神东矿区不同埋深弱胶结砂岩的孔隙结构特征研究

为了研究神东矿区不同埋深弱胶结砂岩的孔隙结构特征,以布尔台煤矿4种不同埋深弱胶结砂岩为研究对象,运用低场核磁共振测试仪对4种不同埋深试样进行了测试,分析了不同埋深弱胶结砂岩的T2谱特征、孔径分布和孔喉分布.研究结果表明:4种不同埋深弱胶结砂岩(92.14～94.30 m,118.40～120.69 m,242.27～2...     

干湿循环作用下弱胶结砂岩声发射特征及其细观劣化机理

针对弱胶结砂岩遇水软化和泥化现象,采用饱水实验、QEMSCAN扫描电镜以及声发射试验,对不同干湿循环次数作用下弱胶结砂岩的物理力学性质及其细观结构特征变化进行了探讨。研究表明:弱胶结砂岩遇水软化宏观特性分为4类,其宏观特性的差异主要取决于弱胶结砂岩细观颗粒胶结方式、胶结物成分和含量相关等细观参数;弱胶结砂岩遇水软化细观特征,一方面在饱水过程中胶结物溶蚀逐渐减少、颗粒自身膨胀产生细粒碎屑,另一方面饱水过程中导致岩样内部次生孔隙率增大;随着干湿循环次数的增加AE事件计数率与能量释放率也不断的降低,主要是干湿循环次数增加,砂岩内部骨架颗粒与胶结物质均得到不同程度的软化,颗粒胶结性能变差,裂纹发展速度较缓,规模较小,释放的能量较小,因此,随着干湿循环作用增加砂岩破坏时出现较低的试件计数率和能量释放率,反映出干湿循环次数增加后应力扰动敏感性降低进而导致破坏程度降低,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

饱和水弱胶结砂岩剪切断裂面形貌特征及破坏机理

剪切破坏断面是弱胶结砂岩在破坏过程中断裂后所形成相匹配的表面,断面形貌特征根据受力方式和饱水条件的不同形成差异显著。利用3D激光扫描对剪切破坏断面进行精确测量,结合地理信息系统(GIS)技术对不同受力方式和饱水条件下的破坏断面形貌进行三维可视化处理和定量分析,并采用扫描电镜从细观角度对产生的断面形貌特征差异及其破坏机理进行研究。试验结果表明:随夹具角度的增加,破裂面法向力降低,法向力的减小是导致破裂面扰动较大以及剪切断裂面粗糙度和起伏度增加的主要原因之一;通过饱水岩样细观结构的分析发现,弱胶结砂岩骨架颗粒自身吸水膨胀软化,骨架颗粒之间的黏连性变差,胶结程度降低,直接导致试件抗剪强度降低,同时,水对剪切破坏面扰动影响也降低,致使在相同受力条件下饱水试件断裂面粗糙度和起伏度相对较小;胶结物质的遇水软化的特性是决定弱胶结砂岩剪切破坏断面形貌的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩损伤演化过程及破坏机理提供可靠的试验依据。     

西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征

西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法,研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律,选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据,分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区,岩石成岩不充分,岩石强度普遍偏低,具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩,胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关,随埋深增加呈线性递增,岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性,循环次数越多,崩解后的粒径越小越均匀,弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。     

锦界煤矿侏罗系砂岩微观孔隙结构类型及富水性研究

砂岩富水性是顶板突水危险性评价的重要指标之一,研究砂岩的微观孔隙结构,对于认识其与含水层富水性的关系具有重要的意义,以锦界煤矿3-1煤顶板侏罗系砂岩为例,通过薄片鉴定和压汞实验对所采集到的砂岩样品的微观孔隙结构进行研究,最终对比钻孔单位涌水量,分析该区砂岩微观孔隙结构与富水性的关系。研究结果表明:侏罗系延安组砂岩中泥质的含量(平均25.5%)大于直罗组砂岩中泥质的含量(平均4%)。将砂岩的孔隙结构按照毛管压力曲线形态和排驱压力大小划分为Ⅰ类低排驱压力型、Ⅱ类中排驱压力型和Ⅲ类高排驱压力型。Ⅰ类低排驱压力型砂岩以大于10μm的粒间和晶间孔隙为主,将该区大于10μm的孔隙定为有效孔隙,则其有效孔隙占比达61.68%,且该含水层承压水头在66.30 m左右,具有一定的压力水头,大量赋存在孔隙中的重力水在一定的压力水头下自由移动,是其中等富水性的重要原因。Ⅱ类中排驱压力型砂岩以0.1～10.0μm的颗粒内和粒间孔隙为主,该类孔隙体积占51.44%。Ⅲ类高排驱压力型砂岩以小于0.1μm的晶粒内孔隙为主,该类孔隙体积占45.32%。Ⅱ类中排驱压力型砂岩和Ⅲ类高排驱压力型砂岩的有效孔隙仅占21.92%,此类砂岩为弱富水性。     

