低阶煤不同宏观煤岩组分孔隙发育特征及甲烷吸附/解吸性能差异

目的针对煤储层非均质性较强,不同宏观煤岩组分由于物质成分和孔隙结构差异导致煤层气吸附解吸性能和气水运移特征迥异的问题,方法以黄陇煤田彬长矿区延安组低阶煤为研究对象,采集并分离镜煤和暗煤组分,综合运用显微组分测定、元素分析、压汞、低温液氮吸附、吸附解吸试验等测试方法,研究低阶镜煤和暗煤的孔隙发育特征差异和对甲烷吸附/解吸性能的影响。结果结果表明:(1)镜煤的镜质组质量分数、挥发分及H,O,N,S元素质量分数高于暗煤的,而惰质组、壳质组、矿物、灰分、固定碳和C元素质量分数低于暗煤的。(2)煤样孔隙度为2.92%~10.29%,总体孔隙较发育,暗煤孔隙度略高于镜煤的,孔喉更粗,大孔更发育,连通性更好。镜煤BET比表面积和BJH总孔容均略大于暗煤的,微孔更发育,且多以半封闭型和墨水瓶型孔隙为主。(3)镜煤微小孔更发育,比表面积更大,吸附能力更强。结论煤中甲烷吸附/解吸过程普遍存在解吸滞后现象,暗煤孔隙连通性相对较好,解吸滞后程度低于镜煤的,理论解吸效率高于镜煤的。研究结果可为彬长矿区低阶煤煤层气储层物性认识提供参考。

黄陇煤田典型特厚煤层综放开采涌水机理与导水裂隙带发育规律

黄陇侏罗纪煤田厚煤层开采导水裂隙带发育高度大,易导通上覆白垩系洛河组巨厚砂岩含水层,区内青岗坪煤矿回采期间出现典型的“脉冲式”涌水特征,给矿井的安全回采造成严重影响。以青岗坪煤矿42105综放工作面为研究对象,采用3DEC离散元模拟、钻孔冲洗液漏失量、综合物探以及钻孔电视相结合的实测方法,对工作面回采过程中覆岩导水裂隙带和离层发育规律进行研究,探究该典型地质条件下矿井的涌水机制与导水裂隙带发育特征。结果表明:42105工作面导水裂隙带受覆岩周期性垮落影响不断向上发育,洛河组孔裂隙砂岩静储水不断释放,间歇性涌入工作面,形成幅值稍低的“脉冲式”涌水;在采动影响下巨厚砂岩含水层内不断出现离层,导水裂隙带导通砂岩含水层离层积水区,致使涌入工作面的瞬时涌水量突增,形成幅值较高的“脉冲式”涌水。结合现场钻孔冲洗液漏失量实测、综合物探以及钻孔电视结果,揭示了青岗坪煤矿洛河组孔裂隙砂岩静储水与离层水叠加影响的“脉冲式”涌水机理,确定导水裂隙带的最大发育高度为316.83~333.00m,裂采比为30.17~31.71。研究结果对于类似地层条件下矿井涌水的防治和安全高效回采具有指导意义。

高家堡井田二盘区导水裂隙带高度实测研究

为了查明煤层顶板导水裂隙发育规律,采用地面钻孔分段注水测试和钻孔窥视方法实测了高家堡井田204工作面和205工作面煤层顶板导水裂隙带发育高度。研究结果表明:(1)205工作面DT1钻孔位置煤层顶板导水裂隙带发育高度为327.75 m,裂采比25.81。(2)204工作面DT2钻孔位置煤层顶板导水裂隙带发育高度为197.85 m,裂采比35.33。(3)高家堡井田二盘区导水裂隙带实测结果丰富了黄陇煤田综放采煤覆岩破坏规律。

