深、浅部煤层气地质条件差异性及其形成机制

深部煤层气资源丰富、开发前景广阔,但对其与浅部煤层气地质条件的内在联系研究尚不够深入。从煤层形成演化角度出发,以鄂尔多斯盆地上古生界煤层为例,总结了煤层深埋深藏型、深埋浅藏型及浅埋浅藏型3种埋深演化模式。系统分析了深部和浅部煤层在温压条件与含气性、地应力与渗透率特征、变质程度与含水性等方面的差异性及其形成机制。研究指出,受埋深与演化过程影响,深部和浅部煤储层温度最多相差100℃以上,储层压力最大相差40 MPa左右,导致由浅部向深部,气体赋存状态以吸附气为主转变为吸附气与游离气共存,地应力场由水平应力主导转化为垂向应力主导,煤储层孔隙率、渗透率及含水性逐渐降低。明确了深部煤层气的典型特点,即:在高温高压条件下,以吸附态和游离态共存于一定深度以下煤储层中的甲烷气体,该类煤储层在垂向应力为主导的作用下,孔裂隙空间极度压缩,含水极少且矿化度极高,内生微裂隙为主要渗流通道。基于含气性临界深度和地应力场转换深度的不一致性,指出浅部向深部煤层演化过程中存在过渡区,该区内呈现出非典型深部煤层气的特点,或深部煤层气和浅部煤层气地质条件共存的情况,在勘探开发过程中,应具体分析,制定针对性开发方案,以实现浅部与深部煤层气的高效协同开发。

高速铁路大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究

郑州-西安铁路客运专线穿越西部黄土分布的主要地区,该线含大量单洞双线隧道,其开挖面积大于160m2,跨度大于15m,属于超大断面隧道。由于黄土的特殊性质以及开挖跨度与断面的增大,隧道围岩压力随埋深的变化尚不清楚,目前对该类型隧道的深、浅埋分界深度界定认识不统一。通过郑西线12座隧道地表裂缝与埋深关系的现场调查,初步确定了大断面黄土隧道的深、浅埋分界范围,指出小于11m可作为超浅埋,40～60m为浅埋与深埋分界深度,大于60m为深埋;基于裂缝调查,按剪切滑移破坏极限状态理论对以上分界范围进行了理论分析与验证;精心设计现场试验,在浅、深埋等地段布置17个量测断面进行围岩-初期支护间接触压力的量测,发现实测围岩压力与界定的深浅埋计算结果吻合良好,表明所给深、浅埋界定范围正确。

大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究

为了确定大断面黄土隧道深浅埋分界深度,结合郑州-西安高速铁路客运专线多条黄土隧道实际调查数据,通过对现有隧道深浅埋划分方法的分析,提出基于谢家烋公式的隧道深浅埋划分方法,当谢家烋公式松动压力出现极大值时对应埋深为深浅埋分界深度。通过对隧道实际破裂角β与计算破裂角β的比较,对公式中关键参数取值进行了分析。结果表明:(1)采用现有方法的大断面黄土隧道深浅埋划分深度介于1.2~5.6倍洞跨,分界深度区别较大;(2)谢家烋公式中摩擦角θ应取规范规定范围的下限值,此时隧道实际破裂角β与计算破裂角β较为接近;(3)老黄土隧道分界深度为37~50m,为2.5~3.4倍的洞跨,新黄土隧道分界深度为54~62m,为3.6~4.2倍的洞跨。

隧道深浅埋限界定量划分方法研究

隧道深浅埋限界的准确性直接影响隧道设计作用荷载的确定,是隧道设计最基础的环节。目前隧道设计中深浅埋判定主要依据经验值,与实际工程有一定的出入。文章通过有限元数值模拟计算,得出地表沉降和拱顶上方围岩竖向应力影响系数随隧道埋深的变化规律,分别提出了地表沉降变化法和围岩应力变化法两种深浅埋限界定量判别方法。研究表明:地表沉降变化法得出的深浅埋限界值与相关规范计算结果相差很大,不宜采用;围岩应力变化法得到的深浅埋界值与相关规范的推荐值基本吻合,且能得出定量结果,可作为隧道深浅埋定量划分方法。

