基于多种解析法和数值法求解巨厚砂岩水文地质参数

在煤矿开采过程中,矿井涌(突)水等事故不仅会造成巨大的经济损失,还严重威胁工作人员的生命安全。水文地质参数在计算矿井涌水量过程中扮演着重要角色,因此,准确测定含水层的水文地质参数对于煤矿防治水等工作具有重要意义。为了获取更加贴近实际的矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的水文地质参数,以新庄煤矿洛河组巨厚砂岩含水层上、下段的抽水试验资料为依托,采用传统的非稳定流的Theis公式法、Jacob直线图解法和水位恢复法等解析法,结合实际场地特征,计算出洛河组砂岩含水层上、下段的渗透系数分别为0.22~0.59和0.03~0.35 m/d;上段导水系数为128.74~373.67 m^(2)/d,下段为5.52~47.07 m^(2)/d;上段的贮水系数为2.22×10^(-4)~6.69×10^(-3),下段为6.53×10^(-5)~3.29×10^(-3)。并通过FEFLOW软件建立新庄矿区的地下水流数值模型,求解洛河组含水层的水文地质参数,得到洛河组上、下段渗透系数分别为0.55和0.45 m/d。通过多种方法对比分析表明,通过数值模拟法得到的水文地质参数结果与多种解析法计算的结果相近。在此基础上,根据各方法得出的水文地质参数计算矿井涌水量,并与实际涌水量进行对比,结果表明:在含水层上段,采用数值模拟法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量;而在洛河组下段,采用Jac-ob直线图解法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量。进一步提高了水文地质参数计算的准确度,为后期的含水层富水性研究、矿井涌水量预测以及类似矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的矿井水防治工作提供依据。

Modflow中关键参数取值对矿井涌水量预测的影响研究

针对鄂尔多斯地区矿井开采过程中的涌水问题,以核桃峪井田为研究对象,对区域水文地质条件进行梳理,确定合理的概念模型和边界范围,建立了Visual Modflow数值模型,应用模型的排水沟边界模块,预测响应工作面采掘进度的矿井涌水量变化。并对排水沟水力传导系数C与含水层渗透系数K两个影响因子进行了不确定性分析,确定C的取值对工作面涌水量预测的影响更显著。根据临近的雅店井田两个工作面实际涌水量对C值进行反演,确定研究区域C值范围并代入核桃峪井田工作面预测中。结果表明:工作面涌水量预测值会随着C值取值增大而增大,当C取值约6.5×10^(-5)时,雅店井田工作面涌水量接近实际涌水量。基于该值计算出核桃峪井田各工作面矿井涌水量情况,待5个工作面回采结束后,矿井涌水量总量达到2697.2 m^(3)/h。

滇东复杂地质条件探地雷达与井下地震综合超前预测小构造

在我国西南地区,地质条件复杂,煤层瓦斯储量丰富,矿井水文地质条件多变,地质预报是保障矿井安全生产的重中之重。为有效探明矿井巷道前方的隐伏构造,仅依靠单一物探方法,受井下探测环境限制,探测效果往往不能满足生产需求。以滇东矿区雨汪煤矿首采工作面为例,结合当前矿井开采工艺,采用探地雷达与井下二维地震相结合的方法,对巷道前方隐伏构造进行综合预测预报研究。在顶板瓦斯抽采巷采用井下二维地震进行底板探测,获取巷道底板下煤层构造赋存信息。利用工作面顶板瓦斯抽采巷和邻近掘进巷道的空间位置关系,结合研究区构造发育规律,将解释构造短距离推理延伸至掘进巷道,作为掘进巷道构造分布预测依据。随后,根据掘进巷道的掘进进尺,在巷道掘井工作面采用探地雷达进行超前探测。对比分析探地雷达与地震数据,修正构造解释位置,排除井下噪音的异常解释。最终生成一个高精度地质模型,指导矿井生产。经研究区揭露验证分析,本研究方法的预测准确率高达90%,且误差小于1 m。