黄陇煤田永陇矿区煤层气成藏条件及主控因素研究

黄陇侏罗纪煤田属于典型的低阶煤含煤层气区带,煤炭勘查结果显示其西部具有一定的煤层气开发潜力,为了弄清该煤层气成藏条件,以黄陇煤田永陇矿区麟北区为例,从煤层气地质、煤储层特征、气藏保存条件3个方面研究了黄陇煤田西部地区的煤层气成藏条件及主控因素。研究结果表明:黄陇煤田西部地区延安组煤变质程度低,煤层厚度大,埋深适中,含气性较好,但煤储层渗透性较差;煤层气富集主要受水动力条件影响,埋深其次,构造和盖层影响较小,埋深500~700 m是该区煤层气成藏的最佳深度;因受成煤后期燕山运动等多期次构造运动的影响,原生生物气和热成因气大量逸散,新生代以来煤层接受浅部地表水和大气降水的补给,接受次生生物气的补充,是煤层气成藏的关键,属典型的盆缘缓坡晚期生物成藏模式。

考虑煤粉堵塞影响的煤储层渗透率模型及其应用

为了准确预测煤层气井生产动态、制订合理的排采制度,建立了考虑煤粉堵塞影响的煤储层渗透率模型,然后基于该模型对保德区块、沁水盆地、柳林区块、韩城区块、黄陇煤田共15组煤样的室内煤样速敏实验数据进行了拟合,求得各煤样的渗透率模型;在此基础上,将建立的煤储层渗透率模型引入到前期编制的煤层气井动态分析软件中,并进行了2口煤层气井的生产历史拟合;以其中一口煤层气井(W1井)的拟合参数为基准,研究了煤粉堵塞参数对煤储层渗透率及煤层气井生产动态的影响。研究结果表明:①所建立的考虑煤粉堵塞影响的煤储层渗透率模型能够定量化描述煤储层渗透率随流体流速的变化,同时该模型可以被嵌入到煤层气数值模拟软件或煤层气井动态分析软件中,应用范围广;②保德区块煤储层渗透率受煤粉堵塞的影响相对较小,而煤粉堵塞对于沁水盆地、黄陇煤田煤储层渗透率的影响不可忽视;③理论最大渗透率损害率(Dmax)和渗透率损害率指数(n)越大,煤粉临界堵塞流速(vcr2)和0.5Dmax对应的相对流速(v0.5)越小,煤粉堵塞对煤储层渗透率的影响越显著;④为减小煤粉堵塞对煤层气井产能的不利影响,在排采过程中尤其是产气初期,要适当减小生产压差,以避免对煤储层渗透率造成恶性伤害。

黄陇煤田低煤阶煤储层孔隙特征及吸附储集性能研究

为了研究黄陇侏罗纪煤田低煤阶煤煤储层孔隙特征和吸附储集性能,采集了黄陇煤田不同矿区的煤样,利用液氮吸附、扫描电镜和等温吸附试验等测试方法,研究了低煤阶煤储层煤比表面积、孔容特征、孔隙特征、孔径分布特征、微裂隙发育程度及煤样的吸附特征。研究结果表明:黄陇煤田低煤阶煤BET比表面积集中分布在1~5 m^2/g,比表面积较小;BJH孔容分布区间集中在0.003~0.030m L/g,煤孔径分布特征主要以微孔和小孔为主,中孔次之;煤样表面微孔隙发育,Langmuir体积分布在7.95~16.52 m3/t,Langmuir压力分布在1.22~5.77 MPa,吸附能力一般,易解吸。结合以往地勘资料研究认为彬长、焦平及黄陵矿区有利于煤层气的勘探开发。

陕北及黄陇侏罗纪煤田煤中硫分、灰分成因探讨

以地质勘查资料、煤质分析结果为依据,对陕北及黄陇侏罗纪煤田延安组煤中硫分、灰分组成特征及成因进行探讨。研究结果表明:陕北、黄陇侏罗纪延安组煤中硫分含量较低,前者为特低-低硫,以有机硫为主,后者为中-低硫,以硫化铁硫为主;煤灰成分组成相似,但后者灰分产率高于前者;由于陕北、黄陇煤田延安组成煤环境不同,受陆源碎屑物质的供给的影响,使黄陇煤田延安组煤中全硫含量及灰分产率均高于陕北煤田延安组煤。