煤炭深部开采界定及采动响应分析

科学界定深部是深部开采理论发展与技术实践的重要问题,探讨适于我国煤炭现代开采实践的深部开采界定方法具有重要意义。为此,综合考虑我国煤矿矿区深部岩石、地下水环境和现代开采方式,将区域应力场与采动应力场分析相结合,基于我国地壳浅部、煤矿矿区深部准静水应力状态分析,进一步研究我国煤矿矿区的深部界定、基于不同矿区煤岩状态(岩性及组合、含水性等)差异的相对深部界定和开采时动态深部区确定方法。研究表明,原岩初始状态和开采方式共同决定了采动力学状态及变化规律和其他伴生状态变化。基于深部与浅部的力学状态差异,将深部开采界定为在高地应力环境且具有采动非线性力学响应的煤岩体空间实施的采矿活动;依据我国煤矿矿区应力场统计变化规律和准静水应力状态分析,采用平均侧压系数Kav(即:水平最大主应力和最小主应力的平均值与垂直应力之比)确定煤矿矿区深部临界深度,结合我国中东部深部开采实践确定的参考深部临界深度Hm为850~900m;基于不同矿区原岩差异性(岩性及组合、含水性等),建立了不同初始状态时实际深部临界深度Hs(简称为视临界深度)与Hm比较模型,分析发现采动煤层覆岩越软和含水性越强,其深部临界深度越浅(或“趋浅”),降低幅度可达30%~50%;基于开采“应力拱”现象构建了深部采动应力状态Kav模型和Hs计算方法,采动响应分析表明:开采工作面切眼外侧及采场前端局部Hs呈变浅→变深→正常的变化特征(或“端部效应”),工作面中部区域呈变浅趋势(或“趋浅”),采高越大其Hs“趋浅”效应越显著,而随工作面推进距离增加端部效应变小;东、中、西部典型矿区Hs与Hm比较表明:东部矿区Hs偏深,中部矿区深度相近,西部(陕、蒙等)地下水丰富的矿区偏浅,在500~600m即可达到实际深部临界深度,采深400~500m时大采高工作面两端外侧局部也可显现深部力学状态。研究基于我国深部岩石力学研究成果和开采条件及现代开采方式,探讨提出的深部界定方法和结果,与已有深部开采理论研究与实践成果比较证实,该方法具有理论合理性和结果可靠性。

建筑基础的分析探讨

基础是建筑的根基,只有牢固的基础才能有稳定的上部结构。建筑基础按基础的埋深可分为深基础和浅基础。深基础与浅基础最大的差别在于埋置深度不同,在设计和施工中有较大区别。

深部煤层气成藏条件特殊性及其临界深度探讨

深煤层概念及其评价指标的科学界定,是推动深部煤层气基础理论研究的基础。基于对地应力、含气性、储层物性及岩石力学性质等随煤层埋深变化特征的分析结果显示:相对浅部,深部煤孔隙结构变化小,中孔—微孔比例趋于均一;煤层含气量与埋深之间存在一个"临界深度",超过此埋深之后含气量随埋深进一步增大而趋于降低;渗透率的常用对数与埋深呈线性负相关关系,暗示深部煤储层趋于致密化;深部围压正效应和温度负效应强弱相互转换,煤岩弹性模量随着埋深增加存在"拐点"。构建了基于地应力、饱和含气量、渗透率等深煤层界定指标体系。以沁水盆地为例,将该盆地深煤层界定在750m以深。即在此深度以深,煤层气成藏特征开始发生转换,其开发须针对储层特性变化采取相应的措施。

海底管廊围岩压力计算方法与结构安全性分析

对于复杂地质条件下的城市地下综合管廊,研究其设计阶段的围岩压力计算和施工阶段的结构安全性显得至关重要。本文依托厦门翔安机场地下综合管廊跨海段工程,采用理论推导、数值模拟和现场实测等方法对管廊结构设计阶段的围岩压力计算与施工阶段的结构安全性展开研究,得到如下结论:(1)采用谢家烋法理论推导确定了厦门海底管廊深浅埋的临界深度为13 m,并设计建立海底管廊的荷载结构模型,分析顶进过程中围岩压力;(2)采用数值模拟对管廊结构设计安全性进行检算,计算结果均满足规范给定的抗压抗拉安全系数要求;(3)采用现场实测和数值模拟对海底管廊施工期结构安全性进行研究,其两者安全系数计算结果均满足规范要求且变化规律一致,表明采用顶进法施工能够保障海底管廊结构安全性。研究成果可为类似管廊结构设计及施工提供借鉴。