奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制PFC数值分析

超前区域注浆是煤层底板灰岩水害防治的有效手段,而注浆工程中的劈裂注浆过程是决定注浆效果的关键环节,但由于对受注灰岩地层裂隙起裂机制认识不清,致使劈裂注浆过程中注浆压力、浆液水灰比等参数缺少有效控制,难以保证注浆效果。针对上述问题,利用颗粒元(Particle Flow Code,PFC)数值模拟软件,考虑浆液水灰比、地应力水平、弱面和裂隙的倾角和宽度等因素,开展奥陶系灰岩顶部劈裂注浆数值模拟计算。结果表明:在弱面和裂隙条件下起裂压力均随浆液水灰比(1∶1、2∶1、3∶1)的增大而减小,随最大主应力与最小主应力差值(9、12、15 MPa)的减小而增大,随弱面或裂隙宽度(3、8、15 mm)及其与最大主应力夹角(30°、60°、90°)的增大而减小;起裂裂隙沿平行于最大主应力方向延展;起裂压力值随弱面与基质强度比(0.30、0.03)的减小而减小,当弱面强度较高时,起裂压力大于裂隙条件下的起裂压力,而且沿着基质起裂;当注浆孔置于弱面两端或裂隙中间时,起裂裂隙沿弱面或裂隙的两端起裂,当注浆孔置于弱面中间位置时,起裂裂隙沿中间位置的基质起裂。研究结果有助于底板水害超前区域改造劈裂注浆的有效控制,指导注浆参数的选取,为解放深部煤炭资源提供技术支撑。

多方法联合在奥灰顶界面异常区识别中的应用

晋西北某煤矿位于黄土梁和冲沟分布的复杂黄土剥蚀区,表浅层地震地震条件复杂,且黄土层对地震反射波的高频信息有较强的吸收衰减作用。矿井二采区经地面三维地震勘探发现区内在奥灰顶界面存在地震反射波异常区,在煤层开采过程中,巷道钻遇异常区Y10,异常区内煤层破碎且切眼出现突水现象。综合三维地震、瞬变电磁法和巷道资料,研究认为异常区Y10为地震异常区内发育的陷落柱,提高了解释精度,效果突出。

鄂尔多斯盆地奥陶系顶面演化与岩溶储层

鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩的风化淋滤带与油气运聚关系密切,古岩溶孔洞是其主要储层。为此,通过恢复鄂尔多斯盆地奥陶纪古构造、风化裸露期古地貌及奥陶系顶面在二叠纪本溪期、太原期、山西期、石盒子期、石千峰期的起伏形态,分析了奥陶系岩溶储层的演化过程。奥陶纪“三隆两鞍一坳陷”的古构造格局控制了沉积相带的展布,是岩溶储层发育的基础;风化裸露期岩溶古地貌格局有利于岩溶储层的进一步发育;奥陶系顶面在本溪期一早中三叠世的起伏形态决定了岩溶储层的后期改造,其在沉积演化过程中,始终处于中部高、东西低的构造格局。分析认为:东部坳陷与中部隆起之间的斜坡带为岩溶储层展布的有利区域,是下古生界油气勘探的重点;东部坳陷中的岩溶残丘为岩溶储层发育的次级有利区,存在较大的勘探潜力。

鄂尔多斯盆地奥陶系侵蚀沟谷及顶面形态识别

目的鄂尔多斯盆地下古生界奥陶系风化壳侵蚀沟谷及顶面起伏形态识别。方法综合分析储层地质及地震波形特征,有效识别奥陶系风化壳侵蚀沟谷,利用基于沉积模型的地震反演处理和精细解释方法,高精度识别奥陶系风化壳顶面起伏形态。结果ZB区奥陶系风化壳侵蚀沟谷及顶面起伏形态的识别解释结果与地质综合研究成果基本吻合;开发井的预测结果与实际钻井结果符合程度高,并取得了良好的应用效果。结论奥陶系风化壳侵蚀沟谷和顶面起伏形态的有效识别为马五1+2(O1m51+2)地层厚度、储层物性及含气性预测提供了可靠保证,为气田开发部署和井位优选提供了决策依据。