基于覆岩结构效应的导水裂隙带发育特征

为探讨黄陇煤田煤层采动引起的顶板水害问题,以煤层顶板不同覆岩结构采动导水裂隙为研究对象,概化了煤-软-硬-软-硬(组合一)、煤-软-软-硬-硬(组合二)、煤-硬-软-硬-软(组合三)及煤-硬-硬-软-软(组合四)4种典型的岩性组合结构,运用数值模拟和理论计算等方法,分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系,研究了覆岩结构对导水裂隙发育高度(简称"导高")的影响规律。研究结果显示:在相同的采高条件下,煤-软-硬-软-硬型覆岩结构导高最小,煤-硬-硬-软-软型覆岩结构导高最大;工程实例表明,黄陇煤田煤层开采导高与采高之间并非简单线性关系,利用覆岩结构效应预测的导高更接近实测值。

黄陇煤田应用金刚石钻进的问题

分析了黄陇煤田大佛寺井田金刚石单管和双管取心及绳索取心钻井技术应用效果 ;指出了存在的问题 ;展望了黄陇煤田发展金刚石绳索取心工艺技术。

永陇矿区松软富水顶板灾变机理与防控研究

针对黄陇侏罗纪煤田采场出水压架灾害频发的现状,以永陇矿区4个综放工作面为工程背景,围绕松软富水地层覆岩破断与顶板来压特征、离层水致灾机理及灾害预警防控开展了现场跟班实测与理论研究。研究结果表明:覆岩关键层运移破断与采场矿压及离层水害存在因果关系。由于破断步距大、控制岩层组厚度大,复合关键层破断导致采场大周期来压显现异常强烈;所控岩层组断裂下沉后在洛河组含水层底部产生离层空间。受到离层水压和含水层持续补给等双重作用,离层积水越层下泄引发采场出水。基于以上认识,在实践中探索并完善了离层水害防控对策,构建了以"大周期来压、支架阻力高位预警、水位降速、宏观矿压显现异常"为主的出水压架预警机制;建立了以危险区域划分、采放工艺优化及工作面日常管控为主的防控体系。研究成果已成功指导了多个工作面的顶板水害防控,对类似地层条件的矿井具有良好的示范效应。

黄陇侏罗纪煤田煤中元素特征分析

根据黄陇侏罗纪煤田主采煤层煤质资料和研究成果,对煤中常量元素和微量元素的含量进行了统计分析,探讨了煤中各元素形成的地质因素,并对铀含量富集特征及有利成矿区进行了分析。研究显示,黄陇侏罗纪煤田形成于陆源物质供给较丰富的干旱弱还原泥炭沼泽环境中,煤中微量元素Ga、Ge、V、As等属正常含量水平,Cl、F、P属低含量水平,U含量明显高于全国值。由于盆地边缘造山运动提供了丰富的铀源、有机流体及输导体系,使得U含量由盆地边缘向中心逐渐减小,其中处于氧化还原环境的永陇矿区、旬耀矿区有利于铀矿的形成。

黄陇煤田煤层甲烷解吸滞后规律及解吸滞后定量评价

为研究黄陇煤田低阶煤甲烷解吸滞后规律并定量评价解吸滞后,采集郭家河井田3号煤层煤样(GJH3)、大佛寺井田4号煤层煤样(DFS4)与黄陵二矿井田2号煤层煤样(HL2),采用液氮吸附与等温吸附/解吸试验,分析其孔隙结构特征与吸附/解吸特征,基于Langmuir方程与热力学计算结果,定量评价解吸滞后与吸附/解吸前后吸附热差异。结果表明:(1)温度相同时,煤样吸附能力大小顺序为DFS4,HL2,GJH3,煤样残余吸附量大小顺序为HL2,GJH3,DFS4,温度对残余吸附量的影响略有区别,温度并非与残余吸附量呈线性负相关关系,因此需要综合考虑温度对解吸的影响。(2)DFS4,GJH3,HL2的解吸滞后系数为0.4~0.6,其中,20℃时HL2解吸滞后系数最大,吸附/解吸可逆性较差;GJH3解吸滞后系数最小,吸附/解吸可逆性最好;解吸滞后系数随温度升高而减小,吸附/解吸可逆性随温度升高变好。(3)解吸时的等量吸附热均大于吸附时的等量吸附热,解吸需要从体系外吸收热量,吸附和解吸过程的能量差异可能是解吸滞后的关键因素。