弱胶结砂岩破坏规律及其声发射特性试验研究

为探究煤矿巷道软弱围岩的变形规律,以彬长矿区某矿为研究对象,研究其顶板弱胶结砂岩在饱水状态下的三轴-声发射特性,分析其塑性变形破坏规律和不同应力阶段声发射特征,得到饱水弱胶结砂岩破坏过程中声发射演化规律。分析结果可为预测弱胶结砂岩变形破坏趋势提供理论依据,为控制同类砂岩顶板变形提供可行性方法。     

鄂尔多斯盆地白垩系弱胶结砂岩物理力学特性研究

从岩土工程视角,对鄂尔多斯盆地9个典型立井白垩系围岩物理、力学试验数据进行统计和系统分析,旨在为揭示白垩系围岩工程环境效应与机理奠定基础。鄂尔多斯盆地大部分地区白垩系砂岩抗压强度均值约为20.0 MPa,而下限不足5.0 MPa;抗拉强度普遍低于2.0 MPa,下限则接近0;软化系数高于0.4,部分地区甚至接近0.8;孔隙率高于20%,部分地区甚至超过30%;黏聚力低于0.5 MPa,泊松比高于0.2,而内摩擦则稳定在40°左右。白垩系砂岩具有埋藏浅、孔隙疏松、胶结弱的特点,属于地质软岩,易扰难取,工程环境效应突出。考虑泥质胶结物及其含量,将盆地白垩系弱胶结砂岩分为高脆性含泥质弱胶结砂岩和弱脆性泥质弱胶结砂岩,二者间具有线性关系,从而可建立通过含泥质弱胶结砂岩试验成果获得泥质弱胶结砂岩试验成果的方法。这将为基于具有易扰难取特点的泥质弱胶结砂岩水-力耦合试验来揭示立井围岩工程环境效应与机理提供基础支持。     

含水率对弱胶结砂岩力学特征的影响规律

为了研究含水率对弱胶紻砂岩力学特征的影响规律,以神东矿区大柳塔煤矿岩层中的砂岩为研究对象.首先对弱胶紻砂岩进行了XRD,SEM,NMR观测,然后对含水率分别为0,2％,4％和6％的试样在RMT-150C力学试验机下进行单轴压缩试验.研究紻果表明:弱胶紻砂岩的孔隙率为20.29％,孔隙以中大孔为主,孔隙连通性好;黏土矿物以高岭石和絣泥石为主.含水率对弱胶紻砂岩的应力-应变曲线、峰值强度和弹性模量都存在显著影响,峰值强度、弹性模量与含水率存在显著的负相关关系;含水率对峰值应变无显著影响.与干燥试样相比,含水率为2％,4％和6％试样的峰值抗压强度分别降低了20.76％,37.84％,49.01％,弹性模量分别降低了6.25％,31.65％,51.44％;随着含水率的逐渐增加,弱胶紻砂岩的塑性逐渐增大.研究成果有助于进一步揭示神东矿区溃水溃沙的机理.     