新驿煤田奥灰顶部相对隔水性及底板突水危险性评价

为探索华北石炭二叠纪煤炭资源,特别是大量受奥灰水威胁的"下组"煤的安全开采问题,根据"奥陶系顶部存在隔水层并可作为隔水关键层"的观点,通过对新驿煤田奥灰顶部岩性、裂隙岩溶充填情况及钻探漏水、测井出水段等各方面的综合研究措施,论证奥灰顶部相对隔水性。在此基础上,分析并评价煤层底板阻水能力的主要影响因素,并对影响下组煤开采的底板奥灰突水危险性进行分区评价。研究结果为新驿煤矿区下组煤开采的防治水工作提供了参考。将奥陶系顶部相对隔水层作为整个煤层底板隔水层的一部分进行底板突水危险性评价,可以使评价结果更准确。

鄂尔多斯盆地中部气田剥蚀脊与沟槽

鄂尔多斯盆地中部气田位于稳定克拉通中央古隆起东部,是与奥陶系海相碳酸盐岩有关的风化壳型气田。由于古岩溶作用明显,风化壳顶面具有显著的岩溶地貌特征,形成了独特的沟台并存格局。前人对这一地区地貌研究中,在气田东部和西部划分出多条树枝状沟槽,并认为它们成因相同。通过最新资料研究,认为二者特征差异明显:西部为剥蚀脊,是古中央隆起带向古海盆由面状剥蚀到脊状延伸部分,其奥陶系上部地层缺失是风力作用和化学溶蚀、淋滤作用造成的;东部为沟槽,奥陶系上部地层因线状流水侵蚀和溶蚀作用缺失。

东滩煤矿奥陶系顶部相对隔水层厚度划分

为了给下组煤层的安全开采提供理论指导,在华北地层奥陶系顶部存在隔水层的理论基础上,对东滩煤矿奥陶系顶部岩层的隔水性进行论证分析。利用揭露奥灰的地质钻探资料和地质水文试验以及钻孔测井等手段,分析奥陶系顶部结构特征和岩溶裂隙发育情况,结合奥灰含水层井下放水试验过程中的钻孔出水量,并借助测井资料的反复对比、验证,从而确定奥灰顶部隔水层的厚度。研究结果对于东滩煤矿高水压下的下组煤开采有借鉴意义,能够更加准确地评价奥灰底板突水危险性,为下组煤开采的防治水工作提供参考。

深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向

煤矿区深部含水层具有大埋深、高水压等特点,是深部煤层开采水害防范的主要对象。在分析深部矿井水害特征基础上,探讨了深部矿井地应力对裂隙水介质的力学作用机制,阐述了深部矿井裂隙水介质呈现“高承压、弱富水”的力学原因;基于古岩溶成因演化理论,结合水文地质勘探和野外调查,分析探讨了华北型煤田奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”的岩溶充填结构特征,并将奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”划分为“隔水充填带、弱隔(透)水充填带、富(透)水带”3种岩溶充填结构类型,给出了各类型确定的关键指标和阈值,明确了奥陶纪灰岩顶部存在隔水层的理论依据。将深部矿井煤层开采底板突水划分为“完整底板突水模式”和“集中破碎带底板突水模式”,分析了深部煤层开采底板含水层高水压作用下沿用传统的突水系数法( T s 法)评价底板突水危险性的局限性,引入隔水层厚度( M )和含水层钻孔单位涌水量( q )2个指标,结合突水实例分析,提出了“修正的突水系数法”( T s -M-q 法,适用于完整底板突水模式);在实验和实例分析基础上,提出“渗-流转换”突水评价法(适用于集中破碎带底板突水模式)。最后,基于深部矿井水害特征及突水模式,结合深部含水介质赋存、构造发育特征和地应力场方向,阐述了深部矿井水害精准查治一体化勘探关键技术。

