中国煤与煤层气共采理论技术现状及发展趋势

在国家大力推进生态文明建设的背景下,快速发展清洁的煤层气资源来代替对国民生命安全与自然环境影响恶劣的煤炭能源的需求变得越来越迫切。为此,通过分析中国煤层气开发模式与资源产量、煤矿区煤层气抽采技术发展历史、煤与煤层气协调开发模式及相应的煤层增透理论和开发技术现状,指出了煤与煤层气共采形势与理论技术发展趋势,并提出了促进实现煤与煤层气高效开发的建议。研究结果表明：(1)需进一步原始创新支撑其安全高效共采的基础关键理论,并完善煤矿区煤层增透、煤层气集输与综合利用、煤炭地下气化—煤层气联采等关键技术;(2)提升煤炭领域与石油领域学科交叉理论技术攻关和行业合作力度,形成优势理论技术与产业配置互补发展,搭建基于多领域学科融合的创新产业发展模式;(3)完善国家和地方在煤与煤层气共采领域的政策保障体制,鼓励煤炭企业与石油企业合作以促进其规模化发展。结论认为,煤炭资源平稳缩减是中国经济高质量发展的重要能源保障策略,由此推行煤与煤层气共采对于确保煤矿生产安全,缓解清洁能源短缺和降低碳排放等均具有重要的现实意义。     

尾矿细微观力学与形变观测试验装置的研制与应用

 为深入探索筑坝尾矿力学行为与细微观结构的内在联系,自主研发尾矿细微观力学与形变观测试验装置。该试验装置主要由加载试验设备、压力室及附属部件、局部应力监测系统、细微观观测系统4个部分组成。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映尾矿坝体内局部应力、孔隙水与孔隙水压力、排水条件等对其细微观结构及颗粒运动的综合影响;(2) 试验加载条件实现多样化,包括静态加载、静态加卸载、动态加载、动态循环加载等加载形式;(3) 压力仓采用不锈钢筒内嵌玻璃钢筒结构,最大承载压力可达2.5 MPa;(4) 可进行孔隙水流动过程中的孔隙水与颗粒运移形态、细微观结构及其受载形变的观测试验,并能监测孔隙水压力;(5) 可埋设多个土压力传感器于试验尾矿内,实时监控尾矿内局部应力;(6) 细微观观测系统采用自行研制的动态细微观观测装置,调节过程简便且能跟踪点的运动。采用该装置进行荷载为0.3,0.6及0.9 MPa下的尾矿细观观测试验,结果显示：随着荷载的增加与作用时间的增长,尾矿孔隙数量与尺寸减小,颗粒间强结合水受挤压而迁移,形成水膜并逐渐增厚,转化为弱结合水,将颗粒连接成大的块体结构;尾矿沉降位移较大且呈非线性增加,其增量随荷载增加逐次减小;局部应力及细观结构变形表现为下部分滞后且低于上部分,局部应力呈起伏状逐级增长,峰值附近波动很大,沉降位移呈阶梯状增加,稳定后趋于平缓。     

城市建筑边坡抗滑桩支护效果分析

采用有限元强度折减法,对某城市建筑边坡不同工况条件下的稳定性进行了计算分析,计算结果表明：针对本工程边坡,采用抗滑桩加固设计能较好地满足安全性与经济性要求。     

基于时程分析法的尾矿坝动力稳定性研究

以云南省狮子山铜矿的大沙河尾矿库加高扩容工程为背景,为对其扩容前后坝体动力反应和稳定性进行系统研究和合理评估.采用动三轴试验,对库内3种尾矿(尾细砂、尾粉砂和尾粉土)的动强度和动模量与阻尼比进行了测试;综合运用时程分析法、剪应力对比法、有限元极限平衡法和软化模量法,对扩容前后尾矿坝的液化范围、安全系数和坝顶震陷等进行了定量分析,并对常规极限平衡法的局限性和适用条件进行了探讨.研究结果表明:1)尾矿的动剪应力比随围压的增大而有所降低,破坏时动孔隙水压力比随着破坏振次的增加而增大;2)在设置有效的排渗措施的情况下,尾矿坝的液化区域主要位于尾水覆盖区域表层;3)永久变形表现为坝坡上部沉降、下部向下游方向挤出的形式,且加高后坝顶震陷量和震陷率均有所增大.扩容后大沙河尾矿库坝体的动力稳定性有所降低,但仍能满足相关安全控制标准的要求.     

尾矿细观结构变形演化非线性特征试验研究

 利用自行研制的尾矿细微观力学与形变观测试验装置,研究受载尾矿细观结构变形演化的非线性特征,包括尾矿内部应力的方向性、孔隙比的变化规律、细观孔隙结构的分形特征,以及荷载作用下孔隙结构变形演变规律等。研究结果表明：(1) 随着荷载的增加,尾矿试样内不同位置的垂直应力呈阶梯状增加,且略低于荷载,水平应力呈近线性增加,但增量微小,尾矿内部应力存在显著的方向性特征;(2) 受荷载作用,尾矿的孔隙比变化较大,随着荷载的增加,试样中不同高度的孔隙比呈非均匀减小,下层的变化滞后于上层,并有趋于一致的趋势;(3) 提出尾矿细观结构切面孔隙比的概念,对于同一切面,随着荷载的增加,切面孔隙比与同层孔隙比呈线性正相关;(4) 尾矿细观孔隙结构具有显著的周长–面积分形特征,分形维数为1.424～1.537,其值与切面孔隙比存在显著的对数负相关关系;(5) 在荷载不变的情况下,随着加载时间的增长,切面孔隙比降低,且有微小的反弹上升现象,而孔隙周长–面积分形维数呈阶段性增加,每一阶段有小幅回落现象。提出的表征尾矿细观结构特征的切面孔隙比与孔隙周长–面积分形维数2个参数,对定量研究尾矿坝体细观结构特征及其力学特性具有重要的实际意义。     

