深地科学与深地工程技术探索与思考

21世纪的深地科学进入了新的发展阶段,深地科学规律尚未探明,深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性,地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。因此首先从地球科学的视角定义了深地科学:以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象,旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度(深层和超深层)科学奥秘;理清了深地科学与地球科学的区别与联系:即深地科学是在已知地球科学知识体系上的延伸,是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向,包含于地球科学;定义了深部与深地工程科学的本质:即针对现有浅部工程的科学规律与技术无法适用于深部工程的难点,探索深部工程相关科学规律,突破深部工程关键基础科学问题,匹配人类在深部工程活动中的地灾防控需求,进而指导深部资源安全高效绿色开发、深部工程空间有效利用。提出深地工程技术定义,即指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备,为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。最后,进一步明确了深地科学的研究内容与规划,以及深地工程技术内涵与攻关方向(即深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深地隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维),以期促进深地科学领域的发展。

深部煤层原位保压保瓦斯取心技术装备及初步应用

深部煤层瓦斯含量精准测定是矿井瓦斯灾害防治和煤层气高效开发利用的基本前提。煤层传统取心技术普遍采用开放式取心,需利用估算方法获得煤层取心过程中的瓦斯损失量,难以保证煤层瓦斯原位参数的准确性和有效性。基于“原位保真取心”学术思想,开发了深部煤层原位保压保瓦斯取心技术,研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取心器,并基于三维数值仿真对取心器外管、保压舱体结构与关键薄弱部件进行了强度校核。同时,依托自主研发的保压取心实验室模拟测试平台,测定并分析了保压控制器的保压能力,通过煤矿现场试验验证了取心器的可靠性。研究结果表明:自主研制的取心器具有保压能力强、保压时间长、防扰动性能稳定等优势;取心器在内部流体压力20 MPa和1000 N m扭矩作用下等效应力为121.1 MPa,远小于材料屈服强度,满足强度设计要求;取心器在20 MPa荷载作用下等效应力为63.9 MPa,满足强度设计要求;取心器整体在19.4 MPa压力条件内可持续稳定运行,可以满足大部分深部煤矿瓦斯测试需求;现场测试表明保压保瓦斯取心器的保压控制器闭合情况良好,现场取心率达100%。研究成果可为深部煤层瓦斯含量精准测定奠定理论、技术和装备基础,对于煤矿瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发具有重要意义。

深部原位应力环境下岩心饼化响应特征及反馈机制初探

地应力数据是一切深部工程的基础,传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范,理论多是建立在诸多假设基础上,准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征,且不同应力环境产生的饼化形貌各异,通过岩心饼化反演地应力有望作为一种科学经济、方便快捷的地应力推算方法。试图通过探究深部原位应力条件下岩心饼化行为的力学机制,定义二维条件下的饼化烈度系数,以期实现基于岩心饼化特征计算原位地应力。以松辽盆地松科二井不同深度饼化岩心为研究对象,利用三维数据形貌采集系统获得了饼化岩心的宏观形貌,采用X射线衍射和岩相薄片等测试手段,分析得到了饼化岩心的矿物成分和微观结构;同时,基于离散元分析了不同应力条件下岩心的饼化行为力学机制。结果表明:松科二井饼化岩心形貌特征可分为破碎状、薄饼状、厚饼状、不规则状、半饼化状5类,端面断口形态包括错台状、平面状、灯盏状和花瓣状;岩饼的形貌特征与其埋藏深度、硬质矿物含量和破坏模式有较强的关联性;岩心饼化行为主要受到张拉应力控制,其裂隙起裂一般起始于岩心根部,由外向内向下呈凹陷状或平面状贯通岩心。水平主应力是影响岩心饼化行为的第一要素,高水平主应力能够诱发剧凹状的岩心断口和较宽的带状拉裂纹,垂直主应力是影响岩心饼化的次要因素,一般会抑制饼化行为的发生;钻进过程中岩心饼化行为的发生伴随着能量的规律性变化,其中总应变能呈阶梯状下降,耗散能呈对应的阶梯状上升,且总应变能的瞬时释放是造成岩心饼化的主要原因。研究成果有望为岩心饼化反演地应力提供新思路和有益借鉴。

深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展

煤层原位瓦斯压力与瓦斯含量是深部煤矿安全生产与煤层气资源精准评估的关键参数。针对深部煤层原位瓦斯含量精准测定的技术难题,提出了原位保压取心与原位瓦斯含量和压力测试的全新原理,推导并建立了煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法。根据矿井深部原位应力环境特点与多向取心工程需求,分别自主研发了重力式、弹力式和磁力式保压控制器,可实现任意角度保真取心。自主研制了集低扰动保压取心与样品含气量一体化测试技术与装备,可实现与保压取心器对接并解锁的原位样品转移、破碎与测试,解决了原位取心、样品转移过程中瓦斯量损失问题,大大提高了瓦斯含量测定的准确性,为精准测定深部煤层原位瓦斯压力及瓦斯含量提供了理论和技术支撑,以期降低瓦斯事故,提高高突矿井安全开采效率。