基于LLE和SVM的地震断层自动识别方法

传统地震资料的断层解释主要依靠解释者的知识和经验,存在工作量大、效率低的问题。基于机器学习的断层识别方法,可以融合已有的地质资料、解释人员的知识和经验,构建高质量的数据集,增加解释的准确率。为了提高机器学习方法断层解释的准确率,构建基于局部线性嵌入(LLE)和支持向量机(SVM)算法的断层识别方法。首先,介绍了LLE和SVM算法的基本原理,说明各算法的计算过程和主要参数;然后建立断层正演模型,分析不同属性的断层响应特征,针对训练数据集中多种地震属性之间的信息冗余,分别通过LLE和主成分分析(PCA)2种算法对地震属性数据进行降维,引入的量化指标计算结果表明LLE算法对于非线性数据体有较好的降维效果;利用西上庄井田6条巷道、5口钻井揭露的11854个已知构造信息的数据点,分别训练SVM,PCA-SVM和LLE-SVM断层识别模型;以准确率A、查全率R、查准率P、F作为模型的衡量标准,对比各模型在工区数据上的预测分类性能;其中,LLE-SVM模型综合表现最佳,查准率可达94.4%,远高于其他模型;最后,利用构建的各模型对整个工区进行预测,并结合实际揭露情况和人机交互解释结果进行分析。综合结果表明,基于LLE和SVM的断层识别方法在去除冗余信息的同时能够有效突出断层响应特征,减少主观人为因素的影响,提高断层解释的效率。

羌塘盆地结构构造与油气勘探方向

羌塘盆地是我国陆域大型中生代海相沉积盆地，富含烃源岩，但结构构造非常复杂。结合野外观测及相关资料对地震反射剖面进行地质构造详细解释，良好地揭示了羌塘盆地结构和深部构造。羌塘盆地逆冲推覆构造延伸存在显著差别，北羌塘凹陷多格错仁逆冲推覆构造、阿木错逆冲推覆构造与南羌塘凹陷肖茶卡一双湖逆冲推覆构造、多玛一其香错逆冲推覆构造仅发育于盆地表层0～3kin深度范围，北羌塘凹陷龙尾错逆冲推覆构造、羌中隆起北缘逆冲推覆构造、南羌塘凹陷赛布错一扎加藏布逆冲推覆构造、拉萨地块北缘色林错逆冲推覆构造系统自地表向深部延伸深度超过6km，羌塘盆地深部还发育中生界底部逆冲系和基底逆冲系，伴有不同规模的褶皱构造。逆冲推覆构造形成活动时代包括晚白垩世、古近纪早期和古近纪晚期，晚白垩世与古近纪早期逆冲推覆构造运动导致构造隆升的裂变径迹年龄分别为87±5～75±4Ma、64±5～46±4Ma。经过多期逆冲推覆构造改造和褶皱变形，羌塘盆地中生界海相沉积地层与烃源岩显著增厚，为新生代晚期二次生烃及油气成藏提供了非常有利的地质构造条件；北羌塘凹陷发育万安湖向斜、半岛湖背斜、东湖向斜、阿木错向斜，南羌塘凹陷发育宁日圈闭、鲁雄错背斜、诺尔玛错圈闭、协德圈闭、崩则错圈闭，羌中隆起下伏侏罗系和三叠系烃源岩，色林错下白垩统下伏古近纪湖相沉积，这些构造部位都是油气勘探的重要靶区。

高丰度煤层气富集区地球物理识别

为预测煤层气富集区,通过地震反演和地震属性分析,获得了煤层含气量、地质构造、煤层厚度、煤层结构、煤层顶、底板岩性和裂隙等地震地质参数,基于地球物理信息融合方法对煤层气富集区进行了预测。研究结果表明:随着埋藏深度增加,煤层厚度增加,煤层含气量呈增加趋势;向斜轴部隆起带煤层含气量大,背斜轴部凹陷区煤层含气量相对较多;构造煤分布区一般煤层气较富集;煤层直接顶底板为泥岩,则煤层含气量一般较高;裂隙的存在会对煤层气含量有一定影响。研究认为,煤层埋深、煤层厚度、结构、构造和顶底板岩性等参数是控制研究区煤层气富集的主要地震地质因素,基于地球物理信息融合对煤层气富集区进行预测,可以避免单一地震地质因素预测的局限性,有助于提高预测精度。

基于AVO反演技术的煤层含气量预测

为预测煤层气含气量,结合山西寺河煤矿实际资料,在分析不同含气量AVO异常特征的基础上,通过反演得到AVO属性,建立多地震属性与含气量之间的相关关系,从而获得煤层含气量分布。对于含气量不同的钻井,高含气量的煤层一般能形成较强的AVO异常,低含气量的煤层AVO异常很小。基于截距和梯度属性,可获得纵波阻抗、横波阻抗、极化参数、密度和伪泊松比等地震属性。地震属性与煤层含气量之间具有相关性,其中截距、纵波速度、纵波阻抗、横波阻抗、极化参数、密度、伪泊松比等属性与含气量具有较大相关性。研究表明,井孔处煤层含气量预测结果与实测瓦斯含量预测误差低,吻合性好,表明基于AVO反演技术预测煤层含气量是一种可行的方法。

地震属性分析预测火成岩分布研究

火成岩侵入到岩层中,改变了地下地层的反射特征。根据已有的地质资料,分析火成岩的侵入方式,对比火成岩侵入时和未侵入时岩层地震反射波的情况,确定火成岩侵入时的地震反射特点,并据此在地震资料中预测出火成岩的分布情况,与井下开采进行对比验证,预测成果正确。因此,可以通过提取地震属性来解释火成岩侵入范围。