不同煤体结构煤的孔隙–裂隙分形特征及其对渗透性的影响

煤的孔隙–裂隙结构特征是研究储层渗透性的关键问题。为了定量描述孔隙–裂隙结构的复杂程度,以黄陇侏罗纪煤田永陇矿区郭家河井田原生结构煤和碎裂结构煤为研究对象,基于压汞实验数据和扫描电镜(SEM)图像,采用Menger分形模型和计盒维数方法,分别计算不同煤体结构煤的孔隙–裂隙分形维数;同时采用不同孔径段的孔隙体积比作为权重值,计算得到孔隙综合分形维数,探讨孔隙–裂隙结构分形维数和渗透率之间的关系。研究结果表明,脆性构造变形作用对孔隙整体复杂性,裂隙孔、渗流孔复杂性以及微观裂隙复杂程度均具有积极改造作用,对吸附孔结构复杂性具有均一化作用;微观裂隙分形维数与渗透率具有较高非线性关系,脆性构造作用改造下形成的碎裂煤,其具有的孔隙–裂隙结构优势配比是决定储层高渗透性的关键。因此,建议优先考虑弱脆性变形的碎裂结构煤为主体的断层、向斜和背斜区域进行煤层气抽采。

低阶煤储层微观孔隙结构多尺度联合表征

多尺度微观孔隙结构对低阶煤储层煤层气吸附/解吸过程的研究具有重要意义。以黄陇侏罗系煤田和陕北侏罗系煤田低阶煤为研究对象,采用压汞、液氮吸附和CO2吸附等测试手段表征低阶煤储层的孔径分布、孔隙类型等参数,联合核磁共振测试定量分析低阶煤阶段孔径和多尺度孔径分布特征。结果表明,低阶煤孔隙以微孔为主,大孔次之。微孔、大孔、介孔对比表面积的贡献率依次减小。低阶煤储层孔隙类型以两端开口的“柱状孔”和“墨水瓶孔”为主,孔隙连通性较好。核磁共振法获取样品的T2 c截止值为1.4~155.2 ms,变化较大,束缚流体饱和度(BVI)为79.21%~96.96%,可动流体饱和度低。低阶煤储层的孔隙结构复杂多样,单一测试技术与联合计算表征方法在表征低阶煤储层的孔隙结构时差异较大。

深埋煤层开采顶板基岩含水层渗流规律及保水技术

我国西部黄陇煤田降雨量少、蒸发强烈,属于干旱半干旱地区,做好煤炭开采过程中对含水层的保护工作极为重要。为研究适用于黄陇煤田深埋煤层开采顶板洛河组砂岩含水层的保水技术,以彬长矿区为研究区,采用砂岩孔隙度测试,结合非线性回归分析方法,研究洛河组地层不同深度砂岩渗透性变化;开展水化学测试,分析非均质洛河组含水层垂向水化学场特征;结合地面和井下水文地质探查,进一步定量化研究洛河组含水介质的非均质性。在查明洛河组含水地层非均质性的基础上,建立含水层下段受裂隙带波及条件下地下水渗流数值模型,研究基岩含水层局部受裂隙带影响条件下的渗流规律。根据渗流规律研究深埋煤层开采顶板基岩含水层保水开采技术,结合彬长矿区工作面开采实际揭露水位变化情况对其进行验证。研究表明,洛河组含水层渗透性随地层深度的增加而呈负指数降低,随着埋深增大含水层水化学类型由HCO_3-Ca型转化为SO_4-Na型,同时上段的单位涌水量约为下段的7倍,可知洛河组含水层上、下段地下水渗流条件不同,垂向非均质性较强。工作面开采裂隙带仅波及含水层下部时,含水层仅受波及层和相邻层的水位下降明显,上部未受到波及段水位降深有限,整个含水层不会出现水位统一下降的现象,而是呈现出不同层位水位降深差不同的差异性渗流规律。鉴于此,提出利用含水层非均质性特征,以控制含水层上段水位降深为核心,允许导高适当波及含水层下段的"控水开采"技术,有助于缓解深埋煤层采煤与保水的矛盾。通过彬长矿区胡家河煤矿现场应用表明,洛河组含水层实际渗流特征符合本次研究成果,控水开采技术可实现洛河组砂岩含水层保水开采的目的。

