采空区场地高速铁路路基变形控制研究现状与展望

我国煤炭产量高居世界首位,大量煤炭资源的开采,遗留了大面积的采空区场地。随着我国高速铁路的快速发展,一些关键线路难免会穿越采空区场地。采空区地基变形及高速列车密集动荷载下的活化变形对高速铁路安全运行存在着重大安全隐患。如何保障采空区场地高速铁路的安全运营是关键问题,其中采空区场地高速铁路路基变形控制研究是该类问题的核心内容。首先从理论研究、现场实测、模型试验和数值模拟4种研究手段分别总结了国内外高速铁路路基动力学和采空区地表变形的研究现状;接着重点从高速铁路列车动荷载分布及传递规律、高速铁路路基工后沉降相关要求、采空区地基与高速铁路路基相互作用机理、采空区场地高速铁路路基变形问题的可行性研究等4个方面介绍了采空区场地高速铁路路基变形问题的研究;最后简要总结了高速铁路采空区地基治理技术及采空区场地高速铁路路基抗变形措施等相关内容,并结合太原—焦作高铁和合肥—福州高铁线路穿越采空区场地而采取的实际治理方案及路基抗变形措施加以说明。在现有成果分析的基础上,探究了高速铁路动荷载最大扰动深度如何确定、高速铁路采空区地基本构模型如何选择、相似模型试验列车动荷载如何施加和高速铁路采空区地基治理体系如何完善等相关问题,并展望了该领域的发展方向。

富含煤层气储层的叠前地震反演预测方法研究——以山西晋东南测区为例

叠前地震反演技术能够将地震中振幅、偏移距和入射角等多种有效信息与油气的敏感参数结合起来,在有效识别油气藏"甜点"方面虽发挥了重要的作用,但对于煤层气的有效预测仍需研究.针对煤层气与石油天然气的赋存地质条件不同,本文以山西沁水盆地煤层气地震资料为例,借鉴叠前地震反演技术的多参数预测思想,通过模型正演和实测资料处理,得到纵波、横波速度和密度等不同的数据体,利用数据体和弹性参数关系式,采用Aki&Richard近似公式与叠前宽角度反演联合的方法,寻找出富含煤层气储层的敏感参数.从而实现富含煤层气储层的有效预测.经与测井曲线结果对比,吻合率较高,说明了该方法具有可行性与实用性.

沁水盆地中东部海陆过渡相页岩微观孔隙结构特征

为探究沁水盆地石炭二叠系海陆过渡相页岩微观孔隙结构特征,运用扫描电镜、低温氮吸附实验和高压压汞实验等手段,分析了海陆过渡相页岩储层的孔隙类型、形态、孔径分布等特征。结果表明:研究区海陆过渡相页岩纳米级孔隙广泛发育,孔隙类型以有机质孔为主,同时亦发育大量的矿物粒间孔和部分粒内孔;孔隙形态以平行板状居多,还包括一定量的狭缝型孔,以及少量墨水瓶型孔和一端封闭的孔隙;页岩孔径分布范围跨度较大,介孔(2~50 nm)是研究区页岩纳米级孔隙的主体,提供的比表面积和孔体积均达到60%以上,微孔对比表面积的贡献同样值得重视。有机质孔以微孔为主,其发育程度对页岩气的吸附存储有重要影响,TOC含量是BET比表面积和BJH孔体积的重要控制因素;黏土矿物提供了大量介孔,其含量对比表面积和孔体积同样具有控制作用。

煤层采空区内煤层气储气构造半航空瞬变电磁探测——以沁水煤田为例

煤层气又称瓦斯,它是一种赋存于煤层孔隙中的可燃气体.当浓度达到工业标准时,可成为一种可以被开采、利用的气体能源.煤层气不仅存在于完整煤层中,在采空区中也蕴藏有大量的煤层气资源.通常采用反射地震法勘探完整煤层中的煤层气.采空区中煤层气与周围空气的物性差异的特殊性和多变性,使用地震勘探对采空区煤层气进行直接勘探受到限制.为此,本文采用了一种间接的地球物理勘查方法.对于瓦斯含量较高的山西省沁水煤田,利用半航空瞬变电磁法,对研究区内的未知采空区进行快速、精确探测.根据“虚拟地震数据”的偏移成像结果,发现测区采空区不完整,研究结果间接达到了采空区煤层气储气构造的勘查目的.