弱胶结砂岩在冲击荷载下的动力学性能研究

为研究粉砂岩在冲击荷载下的动力学性能,选取内蒙古东胜煤田红庆河煤矿副井-680 m 处的弱胶结 粉砂岩,运用 Hopkinson杆测试技术进行不同冲击能量下的冲击荷载实验。通过实验数据分析,得出结论如下：选取 的弱胶结砂岩为侏罗系延安组粉砂岩,强度较低,均值为 39.08 MPa。遇水易崩解,且极易风化,内部颗粒较细、多为 泥质胶结。弱胶结砂岩冲击荷载条件下的峰值强度均较单轴抗压强度下的峰值强度有大幅度提高,提高值为单轴 抗压强度的 1.14 倍。但相比于中部地区砂岩,其动、静强度较低,动载强度提高值有限,达不到中部砂岩静载强度。 冲击荷载越大,应变率越高,峰值强度越大。应变率与峰值强度间存在良好的指数增长或线性增长关系。其应力— 应变曲线按照应力的增速大致分为 3个阶段：应力骤升阶段、应力—应变平缓上升阶段、应力陡然下降阶段。     

西部典型弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的类相变特征研究

以西部弱胶结粗粒砂岩为研究对象,采用细观测试、力学测试、声发射监测和理论分析等研究方法,获得了弱胶结粗粒砂岩细观结构形态和矿物成分,分析了弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的声发射信号频率组合模式。研究表明:弱胶结粗粒砂岩在细观结构上是以颗粒物质、胶结物质及孔隙胶结而成的颗粒胶结体系,颗粒接触特性和矿物成分是其物理现象与力学机制发生的内因;在应力峰值前,声发射信号的峰频频段3(31.25～46.875 kHz)占比先迅速减小,后趋于平稳,而频段10(140.625～156.25 kHz)占比先增加,后趋于稳定,存在低频信号向高频转化的现象;弱胶结粗粒砂岩在单轴压缩破坏过程中存在"类相变"临界状态,即弱胶结粗粒砂岩细观结构上的颗粒接触状态由连续接触状态转变为离散状态的类相变过程;且弱胶结粗粒砂岩达到某一应变状态时,试件对振动或者扰动异常敏感,微小的应变Δε极易导致弱胶结粗粒砂岩达到类相变状态。     

洛河组含水层垂向差异性研究及保水采煤意义

为查明彬长矿区白垩系洛河组地层的水文地质条件,从保水采煤角度提出了洛河组精细化勘探概念,给出了可用于承压含水层垂向富水性评价的综合富水性指数法,依据垂向富水性变化规律对洛河组进行分层,并研究洛河组垂向水文地质条件与特征、自然状态和采煤扰动时洛河组垂向各含水层段之间的水力联系、以及洛河组下段存在的保水采煤意义等。给出了富水性指数计算方法:对地层岩性、厚度、孔隙度3个指标分别赋值、分别赋权重为0.3,0.4,0.3,之后将赋值与权重累积得到单个含水层段的富水性指数(f_i),利用F_i=0.5f_i+0.15f_(i-1)+0.1f_(i-2)+0.15f_(i+1)+0.1f_(i+2)计算各地层的综合富水性指数。给出了洛河组含水层垂向富水性分级标准:F0.003 289为隔水层,0.003 289≤F0.012 339为弱富水,0.012 339≤F0.015 504为中等富水,F≥0.015 504为强富水。依据综合富水性指数将高家堡井田T1,T2钻孔洛河组垂向上划分为上、中、下3段。研究结果表明:(1)采用综合富水性指数法可以对承压含水层垂向富水性进行精细化评价,可操作性强;(2)局部地区洛河组内部发育有泥岩地层,但尚未构成区域上的隔水层;(3)洛河组下段地层既可以减缓和阻止煤层顶板导水裂隙带继续向上发育防止对具有供水意义的中上段地层结构的破坏,又可以阻隔中上段含水层水进入矿井,对保水采煤有利;(4)高家堡矿井首采面回采期间洛河组中上段地下水位下降26.71～43.06 m。通过含水层水量、水位、水质等指标分析,采用控制煤层采高等技术实现了对洛河组含水层结构保护条件下的深埋煤层开采。     

