煤炭原位开发地质保障

“双碳”目标下,面对“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征,煤炭在一段时期内仍占据中国的主体能源地位,但煤炭的低碳、清洁开发转型势在必行。地下原位热解、气化、干馏、制氢等方式有望成为未来煤炭开发的重要抓手。当前对煤炭原位开发已有较多探索,但地质选址和开发过程的地质安全性、可靠性和环保性仍是制约其规模化和商业化的科学难题。因此,煤炭原位开发地质保障的理论和技术研究亟待深入。秉持“安全、经济、环保、可持续”原则,从煤炭资源禀赋特征和地质条件出发,分析了煤炭原位开发研究现状;基于煤炭开发全生命周期的科学理念,提出了“煤炭原位开发地质保障”的科学内涵;在查明采前地质条件的基础上,从物理机制角度揭示深部原位开发过程中围岩地质体响应特征和损害规律,阐明原位开发中岩体工程地质力学行为,构建原位开发地质条件动态评价模型,形成原位开发减损保障策略和方法,提出原位开发空间的再利用途径,并以煤炭地下气化和地下热解2种开发模式为例阐述了原位开发阶段性,明确了原位开发区设计的地质条件要素,强调开发过程中实时动态监测和评价围岩地质体响应保证开发区密封性与安全性,实现地质条件时空演化的评价及地质风险可控性,此外注重协同开发深部热能与共伴生资源,实现残余资源利用和地下空间再利用。煤炭原位地质保障研究体现了资源赋存条件、地质环境约束、原位开发技术、地质风险防控、资源协同开发等层面的要求,突出了原位扰动条件下的地质条件变化,强调开发扰动与地质体结构的整体研究,理解原位开发时空效应范畴的多相场耦合损伤机制,从多圈层角度揭示原位开发扰动效应下地质风险模式,破解资源开发与地质环境制约之间矛盾,对于推动未来煤炭低碳开发,实现煤炭工业高质量发展具有重要的理论和实践指导意义。

库车前陆冲断带构造分层变形特征

库车前陆冲断带地震资料信噪比低,具有多解性。利用高分辨率三维地震、钻井、油气分析化验等资料,对库车前陆冲断带地层组合进行系统描述,精细解释构造模型,深入剖析油气成藏体系,认为库车前陆冲断带发育古近系和新近系膏盐岩层及三叠系和侏罗系煤层2套滑脱层,具有分层滑脱、垂向叠置、多期变形的特征,浅层构造发育盖层滑脱褶皱,深层发育基底卷入式叠瓦状逆冲构造,膏盐岩层和煤层发生滑脱塑性变形,发育加里东运动期、海西运动晚期—印支运动期和燕山运动期—喜马拉雅运动期3期断裂,海西运动晚期—印支运动期构造控制中生界沉积,由北向南具有超覆减薄的特征。库车前陆冲断带分层构造变形控制油气分层运聚,煤层以上的油气主要来自侏罗系烃源岩,煤层之下的油气主要来自三叠系,三叠系烃源岩生烃量占60%,大量油气仍保存在煤层之下。

浅埋煤层地表隐蔽致灾因素普查技术

浅埋煤层地表各类隐蔽致灾因素制约着煤矿的安全、高效、绿色开采,如何快速、高效查明地表隐蔽致灾因素类型、种属性,并结合矿井生产分析其所处的状态及其致灾危险性,是需要首先解决的问题。以陕北侏罗纪煤田浅埋煤层新民矿区青龙寺煤矿为研究对象,通过卫星遥感、低空无人机、地面地质调查、地质测量、采样测试、综合分析等技术,快速查明地表隐蔽致灾因素时空分布,结合井下涌水量观测、导水裂缝带高度多手段探查、矿压大数据分析、采空区气体监测及分析、数值模拟、相似材料模拟等技术,综合研究地表隐蔽致灾因素与矿井水害、顶板、火灾等关系。结果表明,井田内地表隐蔽致灾因素种类有过深沟开采、薄基岩—风化基岩、地表露天采坑及其积水、露天采坑回填、煤层露头自然发火等,上述隐蔽致灾因素可诱发井下工作面冒顶、工作面过沟开采顶板切落—动载矿压显现、工作面过露天采坑积水及其回填区的溃水溃沙、露头隐蔽高温区的有毒有害气体涌入等矿井灾害。研究成果可以为煤矿各类隐蔽致灾因素调查、分析提供参考,为浅埋煤层地表隐蔽致灾因素精准治理与灾害防治提供依据。

