等均与孔隙压扩散系数的大小具有很好的相关性,第二次蓄水后库区发生的M_L4.2最大水库诱发地震位于流体孔隙压扩散系数最大的Ⅰ区.本项研究对分析解释水库诱发震地震机理,定量评价水库诱发地震的危险性具有一定的参考价值.

地震断裂带中气体来源及运移机制研究进展

随着新的观测技术和理论的快速发展,地震断裂带气体观测和同位素分析技术都得到长足发展,为研究微量气体运移机制以及气体来源示踪提供了重要的技术支撑.本文简要介绍了前人利用同位素技术在深部物质来源研究方面的主要进展,详细阐述了断裂带中微量气体的特征、气体运移的影响因素以及气体运移机制和理论模型,包括扩散对流作用、接力传递作用和载气运移机制.这些气体运移机制的理论模型为我们研究地震断裂带中气体行为奠定了理论基础,也为利用氡、汞、氦、氢等微量气体开展地震监测预测研究提供了更加严谨的方法.同时,对揭示地震的孕育、发生机制以及地震前兆的成因等都具有十分重要的意义.

碳封存项目井喷CO_2扩散危险水平分级方法研究

针对碳封存（CCS）项目井喷后的二氧化碳（CO_2）气体泄漏扩散对附近居民的影响问题,提出将CO_2井喷速率作为分级指标进行扩散危险水平分级。以内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗地形、气候等条件为环境背景,以神华CCS示范项目为参考,运用CALPUFF高斯扩散模型模拟发生井喷事故,计算CO_2气体扩散影响范围。根据扩散范围与井喷速率变化的相关关系,对CO_2扩散危险水平进行分级。根据50 000 ppm浓度的最大扩散范围将CO_2井喷扩散分为3个等级：Level1、Level 2、Level 3,对应的井喷速率范围分别为0-2.5、2.5~10.0、10~20 m/s,对应扩散距离分别为0~130、130~180、180~420 m。通过与模拟场地周围环境条件和人群分布特点的交叉分析,当危险性等级为3级时,会威胁到泄漏井筒附近420 m范围内CCS场地内工作人员、散户居民以及附近公路上的过往行人的安全。该项危险水平分级研究工作有助于健全国家相关部门对CCS的监管,同时有利于推动CCS示范项目的健康发展。

饱和多孔介质顶盖驱动方腔流动量传递分析

本文以经典的孔隙介质顶盖驱动方腔流动为研究对象，完善流体动量传递机制，发展高精度数值模拟技术，分析流体动量传递特征及其主要控制因素。

WFSD钻孔气体氢浓度动态与断裂构造及地震的关系

为了开展汶川8级地震孕育机理及其科学问题深入研究，“十一五”国家科技专项“汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）”2008年11月开始实施。汶川断裂带科学钻探项目设计在龙门山断裂带上钻5口科学深钻，其中WFSD-2井位于汶川地震主断裂的北川一映秀断裂中段，断裂上盘为8亿年前形成的古老彭灌花岗岩闪长质杂岩，下盘为三叠系煤系地层，2009年7月6日开钻，设计孔深2000m，

孕震过程中深部流体对浅层流体影响的研究进展概述

深部流体,尤其是深部热流体已成为目前研究地震孕育及前兆成因的重要内容,特别是由于深部流体活动引起浅层流体的变化,是探索地震预报方法的重要途径。由于人们在现有的能力范围内只能通过观察研究浅层流体来了解深部流体的变化,所以通过研究深部流体与浅层流体的相互关系,进而了解深部流体的变化,对于研究孕震过程、前兆成因机理以及地震预报的理论和方法,都具有十分重要的意义。

连续小波变换在新疆地震活动周期分析中的应用

利用连续小波变换分析和研究了 1 970年 1月— 2 0 0 1年 1 2月新疆地区 30年来的地震活动情况。结果表明 ,新疆地震活动存在比较稳定的 1 0年左右活动周期 ,并存在 5年和 1 7年左右的不稳定的准活动周期 ,也就是说新疆地区地震活动既存在比较稳定的优势周期 ,也存在一定的时变性。根据 MS≥ 4.7地震时间序列的连续小波变换结果可推测 ,2 0 0 2— 2 0 0 5年新疆地区地震活动相对偏弱 ,中、强地震的发生次数偏少 ,有可能发生 5级或 6级地震 ,而到 2 0 0 6— 2 0 0 7年新疆有可能再次发生 7级左右的大地震。