我国气、肥煤储层煤层气资源开发潜力评价

为评价我国气、肥煤煤层气开发潜力,在全国范围收集了81件气、肥煤煤样的工业分析、显微煤岩组分数据,并进行了孔隙度、压汞和等温吸附测试,结果表明:我国气、肥煤多属于特低灰煤,气、肥煤各阶段孔隙发育较平衡,微孔最发育,其次为大孔和过渡孔。总比孔容和孔隙度随煤变质程度增加先减小后增大:0.65%<Ro,max<0.90%时,气、肥煤孔容和孔隙度随煤化程度增大而减小,在Ro,max=0.90%附近达到最小值,0.90%<Ro,max<1.20%时,孔容和孔隙度随煤化程度增加而增大。我国气、肥煤煤层气资源量丰富,储层灰分低,各阶段孔隙发育平衡,具良好的煤层气资源开发潜力。

基于复杂地表初至层析地震静校正技术研究及数值模拟

采用初至层析静校正方法,解决地表起伏大、纵横向速度变化剧烈的复杂地区的折射静校正效果不好的问题。介绍初至层析静校正原理,并根据需要建立横向速度变化大且基岩裸露的地震模型进行理论试算,分析层析静校正的特点及适用条件,指出层析静校正应注意的关键问题。利用数值模拟手段研究初至层析静校正的适用条件和应用效果,为复杂地表煤层气地震资料静校正提供参考依据。结果表明:层析静校正更适合复杂地表煤层气地震资料的处理,能够很好地解决地表起伏问题和速度横向变化问题,对提高煤层气勘探精度具有重要意义。

沁水盆地榆社—武乡深部煤层地震相控反演及煤层气甜点预测

随着勘探程度的不断提高和新技术的不断应用,深部煤层成为重要的关注目标。地震相控反演在地震相界面的控制下提供低频背景约束,保证反演结果可靠性的同时使得反演结果具有明显地质意义。针对沁水盆地榆社—武乡区块深部煤层厚度薄、资料信噪比低、甜点预测困难等问题,在沉积相精细划分、储层物性分析、成藏条件、测井信息约束下,应用地震相控反演精确反演弹性参数及流体敏感因子,预测山西组、太原组3号及15号煤层气"甜点"分布,在中部及北部划分出2个甜点区。预测结果表明,反演结果可较好地预测煤体发育特征,拉梅系数乘密度的煤层气指示因子能可靠预测煤层气甜点区,明显提高了深部煤层气"甜点区"预测精度。

三维地震勘探在干厚黄土浅煤层地区的应用

干厚黄土覆盖地区表浅层黄土结构疏松、无潜水位,对地震波吸收强烈,难以开展三维地震勘探,特别是在煤层埋深浅的干厚黄土覆盖丘陵地区。在河东煤田某矿区,经多次试验,采取“高叠加次数、小炮检距、单深井激发、组合接收”等采集技术措施,使用绿山初至折射静校正方法及浮动基准面叠加方法的资料处理技术,最终有效地压制了干扰,提高了信噪比,使反射波更加突出,成像效果明显。