基于保压取心的深部煤层原位压力计算原理及方法初探

准确获取煤层原位瓦斯压力是防治瓦斯灾害的关键环节,现阶段仍需探寻测量准确、经济投入小、测定周期短的瓦斯压力测定手段。基于深部煤层原位保压取心原理技术,提出了深部煤层原位瓦斯压力计算方法并形成其测定流程,构建了保压空间内瓦斯压力演化数值模型,对比理论与数值模拟结果验证方法的可靠性,进一步探究煤层不同原位瓦斯压力下保压空间内瓦斯压力演化规律。结果表明:保压空间中瓦斯压力示数并非煤层原位瓦斯压力,当保压空间中压力示数为0.3 MPa时,煤层原位瓦斯压力约0.38 MPa;保压空间中瓦斯压力平衡值越大,原位状态游离瓦斯占比越大,平衡后游离瓦斯质量占比也越大;随着保压空间中瓦斯由原位状态向新平衡态转换,游离瓦斯质量占比逐渐增加,吸附态瓦斯质量占比则相应减小;保压空间内瓦斯压力演化规律分为3个阶段,自取心完成后分别经历瓦斯压力快速增加、缓慢增加以及最终平衡阶段;基质内吸附态瓦斯压力缓慢衰减,游离态瓦斯压力快速衰减,保压空间内瓦斯压力先快速增加后趋于稳定最终达到压力平衡;煤心渗透率越大,保压空间中瓦斯压力达到平衡所需时间越短,但其保压空间中瓦斯压力最终平衡压力与煤心渗透率无关。

直接剪切下页岩的各向异性破坏特征和强度预测模型

了解页岩剪切破坏特性对页岩气储层改造和井壁稳定性控制具有重要意义。然而,由于页岩本身的各向异性属性,页岩的剪切破坏行为复杂。本文对6种不同层理倾角(0°、30°、60°、90°、120°和150°)的立方体页岩进行了系统的直接剪切破坏测试,详细分析了在层理弱面影响下页岩的剪切应力–剪切位移、抗剪强度、剪切模量和破坏模式的各向异性特征。结果表明:页岩的剪切破坏表现为典型的非线性渐进破坏特征;页岩平均抗剪强度和剪切模量随层理倾角的增加均呈现“M”型变化趋势;在90°~180°的层理倾角区间,平均抗剪强度的极值差明显大于0°~90°区间,而剪切模量近似关于90°呈对称变化;当层理倾角从0°变化到180°时,页岩剪切各向异性行为呈现非对称演化规律。在层理倾角和直接剪切荷载作用下,页岩的破坏模式有3类:层理倾角为0°时,沿层理面剪切滑移破坏;层理倾角为30°、60°和90°时,表现为穿透层理和基质的剪切滑移破坏;其他倾角下呈现穿透层理和基质的剪切滑移与沿层理的拉伸劈裂相结合的复合破坏。基于试验结果和组构张量,构建了一个可考虑页岩本征各向异性和剪应力诱导各向异性影响的直接剪切破坏准则,其理论预测值与试验结果的平均偏差率低于3%,能够定量表征黏聚力和摩擦系数的各向异性程度,合理评估页岩直接剪切强度对外加法向应力的敏感性,可推广应用于理论表征所有层状岩土材料的直接剪切强度。

热损伤花岗岩力学劣化特性及损伤演化规律研究

深部矿产开采面临的高地温环境导致岩石产生热损伤,易诱发深部工程地质灾害,探究高温后岩石力学性能劣化特性与损伤演化规律对深部高地温环境下的岩体工程具有重要意义。通过将花岗岩进行常温至1200℃范围内的温度处理,采用光学显微镜观测,探究了花岗岩试样在不同高温处理后杨氏模量和抗压强度的劣化特性,从微观角度分析热损伤花岗岩的内部裂纹和损伤演化规律。试验结果表明,高温处理将显著降低花岗岩的力学性能;岩石抗压强度和杨氏模量随着处理温度的升高而降低,裂纹发育程度随着温度的升高而增大;岩石力学性能与内部裂隙结构的发育程度高度相关,花岗岩在不同温度处理后的裂纹密度同抗压强度之间存在幂函数关系,裂纹密度能很好地反应花岗岩的热损伤程度。

原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响

基于保压取心工艺测定煤层瓦斯压力和含量,是实现瓦斯参数快速精准测定的有效方法。瓦斯是一种以甲烷为主的多组分混合气体,煤对于不同气体的吸附能力不同,混合气体中各组分气体分压也存在差异,不同气体组分占比将影响煤层瓦斯含量和压力的测算结果。为实现保压取心煤层原位瓦斯压力的精准测算,采用数值模拟和理论计算相结合,研究气体组分对瓦斯压力测算的影响。通过分析取心器内煤心瓦斯压力演化过程,将多组分气体吸附模型引入瓦斯运移理论,建立考虑多组分气体的双重介质瓦斯压力演化方程,并应用于数值仿真。模拟结果显示,煤心进入岩心筒后裂隙瓦斯压力初始先迅速下降而后逐渐上升,基质瓦斯压力一直缓慢下降,岩心筒内自由空间的瓦斯压力由初始0.1 MPa缓慢上升,数小时后3个压力平衡,平衡压力远小于煤心原始瓦斯压力;CO_(2)组分对平衡瓦斯压力值的影响最大,当气体为纯CH_(4)时平衡压力最小。同时,推导了考虑多组分气体的保压取心煤层原位瓦斯压力计算公式,根据设定的平衡压力反算煤层瓦斯压力,理论计算煤层瓦斯压力值与数值模拟数据的对比结果吻合较好,Pearson相关系数为99.89%;利用取心器平衡压力反算煤层瓦斯压力时,计算结果随CO_(2)、CH_(4)组分增加和N_(2)组分减少而减小,气体为纯CH_(4)时反算的煤层瓦斯压力值最小。利用保压取心测算煤层原位瓦斯压力时,若不考虑气体组分而以纯CH_(4)计算,可能会低估煤层瓦斯压力值,尤其是煤层瓦斯压力较大且CO_(2)气体组分占比高时,误差更大,为准确测算煤层瓦斯压力,应考虑瓦斯气体组分的影响。