深埋三软巷道围岩变形力学测试与支护设计材料优选

针对深埋三软巷道支护围岩稳定性控制的问题,以五举煤矿13207工作面两顺槽为背景进行研究。首先,依据现场地质条件调查与现场监测结果分析了巷道围岩岩性;其次,通过对巷道围岩进行取样并进行力学试验研究分析了巷道围岩力学性质,分析结果显示巷道顶板与两帮岩性较强,底板岩性较差,导致开采过程中易发生底鼓现象;第三通过力学试验研究,对巷道围岩支护进行设计,设计主要采用三种材料,分别为微膨胀高强注浆材料,前锚后注式高预紧力锚杆与全长粘固锚索,并在巷道内进行合理布设,支护效果良好,巷道未发生较大变形,但后期应加强对巷道支护效果的观测,以避免存在隐患。

余吾煤矿过向斜构造区煤巷稳定性研究

为研究深部多构造地层对巷道围岩稳定性的影响,以余吾煤矿S5203胶带顺槽为研究背景,在分析该煤矿围岩的特性以及破坏的规律后,通过对塑性区域的计算,从而得到控制巷道变形的方法。通过短锚杆对塑性区域进行缔结,使用长锚索对塑性区域与原岩进行固定,由此提出“长短联合分级支护”的支护理念。同时针对向斜地层,使用FLAC 3D模拟并结合工程实测,分析支护后巷道位于向斜轴部以及翼部的应力应变情况。结果表明,S5203胶带顺槽最佳巷道布置形式为布置于向斜翼部的顶板,支护选择“长短联合分级支护”方案,巷道最大顶板下沉值为49.5 mm,两帮最大偏移值为83 mm,该研究可为相似工程提供借鉴。

浅埋煤层工作面液压支架工作阻力的确定

陕北神木大砭窑矿5-2煤层埋深83 m,表土层厚度43.8 m,属于典型的浅埋煤层.本文采用最新开发的应力应变全程相似模拟技术,揭示了工作面顶板初次垮落步距为30 m,周期来压步距为20 m,充分采动距离为60 m.预计了工作面来压期间工作阻力为6300~7119 kN/架.最后,采用浅埋煤层"台阶岩梁"理论和工程类比方法,验证并确定了合理的支架支护阻力.

采动下卧煤层对深埋隧道结构稳定性的影响

通过3D有限元数值模拟,在分析某深埋隧道煤系地层隧道开挖、初期支护和二次支护动态施工过程的基础上,重点分析了下卧煤层(倾角α=35°,厚度h=2.8m)按全陷落法分段开采后隧道支护结构的位移、应力特征,得到了下卧煤层经济安全的禁采深度。为复杂地质条件下煤系地层隧道建设和合理开采矿产资源提供了科学依据。

深埋煤层开采的离心模型试验研究

以菏泽井田赵楼煤矿近千米深埋煤层首采区地质条件为依据,通过离心试验研究采动影响下,煤层顶板不同位置的应力变化规律,结果表明:(1)开切眼处煤柱处压力随煤层的采动不断变化,对其压力产生明显影响的是前方约35m煤层的开采,最大应力集中系数为2.04;开挖工作面前方10～15m煤层支承压力集中,最大应力集中系数为2.8。(2)直接顶处岩层压力随煤层的采动不断变化,在工作面处达到峰值,最大应力集中系数为1.74,工作面推过后,其压力下降后又有所回升,为上覆岩层重新压实所致。(3)老顶岩层压力亦随煤层开采不断变化,但其峰值出现在工作面推进后5～10m,最大应力集中系数高达3.91,在煤层开采过程中,要加强观察和支护,预防冲击地压等灾害的发生。(4)综合得出赵楼矿井老顶的初次断裂步距约为30m。试验结果可为煤炭深部开采条件下的岩层控制、合理的巷道布置、改善巷道支护和维护情况及冲击地压的预防提供依据。

浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放结构分析

为深入研究浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放结构特征,以主采3号煤层的榆阳地区千树塔煤矿作为研究背景,采用数值模拟、理论分析和现场实测等综合方法对坚硬顶煤冒放结构进行了研究,得出靠近工作面两端头位置坚硬顶煤容易形成"悬臂"结构。由悬臂顶煤内部应力解析和模拟得到顶煤不同的破断长度对其垮落放出有着重要影响,当其破断长度小于放煤口水平投影宽度时,垮落放出相对较为容易;当其破断长度大于放煤口水平投影宽度时,垮落放出较为困难,并且增加处理大块煤的时间,该结论解释了坚硬顶煤垮落放出困难的宏观结构因素。