采区三维地震资料构造解释方法

根据处理给出的偏移数据体,通过整理钻孔资料和地质资料,构建起勘探区的地质模型,利用测井资料对地震反射波进行层位标定,确定需要解释的地质层位与地震层位对应关系,进行地震层位追踪解释,然后利用三维可视化、相干体等多种属性对目的层的反射波进行分析,确定勘探区内的断层、陷落柱等地质构造,并根据钻孔数据求取速度信息,最终把时间层位转换成深度层位,为矿方提供可靠的构造成果。结果表明,通过上述三维地震资料的解释,能快速、有效的圈定5米以上断层,直径20米以上的陷落柱和10米以上的褶曲。

“释水—断面流”法在矿井涌水量预测中的应用——以鄂尔多斯盆地南缘核桃峪煤矿为例

我国煤炭生产重点逐步西移,西部鄂尔多斯盆地地区既面临水资源短缺问题,又面临严重的矿井水害威胁。在煤矿采掘过程中,能够精准、动态预测矿井涌水量,是预防矿井涌(突)水事故的关键。目前,煤矿最常用的一些矿井涌水量预测方法,如水均衡法、解析法、相关分析法、水文地质比拟法等,因其局限性导致预测误差较大。在前期研究发现,矿井涌水通常由冒裂二元结构体自身释水与其四周外侧边界对称断面释水叠加而成,释水(冒裂含水层自然疏干)持续时间相对较短,随顶板冒裂周期性发生,是间歇性的;边界过水断面汇(渗)水通常是持续的。核桃峪煤矿8号煤开采导水裂隙带直接向上发育能够导通洛河组下段含水层而导致承压水涌入矿井,成为矿井涌水主要威胁。为了精准、动态预测其矿井涌水量,基于前期研究推导的矿井涌水量预测“释水-断面流”公式,充分考虑矿井采掘以及顶板覆岩移动特征,根据顶板岩层冒裂规律对鄂尔多斯盆地南部核桃峪煤矿矿井涌水量进行动态预测。预测结果与实测涌水量相比,其相对误差为11%~23%,较传统解析法的计算精度显著提高。研究成果可为工作面回采过程中不同阶段矿井涌水量的动态预测提供方法基础,为矿井防治水工作开展和合理配备防排水设施提供依据。

宁正矿区新庄煤矿首采区侏罗系延安组8号煤层顶板涌(突)水危险性评价

针对新庄矿井水文地质条件特别是矿井水的涌(突)水水源和机理认识不清,直接影响新庄煤矿的安全、高效、绿色开采这一问题,通过水质分析和计算导水裂隙带发育高度,判定新庄矿井8号煤层顶板涌(突)水水源;同时在含水层的厚度、单位涌水量、物探含水层富水异常区、钻孔消耗量、岩芯采取率、地层脆塑性比6个主控因素的含水层富水性分析和综放开采条件下冒裂安全性分析基础上,通过多结果叠合对首采区8号煤层顶板涌(突)水危险性进行评价。结果表明:矿井顶板涌(突)水水源为下白垩统志丹群洛河组砂岩孔隙−裂隙含水层和中侏罗统直罗组、延安组上、中部(煤8层顶板以上)砂岩复合承压含水层,其中下白垩统志丹群洛河组砂岩孔隙−裂隙含水层是主要致灾水源。首采区内8号煤层导水裂隙带发育高度均能沟通洛河组砂岩含水层,首采区全区域为冒裂危险区。8号煤层顶板涌(突)水危险区中Ⅰ区主要分布在首采区的北部及中西部,Ⅱ区主要分布在首采区的中部及中西部,Ⅲ区主要分布在首采区的中东部及南部,Ⅳ区主要分布在首采区的东部及南部。

雨汪井田超压含煤地层孔隙特征及孔隙体积模量演变规律

煤及煤层气开发中的异常高压现象会对资源开发带来危险,从而威胁到人员和财产的安全。本文选取云南雨汪煤矿的6个煤样,联合CT扫描技术和低温液氮吸附实验方法,分析测试得到超压煤样孔隙半径、孔喉半径、孔容-孔径微分分布的孔隙特征参数;基于Gassmann模型的机理,推导了不同围压条件下的干燥及饱和超压煤样孔隙体积模量。结果表明:雨汪煤矿超压地层煤样孔隙率偏大,可达到10%,孔隙形状主要为球形和柱体,孔隙大小以介孔为主。干燥煤样的纵横波速度随围压的施加呈非线性增加。饱和煤样孔隙体积模量随围压的增加而变大,围压相同时,孔隙体积模量在水饱和度大于90%时迅速增加。