黄陇侏罗纪煤田导水裂隙带高度预测研究

为获得适用于黄陇煤田厚及特厚煤层开采条件下的导水裂隙带高度预测模型,以黄陇侏罗纪煤田为研究区域,以38组导水裂隙带高度实测数据为依据,综合考虑开采厚度、工作面斜长、煤层埋深、覆岩类型、开采方法5个因素对导水裂隙带高度的影响,基于数据驱动构建了适用于黄陇煤田导水裂隙带高度预测的多元非线性回归模型和遗传算法(GA)优化的BP神经网络(GA-BP)模型,并将2种模型应用于孟村矿401101工作面导水裂隙带高度预测。研究结果表明:导水裂隙带高度受多种因素影响,回归模型拟合系数从仅考虑开采厚度的0.52,提高到考虑综合多因素的0.82,模型预测精度随着考虑影响因素数量增多而提高;从数据驱动角度得出黄陇煤田导水裂隙带高度影响因素权重值排序为:开采厚度>工作面斜长>覆岩类型>煤层埋深>开采方法,开采厚度和工作面斜长是其主控影响因素,在开采过程中需加以控制,从而达到煤层顶板水害防治的目的。模型应用结果表明,多元非线性回归模型的最大相对误差为−3.67%,而GA-BP神经网络模型最大相对误差仅为−1.95%,2种预测模型的相对误差均小于5%,其精度能够满足工程实践要求,对于预测精度要求较高时,可选择GA-BP神经网络预测模型。研究成果可为黄陇煤田厚及特厚煤层条件下导水裂隙带高度研究提供一定依据和参考。

特厚煤层开采覆岩高位离层突水危险性评价

煤矿覆岩离层突水危险性预测评价是制定科学防治水方案的基础和依据。为提高特厚煤层开采覆岩高位离层水害防控的精准性,首先根据离层与开采煤层之间距离及其与导水裂隙带范围的空间关系,判断出特厚煤层开采形成的高位离层位于导水裂隙带顶部附近,并分析了高位离层水涌突的3个基本条件,即相对封闭的可积水离层空间、离层补给水源和下渗的导水裂隙通道;然后在底板突水危险系数法的基础之上,提出了离层突水危险系数的概念,建立了高位离层水涌突危险性评价方法和危险性分级标准;最后采用该评价方法对郭家河煤矿1305工作面顶板离层突水危险性进行了评价,并根据郭家河煤矿和崔木煤矿其他工作面顶板离层突水危险性评价结果对该方法进行了验证。结果表明:郭家河煤矿1305工作面顶板离层突水危险性等级为安全,即不会发生离层突水;郭家河煤矿和崔木煤矿其他工作面顶板离层突水危险性评价结果与实际突水情况基本一致,验证了该评价方法的有效性。该研究成果可为黄陇煤田特厚煤层开采顶板离层水害的精准防控提供理论依据。