沁水盆地南部深煤层孔隙结构特征

煤层气的勘探开发已逐步转向埋深大于1 000m的煤层,以沁水盆地南部为研究背景,采集浅部与深部煤样,进行压汞和低温氮吸附实验,对比孔隙结构特征.结果表明：从浅部到深部,煤层微小孔的体积稍增多,中孔和大孔的略减.当煤层埋深小于750m,压汞曲线类型以Ⅱ型为主,孔隙形态以Ⅰ类开放孔为主,孔隙结构配置较好.当煤层埋深为750~1 100m,压汞曲线类型包括Ⅱ型和Ⅲ型,孔隙形态以Ⅱ类一端封闭型为主,孔隙结构复杂,存在一个过渡带.当煤层埋深大于1 100m,压汞曲线类型以Ⅲ型为主,孔隙形态主要为Ⅰ类开放孔,含有部分Ⅱ类和Ⅲ类孔,气体储存空间减小,孔隙结构配置较差.地应力是影响孔隙结构的关键因素,随着埋深的增大,地应力的分带性导致孔隙结构由较好,变为复杂的过渡带,最后变为较差.深煤层的过渡带物性参数显示较为复杂的变化特征,为深部煤层气的开发提供参考依据.

巨厚冲积层薄基岩综放开采覆岩移动规律

巨厚冲积层薄基岩条件下,综放开采工作面经常出现异常来压,给顶板控制提出了较大的挑战。通过数值计算的方法,分析了600m厚冲积层、不同基岩厚度条件下的顶板变形破坏特征,得出基岩厚度小于120m时,覆岩可能出现全厚切落现象;揭示出巨厚冲积层在运动变形过程中具有整体性且难以形成稳定的强承载结构;现场实测出了工作面异常来压规律,证明了巨厚冲积层和薄基岩结构间的关系。该研究成果为类似条件下的综放面安全高效开采提供了借鉴。

薄基岩浅埋深长壁工作面覆岩结构运动特征

利用离散元数值模拟软件,分析了典型浅埋深长壁工作面围岩力学场分布特征和覆岩运动规律,研究了浅埋深长壁工作面覆岩结构形式及运动特征。研究得出浅埋深长壁采场开采后,围岩应力场中可形成"承压拱"结构,该结构具有承载作用,并具有连续性、稳定性和动态性特点。

中深埋厚煤层开采地下水位动态变化规律及形成机制

煤炭开采对风化基岩含水层和潜水含水层的影响是榆神矿区“保水采煤”研究的重点。为揭示榆神矿区风沙滩地区中深埋厚煤层开采条件下地下水动态变化规律和机理,以榆神矿区中部某矿首采工作面(01工作面)为研究区,采用钻探、地下水位观测、野外实地探查和综合分析等方法,研究了采动地下水动态变化规律及其与覆岩损害和地表下沉之间的耦合关系。结果表明:①风化基岩含水层水位随回采表现出“先下降后回升”并恢复至初始水位的动态变化过程,中间可分为“快速下降”、“回升恢复”和“稳定波动”3个阶段,平均持续时间为102 d。在水位快速下降阶段,水位最大降深、平均下降速率均呈正态分布,且与距工作面中心距离呈指数函数关系;水位回升恢复阶段,持续时间和平均回升速率与距工作面中心距离呈负相关关系;②当潜水含水层分布局限、侧向补给缺乏时,潜水含水层水位出现“先下降后回升”和“持续下降”至稳定2种动态变化规律,且均未恢复至初始水位;③面内风化基岩含水层水位动态变化过程与风化基岩层的剧烈下沉密切相关,风化基岩层下沉速度的增大和减小过程分别对应水位的下降和回升过程,水位下降则与其下沉、临时性裂隙和离层发育有关,水位回升则是下沉减缓、临时性裂隙和离层的闭合以及含水层侧向补给因素有关;面外风化基岩含水层水位的动态变化则与其侧向补给有关;④面内潜水位的动态变化过程与地表下沉密切相关,其水位下降与地表活跃阶段早期剧烈下沉具有同时性和一致性,地表下沉造成的潜水水头差和潜水的渗流出露是造成水位下降的主要原因;水位回升则是地表进入活跃阶段后期和衰退阶段,高位潜水侧向补给和大气降水补给造成的;面外潜水位持续下降则是潜水侧向渗流和补给不足造成的;⑤中深埋煤层开采条件下,导水裂隙带一般不会导通至风化基岩层,风化基岩含水层水和潜水含水层水不会因采动导水裂隙而漏失,风化基岩水位可恢复,潜水含水层水位会因采动地表移动发生变化。