OVT域处理技术在沁水盆地深部煤层气勘探中的应用

沁水盆地中东部煤层埋深大(大于1000m)、煤储层薄且煤层各向异性强,构造褶皱强烈、小构造及裂隙发育,煤体结构破碎等,为提高本区薄煤储层、小断裂、裂缝成像精度及满足岩性解释的需求,开展了宽方位三维地震勘探。为了充分发挥宽方位地震数据的优势,在处理中引入先进的OVT域处理技术,通过道集分选、OVT域五维插值、OVT域叠前时间偏移、方位各向异性校正等关键技术,获得了高分辨率、高保真度的地震数据;在解释中充分利用OVT处理形成的全方位和分方位地震数据。实现了深部含煤地层及其断层、陷落柱、挠曲等微小构造的精细刻画,提高了构造解释的精度及准确性,同时为叠前反演和各向异性研究提供了基础资料,为后期煤层气勘探开发部署提供了技术保障。

高精度三维地震勘探关键技术研究及应用

针对目前中西部三维地震勘探存在的主要问题,以晋城成庄和潞安五阳两个采区三维地震勘探项目为依托,进行了高精度三维地震勘探技术攻关研究,总结出一套适合中西部复杂地区的"高精度三维地震勘探技术",即:以合理得当的观测系统、行之有效的成孔工具、严密完善的质量保证体系为基础,采用高密度采集技术、层析反演静校正技术、叠前时间偏移技术和岩性反演解释技术来提高三维地震勘探的精度和准确率。其中高密度采集技术具有小采样间隔、高覆盖次数、宽方位角、均匀的炮检距道集等优点,在提高横向分辨率的同时,也有效提高其纵向分辨能力,有利于小断层、小陷落柱或其它小地质异常的识别及解释;层析反演静校正技术特别适用于山地复杂地表条件,是解决山地资料静校正的一种有效方法;叠前时间偏移技术适用于速度纵向发生变化,而横向速度变化不大的地区,能够实现真正的共—反射点叠加,具有较好的构造成像效果和保幅性;岩性反演解释技术是将连续观测的地震资料与具有高纵向分辨率的测井资料进行关联实行优势互补,提高三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度高。二个采区的的应用效果表明,上述技术极大提高了煤炭地质勘探的精度、准确率和解决地质问题的能力。

非常规气地震勘探采集技术——以沁水煤田中东部煤系为例

沁水煤田中东部位于沁水块坳的东部,地形起伏剧烈,地表岩性变化较大,浅地表不均匀性对煤层气、页岩气的地震勘探有效探测带来较大的影响,选择有效的激发、接收参数成为采集阶段的主要难点。文中提出采用微测井和折射相遇法相结合的方法,实现对浅表层结构的精细调查。即根据微测井数据,确定合理激发层位,保证药柱在基岩或者致密粘土层中激发;通过对激发、接收条件进行系统的试验,得出了针对不同激发岩性选用不同井深、药量、组合的激发参数;通过对试验数据分析,选择多个低频检波器最佳组合,建立高覆盖次数观测系统。采集成果证明,所选择的激发和接收参数较好地压制了面波、多次折射等干扰波,解决了山区、特别是黄土地区信噪比低的问题,为今后类似地区进行非常规天然气勘探开发提供了有益借鉴。

山区地震成孔工具研究

山西省煤炭地质物探测绘院在西部煤炭资源高精度三维地震勘探依托工程—晋城某矿三维地震项目的实施过程中,为了打穿浅层钙质结核层及富含卵砾石的厚坡积物地段,研制了带合金铲头的特制洛阳铲,并对引进的山地钻钻头进行了改进。特制洛阳铲,可快速穿透50cm厚的钙质结核层;改进后的山地钻,成功解决了厚坡积物地段塌孔下药难等成孔激发难题。实践证明,根据地表激发条件,配制合理的成孔工具,可有效保证其激发层位,提高地震资料的分辨率和信噪比。