黄陇煤田煤层顶板水害特征及其防控技术

陕西黄陇煤田是我国主要产煤基地之一,煤层开采主要受顶板巨厚洛河组砂岩水威胁,水害防控形势严峻,分析顶板涌水特征、研究水害防控关键技术对于煤矿安全生产具有重大意义。在收集该区域典型煤矿工作面涌水量资料的基础上,分析顶板水害类型及其主控因素,总结工作面涌水量变化规律,并研究顶板巨厚砂岩含水层水害形成机理,进而提出顶板水害防控关键技术。结果表明:(1)黄陇煤田顶板含水层充水可分为持续涌水式、非持续涌水式和泥砂溃涌式3类,持续涌水式包括可控持续型和高强度持续型,非持续涌水式分为离层涌水型(包括偶发离层涌水型和频发离层涌水型)和脉冲式涌水型,以及泥砂溃涌型共6型。(2)关键隔水层厚度、煤层与洛河组砂岩间距、洛河组砂岩的富水性共同决定顶板涌水形式:当关键隔水层厚度较小甚至缺失,洛河组砂岩富水性弱且与煤层间距较小时,发生脉冲式涌水;当关键隔水层厚度较大且分布稳定,洛河组砂岩富水性中等至强且与煤层间距较小时发生持续涌水;当关键隔水层巨厚,洛河组砂岩富水性弱且与煤层间距巨大时发生离层涌水;当煤层顶板导水裂隙带范围内的侏罗系地层发育胶结不良地质体或煤层出现冒顶现象,容易形成水砂溃涌灾害。(3)地下水位监测预警技术、地面钻孔疏放离层积水技术、井下泄水巷集中排水技术、排水系统建设与维护技术、减水开采技术等是黄陇煤田水害防治的关键技术;工作面精细管理制度、工作面水情日分析制度、专家会诊及对标学习制度等是做好水害防治工作的配套管理对策。

黄陇煤田综放采煤顶板导水裂缝带高度发育特征

为了研究黄陇煤田综采放顶煤(综放)采煤工艺条件下的导水裂缝带高度及其发育规律,系统收集区内各矿井实测数据资料,采用数理统计和回归分析方法研究导水裂缝带高度与工作面宽度、煤层埋深以及采高的相关关系。研究结果表明:工作面宽度小于240 m且煤层采高为8.5～9.5 m时,软弱覆岩裂采比和导水裂缝带高度恒大于中硬覆岩;工作面宽度大于90 m且煤层采高大于14.5 m时,软弱覆岩裂采比和导水裂缝带高度恒小于中硬覆岩。综放软弱顶板裂采比和导水裂缝带高度随采高增大均呈单峰状,裂采比是采高的二次函数,导水裂缝带高度是采高的三次函数。裂采比最大为30.63倍,拐点处采高3.56 m;导水裂缝带高度最大为239.97 m,拐点处采高10.41 m。由拐点向两侧采高分别减小或增大时,裂采比和导水裂缝带高度均逐渐减小。综放中硬顶板裂采比和导水裂缝带高度受工作面宽度和煤层采高的共同影响。在工作面宽度一定时,裂采比随着煤层采高增大而逐渐减小且变化幅度越来越小,大致趋于[11.00,14.30]数值区间;在煤层采高一定时,工作面宽度越大裂采比越大。导水裂缝带高度随着工作面宽度和煤层采高增大而增大。

黄陇煤田综放采煤导水裂隙带高度经验公式

为了获得更为准确的综放采煤条件下煤层顶板导水裂隙带高度预测经验公式,首次明确提出三次函数多项式曲线的拟合度最佳,获得了黄陇煤田包括工作面宽度为B和采高为h的双因素非线性导水裂隙带高度预测经验公式。研究结果表明:一方面,中硬顶板导水裂隙带高度经验公式拟合优度R2值由原来0.722提高至0.824,软弱顶板导水裂隙带高度经验公式拟合优度R2值由原来0.587提高至0.915,拟合精度显著提高;另一方面,与原文经验公式预测值对比发现,经验公式预测值更接近实测值。因此,获得的经验公式更准确。