陕西澄合矿区中深部4号煤层厚度变化原因

陕西渭北石炭二叠纪煤田澄合矿区4号煤层是区内主要可采煤层之一。通过对区内煤层厚度与其上覆煤系厚度、煤中灰分、硫分及煤层顶板岩性岩相等因素的相关性分析,结合4号煤层成煤期与聚煤期后环境分析,探讨了研究区及其周缘地区4号煤层厚度变化原因。结果显示:4号煤层厚度与上覆煤系厚度、煤中灰分及硫分均呈正相关关系,相关系数分别为0.810 1、0.430 9、0.813 6;该煤层发育于浅水型三角洲沉积体系的三角洲平原地带;煤层厚度变化受控于聚煤期同沉积构造和聚煤期后河流冲蚀作用的双重影响,前者使煤层厚度变化较小,后者对煤层厚度影响较大,甚至出现无煤带。

鄂东南延川南深煤层煤体结构与产气量关系分析

针对鄂尔多斯盆地东南缘延川南区块二叠系山西组2号煤层埋深大,煤储层为特低渗,压力系数和地温梯度低,煤层气上产缓慢的问题,通过对该区块大量基础资料开展深煤储层精细描述,基于建立的测井曲线定量划分煤体结构标准,结合部分探井岩心观察,将延川南气田山西组2号主力煤层煤体结构划分为原生结构煤、碎裂结构煤和碎粒结构煤3种。根据气田试采产量拟合不同煤体结构厚度发现,碎裂结构煤次生裂隙发育,渗透性好,单井产气量高,其中碎裂结构煤厚度大于1 m的次生裂隙发育区为最有利高产区,煤层产气效果好,可通过持续稳定排采实现面积降压,以达到提高单井产量的目的。

浅埋大采高煤层群开采覆岩结构及矿压特征分析

以神南矿区部分浅埋区域4-2和5-2两层大采高煤层开采为工程背景,通过物理相似模拟实验研究了上、下煤层重复采动时工作面覆岩的垮落特征及覆岩关键层结构,得出了浅埋煤层群起主要岩层控制的覆岩分别为直接顶关键层、下煤层有效关键层(组)、上煤层已扰动关键层,并分别对其结构特点进行分析。此外,还结合了该区域单一煤层及煤层群工作面矿压现场实测数据对比分析结果,总结出了较单一浅埋煤层开采,煤层群开采过程中周期来压步距相对较小,来压强度大的基本矿压特征,对该区域煤层的安全、高效回采具有重要的指导意义。

深埋特厚煤层采动应力特征及对邻近巷道影响研究

以陕西省小庄煤矿为研究背景,利用数值模拟与现场实测相结合的研究手段,分析了深埋特厚煤层采动影响范围以及对邻近巷道的影响,研究表明:深埋特厚煤层回采过程中工作面前方支承压力影响范围达到60m,在5～17m处出现应力增高区;工作面侧方支承压力在7～13m处出现应力增高区;受采动影响后邻近巷道塑性区呈不对称分布,靠近回采工作面一侧围岩破坏范围大于较远一侧围岩破坏范围。研究成果可为相似环境下巷道支护、煤层开采提供指导。

浅埋深长壁工作面覆岩结构及支架支护阻力研究

为了研究浅埋深长壁工作面上覆岩层所成结构形式,以典型浅埋深长壁工作面为背景,利用数值模拟和理论分析方法对浅埋深长壁工作面上覆岩层破坏特征进行研究,并对顶板所成结构形式进行了探讨,提出了浅埋深条件下支架工作阻力计算的新思路。研究结果表明在较快的推进速度下,浅埋深长壁工作面上覆岩层中仍然可以形成承载结构,此结构对工作面支架起到了保护作用,最后通过现场实测数据对所得结论进行了验证。对浅埋深长壁工作面顶板结构及支架支护强度确定提出了新的探索。

山地浅埋煤层工作面支架合理工作阻力研究

针对山地浅埋煤层开采过程中工作面出现的矿压显现强烈,支架被压死或支架尾梁与顶梁分离等现象,通过建立山地浅埋煤层基本顶初次垮落时岩块触矸前控制基本顶滑落失稳的结构力学模型对山地浅埋煤层开采工作面支架合理工作阻力进行了研究。研究表明:山地浅埋煤层开采过程中基本顶出现滑落失稳的可能性相对较大,且基本顶的初次破断具有不对称性,通过计算得出发耳井田1、3煤层山地浅埋煤层工作面液压支架工作阻力应大于5 773 kN。

深埋厚煤层孤岛煤柱开采冲击危险性评价与治理

对3106孤岛工作面采用综合指数法来评价冲击地压危险性。在对3106孤岛工作面动静载扰动因素进行分析基础上建立冲击地压发生的断裂力学模型,对回采巷道支护体系防冲能力进行分析,为3106工作面冲击地压防治提出可行的安全技术措施,对该矿孤岛工作面安全高效生产具有重要意义。