奥灰顶部含水层注浆改造浆液扩散主要影响因素试验研究

为探究浆液黏度、溶蚀裂隙及岩溶孔洞对注浆改造过程中浆液在奥陶系顶部灰岩裂隙含水层中扩散、充填影响规律,自行研制一套可考虑裂隙分布、动承压水和注浆工艺因素的裂隙岩体动水注浆改造模型实验台。利用该装置模拟了3种黏度浆液在4类含岩溶裂隙、孔洞分布条件下的承压含水层中的扩散过程,总结了浆液扩散及充填规律;结合数值计算得到了11组注浆实验充填过程中应力分布及变化规律;最后通过超声波探测,分析了不同条件下浆液改造后岩体弹模变化规律。结果表明:①均布裂隙中浆液扩散形态接近“∩”形,考虑不同条件作用后的浆液扩散形态呈现出非标准圆弧形;含有岩溶优势裂隙的浆液扩散形态呈现“Λ”形,裂隙开度越大,“Λ”形顶角越小;含岩溶孔洞的裂隙区浆液扩散形态出现“M”形,存在“︹”形的过渡形态。②注浆改造后的裂隙岩体具有分区特性,可将其分为完全充填(FF)、部分充填(PF)、裂隙二次发育(DeF)和原岩裂隙(OF)4个区域;极差结果显示裂隙开度对S_(FF)影响最大,浆液黏度对S PF影响最大;③溶蚀裂隙和岩溶孔洞经注浆改造后弹性模量明显增强,裂隙中的浆液压力分布呈现非线性递减,且裂隙岩体基质受到的应力大小和作用时间影响与改造后岩体动弹模成正比。

四川盆地东南缘海相页岩气保存条件及其主控因素

中国南方构造运动复杂，海相泥页岩热演化程度高，保存条件的好坏是该区页岩气能否富集高产的关键因素。为此，根据近年来四川盆地东南缘志留系页岩气的勘探实践，分析了页岩气与常规气在保存条件上的差异性：优越的顶底板条件是页岩气保存的基础；页岩气具有的自封闭性和纵、横向渗透率2～8倍的差异性，决定了侧向扩散是页岩气的基本散失通道，下寒武统底部的不整合面使其保存条件变差，断层的切割会加速页岩气的散失。同时分析了该区页岩气保存条件的主控因素及判别指标，研究认为：①构造改造强度是页岩气层保存条件的主控因素，构造样式宽缓、盖层连续、有背斜背景的构造更有利于页岩气的富集，而抬升时间较晚的封闭演化环境则有利于页岩气的保存；②在断层不发育或断层封闭性较好或断层封挡的断下盘区域、相对远离露头区或地层缺失带，页岩气能较为有效的被保存；③压力系数是保存条件的综合判别指标，该区地层的压力系数与页岩气的产量呈对数正相关关系，储层高压一超高压是页岩气保存条件好的表征；④川东南地区盆内区域，除邻近剥蚀区和地层缺失线的区域外，上奥陶统五峰组一下志留统龙马溪组压力系数总体高（最高达2．25），保存条件较好，而向盆缘和盆外方向压力系数逐渐降低，保存条件变差。

铁新煤矿奥陶系顶界古风化壳的水文地质意义

铁新煤矿属典型的华北型煤田,下伏中奥陶统灰岩含水层岩溶裂隙较发育,岩溶地下水补、蓄条件良好,富水性较强,且承压水头较高。全井田均属带压开采。奥陶系顶界古风化壳的存在增加了煤层与含水层之间隔水层厚度,同时由于古风化壳的存在,可认为原始导升高度和矿压导升高度为零,这二者对于煤矿带压开采有重要的水文地质意义。

大型断层下盘奥灰顶段及断层带注浆加固技术

根据大型断层下盘奥灰顶段距上部巷道实际隔水层厚度为16m,仅比安全隔水层厚度大3.6m的情况,提出了提前对断层下盘奥灰顶段及断层带进行注浆加固改造,将奥灰顶段15m(垂距)改造为隔水层,增加巷道底板安全隔水层厚度,注浆加固结果表明成功的避免了巷道可能发生的突水事故,保证了附近工作面回采安全,确保了大型断层上部巷道能够长期使用,取得了显著的安全和经济效益,这种方法有较高的实用性,以较小的投入达到了巷道继续使用的目的,对于其他矿井进行类似的工作,提供了良好的依据。

高精度重力测量在河南某铝土矿区调查评价中的应用

豫某铝土矿勘查中重力异常显示,区域重力异常反映深部奥陶系顶面呈自西向东缓斜坡状起伏分布;对浅表干扰异常,通过上延过滤后,可以发现奥陶系顶界面的隆、凹起伏分布特征;虽铝土矿密度大于奥陶系灰岩密度,有较大密度差,但由于评价区似层状铝土矿厚度薄,斗状铝土矿虽厚度大,但体积小,重力异常不能直接反映铝土矿。含铝岩系厚度与铝土矿厚度总体上成正比,因此寻找厚大含铝岩系分布区可间接起到找矿的作用。比较含铝岩系密度值与奥陶系灰岩密度值可知,含铝岩系与奥陶系地层有一定的密度差,奥陶系灰岩密度相对较大,因此,局部重力高异常对应奥陶系隆起;对比己知见铝土矿钻井资料和上延后重力异常分布关系,发现铝土矿床大多分布在局部重力高异常以外的区域;通过上述分析,圈定了2个铝土矿找矿靶区,从而对铝土矿的调查评价有重要指导作用。