基于拟Hessian梯度预处理算子的勒夫波全波形反演研究

构建近地表横波速度模型是煤田多分量地震资料处理的重要环节。相较于面波多道分析法,全波形反演在构建近地表横波模型中具有更高的分辨率。然而,在基于梯度的全波形反演中,由于地震记录频带有限、波场的非均匀覆盖以及双重散射等原因导致梯度算子不随深度的增加而缩放,模型深部参数得不到明显更新。目标函数的Hessian算子包含曲率信息,可清晰预测梯度算子中的焦散现象及双重散射产生的伪影,因此,逆Hessian算子则可作为反卷积算子实现对梯度的预处理,加强对模型深部的照明能力。然而Hessian算子具有巨大维度,对其显式计算十分困难。基于此,借鉴逆散射理论的思想,给出勒夫波全波形反演目标函数的拟Hessian算子的表达式,并提出一种梯度预处理的全波形反演方法。将该方法分别应用于断层模型、凹陷模型以及起伏界面模型的重构试验,反演结果表明:与传统的共轭梯度全波形反演方法相比,基于拟Hessian算子的预处理共轭梯度方法可加快收敛速度,提升成像质量。

基于AHP-CRITIC-TOPSIS法的含水层富水性评价模型

为了准确评价含水层富水性,解决传统评价方法单一赋权及权重分配不均的问题,降低评价过程中人为因素的干扰,提出一种基于AHP-CRITIC-TOPSIS法的富水性评价模型。以新庄煤矿先期开采地段含水层为例,在考虑矿井资料与含水层富水性影响因素基础上,选取单位涌水量、含水层厚度、岩芯采取率、脆塑性岩厚度比、渗透系数作为评价指标,利用CRITIC法与AHP法分别得到评价指标权重,运用拉格朗日乘子法进行优化组合得到耦合权重,进而结合TOPSIS法得到含水层的富水性系数值,最后借助ArcGIS软件绘制研究区含水层富水性分区图。结果表明:研究区中部富水性最强,向两侧逐渐变弱,评价结果与实际情况相符,采用AHP-CRITIC-TOPSIS法评价含水层富水性是可行的。

宁正矿区深埋含水层地下水水化学特征研究

位于鄂尔多斯盆地南部的宁正矿区水资源短缺,地下水是该地区需要保护的重要饮用水资源。宁正矿区煤层的开采对深埋含水层地下水的水质演变有一定的影响,水文地球化学研究将为后期矿井防治水及生态保护工作奠定基础。在宁正矿区采集了6个地表水样品,47个地下水样品(包括第四系、白垩系、侏罗系及三叠系含水层),以地下水主要离子、pH值和总硬度作为变量,进行层次聚类分析,得到六个聚类(C1—C6),其水化学特征表现出明显区别。水化学特征随地下水埋深的分布趋势表明深埋地下水的水岩相互作用程度远高于浅埋地下水。水样在Gibbs图上的分布显示,宁正矿区浅埋地下水(C1和部分C2)化学组分的主要控制作用是岩石风化作用,而随着深度增加,阳离子交换作用成为了主要的控制作用。深埋含水层中碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐矿物均发生了溶解,共同影响着地下水化学组分的形成。深埋地下水中Ca^(2+)的来源包括碳酸盐岩和石膏的溶解。Na~+除了来源于岩盐的溶解以外,普遍受到钾长石、斜长石等硅酸盐矿物溶解的影响;地下水中的Na~+与含水层中的Ca^(2+)和Mg^(2+)之间发生的离子交换作用也是影响水化学特征一个重要水文地球化学过程。

不同负载方式金属离子催化条件下浮选尾煤-松枝共热解气体产物研究

为实现浮选尾煤高价值利用,以沙曲选煤厂浮选尾煤为原料,利用固定床反应器,采用不同负载方式的铁、钙、钾离子对浮选尾煤与松枝共催化热解制备富氢燃料气。结果表明:添加催化剂后,浮选尾煤与松枝共热解试验半焦产率明显降低,气体产率显著增长,表明催化剂的添加对共热解气体产物产率和热值具有促进作用,其促进作用由强到弱依次为:Fe系催化剂>Ca系催化剂>K系催化剂。负载方式会不同程度地促进催化热解产气,就气体产物热值而言,由强到弱依次为负载型>浸渍混合型>机械混合型;对于目标气体H_(2)而言,由强到弱依次为浸渍型>负载型>机械混合型;对于目标气体CO,催化剂负载方式无明显影响。添加K系催化剂对CH_(4)产率呈抑制趋势;催化剂对CO_(2)产率的抑制作用由强到弱为K系催化剂>Ca系催化剂>Fe系催化剂。