三维地震及电法综合勘探在晋西北黄土区的应用

晋西北某矿井位于吕梁山黄土塬区,为年产500万t的特大型在建矿井,为查明首采区煤层赋存条件、地质构造情况、以及奥灰与主要含水层的富水性,对该区进行了三维地震及电法综合勘探。其中三维地震勘探查明了勘探区内4#、9#煤层的埋藏深度和起伏形态,解释断层18条,陷落柱4个,褶曲1条,煤层倾角大于15°的区段1处;运用瞬变电磁法结合直流电测深法查明K6、K5砂岩富水异常29处、4#、7#、9#煤顶板岩层富水异常51处,奥灰顶界面—100m富水异常18处。三维地震及电法的综合勘探,不仅解释了该区主要煤层的厚度变化趋势及基岩面和奥灰顶界面深度变化情况,还对落差大于5m断层、直径大于25m陷落柱、煤层、奥灰水以及主要含水层的富水情况、导通关系及相互间的水力联系进行了分析,其结论为解决矿井建设和开采中的地质难题,提供了可靠的地质信息。

时域电性源地空电磁系统在煤炭采空积水区勘查中的应用

为实现山区复杂地形条件下,对沁水盆地东南地区煤炭采空区及采空积水区的快速、精确勘查,采用时域电性源地空电磁法对上述区域进行地球物理勘查。时域地空电磁法采用地面发射空中接收的方式,在地面布设接地长导线源,利用大功率发射机向地下发射时域方波信号,在空中利用无人机搭载接收系统沿平行于发射源的预定航线进行飞行探测获取电磁信号和测点坐标信息,发射与接收的电磁数据通过GPS时钟进行同步。利用时域电性源地空电磁探测系统,采集到了信噪比高的电磁数据,同时开展了地空电磁基线校正方法、地空电磁噪声抑制方法及视电阻率成像方法的研究,进一步提升电磁数据的质量和成像分辨率。通过对时域电性源地空电磁数据和空间坐标信息进行处理获得反应测区地电信息时间的电性源地空电磁法视电阻率,结合已知地质信息进行解释,推断解释了煤炭采空区和采空积水区的空间分布特征。时域电性源地空电磁法在极大减少地面工作量的同时,兼顾了勘探深度,因此兼具航空电磁法快速高效和地面电磁法勘探深度大的特征。本次勘查表明:利用该系统开展地空电磁勘查,可以实现工作效率4~5倍的提升,且勘探效果与已知地质信息基本吻合,表明时域电性源地空电磁探测系统可以实现对煤炭采空区的快速、精确勘查。针对本次勘查的效果,可以预期时域电性源地空电磁探测系统将在复杂地形条件下的深部资源探测、环境、工程、灾害地质调查中发挥重要的作用。

高煤级储层煤层气成分及碳同位素特征

为研究我国高煤级储层中煤层气的成分特征及碳同位素特征,测试了27组沁水盆地井口煤层气样的煤层气成分和21组煤层井口气样的甲烷碳同位素值数据,收集整理了71组钻井解吸气、15组抽放煤层气成分数据及56组煤层气甲烷同位素数据,探讨了煤层气各成分与镜质组最大反射率(R_(max))、煤层气各成分之间及甲烷碳同位素值与镜质组反射率R_O之间的关系。结果表明,高煤级储层煤层气以甲烷为主要成分,其次为氮气和二氧化碳,重烃气体积分数最少;高煤级储层中,沁水盆地井口煤层气的甲烷体积分数随着R_(max)的增大呈缓慢增加的趋势;氮气的体积分数随着R_(max)的增加而略微减少;二氧化碳体积分数与R_(max)呈正相关关系;织纳煤田二氧化碳体积分数随着R_(max)的增加而略微增加;两地区煤层气的二氧化碳、氮气体积分数与甲烷体积分数总体呈负相关关系;随着R_(max)的增加,井口煤层气甲烷碳同位素值呈先增大后减小且分布范围逐渐变窄的规律,拐点处R_(max)约为3.2%。

鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相页岩气储层孔隙特征及影响因素

为了研究鄂尔多斯盆地石炭—二叠系海陆过渡相页岩气储层孔隙特征，选取页4井、页1井和DT803井海陆过渡相泥页岩样品进行了扫描电镜、低温液氮吸附实验以及相关的地球化学实验，分析了海陆过渡相页岩气储层的孔隙类型、特征及其影响因素。实验结果表明：研究区页岩孔隙以粒间孔和有机质孔最为发育；页岩孔形态以狭窄的平行板状为主，孔隙微观孔径分布范围为1~60nm，主孔径分布介于1~6nm和40~60nm，介孔为孔体积和比表面积的主要贡献者，但微孔对比表面积的贡献不容忽视；有机碳和黏土矿物含量是海陆过渡相页岩孔隙发育的主要影响因素，脆性矿物对孔隙发育影响不明显。

基于匹配追踪分解的流体活动因子预测煤层气甜点区

煤层气勘探与开发是我国非常规油气资源勘探的热点之一,近年来已取得了较多突破性进展,但煤层非均质性强,吸附态为主的煤层气识别困难,勘探开发风险大,因此在钻井资料较少及叠后地震资料未充分利用的情况下,充分利用地震资料的横向变化特征,精确刻画煤层气"甜点"区分布具有重要意义。常规叠后地震反演能够识别煤层,但无法预测煤层的含气性,而基于地震波衰减理论的流体活动因子能够有效表征储层的渗透性,识别含气煤储层。提出将流体活动因子与高精度匹配追踪算法相结合,充分发掘已有叠后地震数据信息,在高精度地震信号时频分解的基础上,建立含气煤层与地震波衰减的联系,求取流体活动性属性,实现高精度煤层气"甜点"识别。该方法忠实于地震数据,不受构造及层序解释的影响,能客观反映煤层的含气性。理论模型试算和在沁水盆地煤层气勘探中的实际应用证明了该方法的可行性及有效性。

斜拉杆对前开口井架前大腿稳定性的影响

在前开口井架前大腿的稳定计算理论中一直没有很好的解决井架横截面框架中斜拉杆的作用。应用变形能法推导了考虑斜拉杆作用后的弹性系数表达式，完善了该类井架的稳定计算公式，通过实例计算分析了斜拉杆对前开口井架前大腿稳定性的影响程度，指出了在前开口井架设计中可充分利用斜拉杆提高前大腿的稳定性，也可适当减小井架大腿的横截面积。

基于流体活动属性的高精度煤层气甜点区识别

基于常规叠后地震反演能够识别煤层,但无法预测煤层的含气性,利用地震波衰减理论的流体活动因子能够有效表征储层的含气性,识别含气煤储层,提出将流体活动因子与高精度匹配追踪算法相结合,在高精度地震信号时频分解的基础上,建立含气煤层与地震波衰减的联系,求取流体活动性属性,实现高精度煤层气甜点区识别。研究结果表明:匹配追踪方法相比于其他时频分析方法可克服窗函数的限制,能在时间域和频率域同时精细表征信号特征。流体活动属性与高精度时频分析相结合的流体检测方法能够提高流体识别的精度,预测结果与气测录井吻合,由数据驱动,结果与地震数据吻合,不受构造及层序解释的影响,能客观反映煤层的含气性。

数字煤矿建设的几个问题

针对数字煤矿建设过程中存在的一些具体问题,采用理论分析及理论与实践相结合的方法,分析了控制测量、矢量数据、信息系统等在应用中存在的问题,提出了建立地心坐标系必要,指出了矢量地图过程中应注意的问题,预示了数字煤矿信息系统的发展趋势。研究结果表明,数字煤矿是一项长期而艰巨的任务,需生产单位和矿方各相关部门密切配合,科学合理建设。研究结论突破了对传统的生产模式的认识,有助于新的空间技术和信息技术的应用,将会有效地推动我国数字煤矿的进程。