基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟

通过在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附产生的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。同时利用含瓦斯煤岩的孔隙率和渗透率的动态模型,建立了能描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型。以平顶山十矿的相关物性参数为基础进行了数值模拟,首先对建立的三维模型进行了开挖处理,得到了开挖后煤层的应力分布状态,而非简单的均布载荷,然后利用所建立的数学模型进行钻孔抽采瓦斯三维数值模拟。从数值模拟结果得到：① 抽采负压对钻孔抽采瓦斯的影响不明显;② 随着抽采时间的增长,煤层的孔隙率逐渐减小;③ 随着时间的推移,钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径均逐渐增大,最后会迫近一个定值。     

煤岩储气层岩石蠕变特性与本构模型研究

与一般煤岩相比,裂隙发育是煤岩储气层的主要物理特征,其结构较为软弱,在复杂地应力条件下易产生蠕变破坏,往往造成煤层气开采中钻井的破坏失稳。为探讨储气层煤岩钻井壁的蠕变失稳规律,采用美国RT R-1000型三轴岩石力学测试系统对储气层煤岩进行系统的单轴压缩试验。利用饱依丁-汤姆逊体与宾汉姆体,建立储气层煤岩蠕变模型,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。根据储气层煤岩在不同载荷条件下的单轴压缩试验结果对蠕变模型进行验证。结果表明,所提出的储气层煤岩蠕变模型能很好地描述各蠕变阶段的变形特性,尤其是衰减阶段与稳定蠕变阶段,并能很好地反映蠕变的长期强度。同时,将煤岩蠕变特性与钻井方式相结合,提出煤层钻井液的优选思路,对保持煤岩钻井壁稳定、有效保护储集层以及高效安全建井等具有重要的实际意义。     

等幅循环加载与分级循环加载下砂岩声发射Felicity效应试验研究

利用MTS815材料试验机和12 CHs PCI-2声发射信号采集系统,对砂岩在等幅循环加载和分级循环加载条件下损伤破坏全过程的声发射规律进行了研究,探讨了Kaiser效应与Felicity效应,以及Felicity效应声发射中“明显增多”的尺度界定问题。试验结果显示：砂岩在试验中的Kaiser效应显著,但有一定的局限性;当加载达到或超过其峰值强度的70%后,砂岩应力记忆特性中Felicity效应表现显著,Felicity比的演化显示出3个阶段特征,且总体呈下降的趋势;只要声发射“明显增多”的尺度范围设定合理,则对Felicity比的演化趋势没有影响。     

孔隙水运移特性及对尾矿细观结构作用机制试验研究

 利用自行研制的尾矿细微观力学与形变观测试验装置,研究尾矿充水过程、荷载作用和排水过程中孔隙水的运移特征及其对尾矿细观结构作用机制。结果显示：尾矿水位线实际达到高度大于计算获得的水位线高度;受荷载作用,充水条件下各层尾矿颗粒沉降位移显著大于未充水条件下相同位置颗粒的沉降位移;充水条件下尾矿颗粒沉降位移随荷载的增加可分为线性增长阶段、显著增长阶段和稳定阶段,显著增长阶段出现在200～400 kPa荷载下;受荷载与孔隙水的作用,尾矿细观结构会形成曲折复杂供水运移的通道,该通道的形成过程发生在尾矿颗粒沉降位移的显著增长阶段;孔隙水夹带尾矿小颗粒运移,对尾矿颗粒分布有一定的影响;尾矿颗粒沉降位移与细观结构受排水影响较小,其变化主要在排水初期。最后,提出水的毛细管作用下尾矿坝实际浸润线的概念与计算方法,研究孔隙水与荷载综合作用下尾矿细观结构变形破坏机制,为深入探索水引起的尾矿坝灾变机制及稳定性评价等具有重要的实际意义。     

含气岩石的强度特性及脆性评价研究

储层岩石的强度特性与脆性特征是薄互层煤层气（瓦斯）合采中井壁稳定性及压裂效果评价的重要指标。基于三轴流固耦合试验系统,开展了不同围压条件下含气页岩和不含气页岩的强度特征及脆性评价的试验研究。结果表明:当围压保持一定,含气页岩的峰值强度均低于不含气页岩的峰值强度和残余强度;随着围压的增加,含气页岩和不含气页岩的峰值强度和残余强度均表现出增加的趋势。基于应力—应变曲线的岩石脆性特征评价方法,得出含气页岩和不含气页岩的脆性指标随着围压的增加而降低;当围压相同时,含气页岩的脆性指标均高于不含气页岩的脆性指标。基于应力—应变曲线考虑峰后相对应力降大小和应力降速率的岩石脆性特征评价方法具有较高的准确性。该研究对薄互层煤层气（瓦斯）安全高效合采具有重要的指导意义。