木质素磺酸钙对固井水泥石变形破坏特性的影响及其改性机制

在采动区地面井煤层气抽采工程中,工作面的回采会对上覆岩层产生较大的扰动,进而导致地面井变形破坏,不能有效发挥卸压煤层气地面井的抽采效能。固井技术能够有效延长采动作用下卸压煤层气地面井的寿命,水泥作为影响地面井固井质量的关键因素,其早期强度需满足较高的固井要求,水泥固结后形成水泥石,水泥石的力学性能对维持卸压煤层气地面井的稳定性至关重要。通过添加分散剂提高水泥石的力学性能是改善固井效果的有效途径。针对目前采动作用下木质素磺酸钙改性水泥石变形破坏特性的研究较少,通过开展循环荷载下不同质量分数的木质素磺酸钙改性水泥石单轴压缩试验,探究木质素磺酸钙对卸压煤层气地面井水泥石变形破坏特性的影响及其改性机制。研究结果表明:水泥石纵波波速和峰值应力随木质素磺酸钙质量分数增加呈现出先增加后降低的趋势,而水泥石声发射总振铃计数随木质素磺酸钙质量分数增加呈现出先减小后增大的趋势。随着单轴循环梯级的增加,水泥石的变形模量呈现出强化现象,且初始加卸载循环对变形模量的强化作用最为显著。随着木质素磺酸钙的加入,改性水泥石的破坏模式呈现出拉伸主导→剪切主导→拉伸主导的拉剪组合破坏模式,同时改性水泥石的分形维数呈现出先减小后增大的趋势,表明适量木质素磺酸钙的加入能够有效提高单轴循环加卸载下水泥石的抗破坏能力。随着木质素磺酸钙质量分数的增加,水泥石水化产物之间孔隙呈现出先减少后增多的趋势。适量木质素磺酸钙的加入会促进水泥石中C−S−H凝胶和钙矾石的大量生成,沉淀在水泥颗粒表面相互交织,可显著提高水泥石的峰值应力,对于提高水泥石的力学性能具有积极作用,同时也使得水泥石的孔隙率降低,进而导致水泥石纵波波速增加、循环荷载过程中水泥石累计声发射振铃计数减小。而木质素磺酸钙过量加入时,木质素磺酸钙的引气作用和电性相斥作用在水化过程中占据主导作用,会引入较多气泡,造成水泥颗粒之间间隙的产生,同时抑制了C−S−H凝胶和钙矾石的早期生成,对水泥石的力学性能造成消极影响。此外,会造成水泥石孔隙率增加进而导致水泥石纵波波速减小、循环荷载过程中水泥石累计声发射振铃计数增加。因此,木质素磺酸钙对水泥石的力学性能的影响具有双重效应。

关闭/废弃煤矿甲烷排放研究现状及减排对策

全球正向低碳能源结构转型,加之煤矿资源枯竭、瓦斯灾害等问题,关闭/废弃煤矿数量快速增加。煤矿关闭退出后,采空区残存甲烷持续向地面逸散,成为温室气体重要排放源。针对关闭/废弃煤矿甲烷残存量、排放速率、减排措施等系列问题,通过大量文献调研、梳理,明确了国内外关闭/废弃煤矿数量及高瓦斯矿井分布,归纳总结了采空区残存甲烷来源及残存量的估算方法,并借鉴天然气成藏研究领域中甲烷地质渗漏理论与研究方法,分析了残存甲烷排放机制及监测手段,最后提出了残存甲烷减排对策及面临挑战。研究发现:我国山西、贵州、重庆、湖南、江西等地区存在大量关闭/废弃煤矿,且残余煤主要是具有强甲烷吸附力的无烟煤,导致矿井残存甲烷量大,成为重要甲烷排放源;关闭/废弃煤矿甲烷从残余煤中解吸释放至采空区,然后经由井口、采动裂隙等通道排放至大气;通过卫星遥感、通量室法、地球化学探针法、微气象技术等手段,可实现对煤矿甲烷排放的有效监测。基于甲烷排放预测模型预测,到2050年关闭/废弃煤矿排放甲烷在煤炭开采释放甲烷总量中占比可能超过20%,解决关闭/废弃矿井甲烷排放问题刻不容缓。为此,提出了抽采利用、原位爆燃发电、微生物降解甲烷、注水淹没、甲烷排放通道封堵等减排对策,综合考虑减排成本、甲烷排放持续时间、地下水污染等限制性因素,认为采用矿化修复方法封堵覆岩采动微裂隙,可低成本实现关闭/废弃煤矿甲烷减排目标。