AHP法在确定奥灰顶部阻水能力影响因素权值中的应用研究

随着煤矿资源的不断采掘,深部开采已成为必然,但面临的最大问题就是深部奥灰含水层对开采的威胁。很多研究已表明奥陶系灰岩顶部存在一层具有相对隔水性能的岩层,对于影响其阻水能力的因素也进行广泛深入的研究,但对于影响因素之间的重要程度往往都是定性分析,用数据的定量分析比较少。通过对层次分析法(AHP法)的研究,发现它可以将复杂的多因素影响问题转化为明确的数值定量分析问题。因此通过研究以前的相关资料和矿区资料构建了奥灰顶部阻水能力模型,将其与AHP层次分析法相结合把影响阻水能力的因素的权值计算出来,该权值可为定量研究奥灰顶部阻水能力提供基础资料。

特厚煤层综放开采底板破坏及阻隔水性能分析

唐家会煤矿主采煤层为6煤煤层,均厚17.2m,距奥灰含水层33.5~69.60m,采用综合机械化放顶煤开采煤。由于特厚煤层采动底板破坏深度大,为确保开采安全,进行了采前水文地质补勘和底板岩层阻隔水性能、水理性质以及采动破坏深度探测试验研究。结果表明:饱和抗压强度偏低,岩石干抗压强度较高;底板30m范围内,岩石石英含量较高,呈脆性破坏特征,渗透性能强,自身隔水性能差;与奥灰含水层接触铝土泥岩,厚度均大于5m,分布稳定,含粘量较高,垂向渗透能力弱,原始导升低;特厚煤层综放采动底板破坏深度26.30~26.80m;破坏深度以下距奥灰顶部岩层粘土矿物含量高;隔水性能与再生隔水能力强,渗透性能弱,吸水后体积膨胀;受采动影响后,具有阻隔奥灰水突涌和抑制底板破坏深度向下延展的双重作用,突水系数0.025~0.044MPa/m;根据以上研究结果,成功进行了61101、61103等综放面带压高效试采,经济效益非常显著。

奥灰顶部注浆改造深度计算公式推导及应用

在奥灰顶板注浆可行性分析基础上,从突水系数公式出发,推导出奥灰顶部注浆改造深度公式,并分别分析肥城矿区受水威胁的7、8、9、10煤层,得出7煤主要采取五灰注浆改造和疏水降压开采措施;8、9、10层煤根据标高分3个层次进行注浆改造。通过肥城矿区下组煤奥灰顶部注浆改造实例,证明本公式对奥灰顶板注浆起到了指导性作用。

邯邢矿区中奥灰顶部空隙特征显微CT分析

利用X射线三维显微镜(显微CT)技术对邯邢矿区底板区域改造地层中奥陶系灰岩顶部岩样进行扫描分析,得到岩样的三维数据体,直观反映了岩样内部真实的空隙结构,并基于三维可视化处理软件AVIZO对数据进行了处理和分析,定量分析了空隙发育特征和几何参数。研究结果表明:邯邢矿区中奥灰顶部岩芯空隙发育特征垂向差异明显,局部较为发育部分表现出良好的垂向连通性,且面空隙率集中在0.40%~5.12%和6.8%~15.28%,不发育部分稳定在0.10%以下;不同煤矿中奥灰顶部岩芯空隙的峰值宽度差异明显,但稳定范围差异较小;孔隙数量以等效直径在200μm以下的为主,体积占比以等效直径在2000μm以上的为主;裂隙中闭合裂隙和微张裂隙数量占比最大,宽度均值分别稳定在120μm和420μm,且中张裂隙和宽张裂隙数量占比相对较少,但在岩样具有较好延展性。研究结果有利于中奥灰顶部超前区域注浆改造参数和工艺优化。