深埋煤层开采顶板基岩含水层渗流规律及保水技术

我国西部黄陇煤田降雨量少、蒸发强烈,属于干旱半干旱地区,做好煤炭开采过程中对含水层的保护工作极为重要。为研究适用于黄陇煤田深埋煤层开采顶板洛河组砂岩含水层的保水技术,以彬长矿区为研究区,采用砂岩孔隙度测试,结合非线性回归分析方法,研究洛河组地层不同深度砂岩渗透性变化;开展水化学测试,分析非均质洛河组含水层垂向水化学场特征;结合地面和井下水文地质探查,进一步定量化研究洛河组含水介质的非均质性。在查明洛河组含水地层非均质性的基础上,建立含水层下段受裂隙带波及条件下地下水渗流数值模型,研究基岩含水层局部受裂隙带影响条件下的渗流规律。根据渗流规律研究深埋煤层开采顶板基岩含水层保水开采技术,结合彬长矿区工作面开采实际揭露水位变化情况对其进行验证。研究表明,洛河组含水层渗透性随地层深度的增加而呈负指数降低,随着埋深增大含水层水化学类型由HCO_3-Ca型转化为SO_4-Na型,同时上段的单位涌水量约为下段的7倍,可知洛河组含水层上、下段地下水渗流条件不同,垂向非均质性较强。工作面开采裂隙带仅波及含水层下部时,含水层仅受波及层和相邻层的水位下降明显,上部未受到波及段水位降深有限,整个含水层不会出现水位统一下降的现象,而是呈现出不同层位水位降深差不同的差异性渗流规律。鉴于此,提出利用含水层非均质性特征,以控制含水层上段水位降深为核心,允许导高适当波及含水层下段的"控水开采"技术,有助于缓解深埋煤层采煤与保水的矛盾。通过彬长矿区胡家河煤矿现场应用表明,洛河组含水层实际渗流特征符合本次研究成果,控水开采技术可实现洛河组砂岩含水层保水开采的目的。     

干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义

随着我国煤炭资源开发重心的逐步西移,西部地区目前已成为我国煤炭的主产区。总体上,我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈,形成了该区极度干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以新疆哈密煤田大南湖矿区为例,针对该区侏罗系含煤地层具有成岩时间晚、物理力学强度低、遇水易泥化崩解等特征,采用相似材料模拟、数值模拟等手段,结合邻矿现场实测对比,全面研究了该区顶板采动导水裂隙的发育与演化过程、发育高度与形态特征、渗透性演化规律以及在该区进行水资源保护性开采(保水采煤)的可行性。研究结果表明:研究区侏罗系含煤地层采动导水裂隙的发育裂采比一般在13.09～15.67,整体形态呈"梯台型"特征;采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现"稳定增加-波动变化-恢复稳定"变化特征,导高影响范围内含水层的渗透系数明显增大,一般达到3～5倍;研究区主采煤层顶板具有"多含水结构下的高位隔水层"结构特征,具备了保水的基本水文地质前提条件;结合保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤可行性的综合评价,探讨了在干旱矿区水资源保护性开采的重要意义。     

煤炭保水开采技术探究

随着我国煤炭开采规模越来越大,引起地下水资源破坏的问题越来越突出,极大的阻碍了环境与社会经济的协调发展。煤炭绿色保水开采是在不影响区域水文地质条件情况下采煤,可以很好地解决开采对地下水资源的破坏等问题。通过分析开采对地下水的影响,总结了保水开采技术的主要影响因素,论述了实现保水开采的途径及方法     

宁东侏罗系煤层顶板粗粒含水砂岩特性研究

相似模拟实验研究一直是保水开采的主要实验手段之一,其中相似材料与岩石之间力学参数的相似度尤为关键。宁东煤田属于我国典型的生态脆弱矿区,该区域主采煤层为侏罗系煤层,其顶底板广泛分布着成岩程度低且富含黏土矿物的一类特殊砂岩,该层砂岩在采动、吸水-失水动态循环作用下呈现软岩力学特征。选取其中的一类含水砂岩为研究对象,通过分析该含水砂岩岩石成分和结构特征确定其为粗粒泥质长石砂岩,并分析认为其形成于快速堆积的沉积环境;利用X衍射仪定量分析其矿物组分,发现该含水砂岩主要由黏土矿物、石英和长石组成,其中黏土矿物富含蒙脱石、伊蒙混层及绿泥石等吸水易膨胀组分;利用MTS伺服控制试验机研究了该类砂岩三轴抗压强度及渗透特性,发现其具有明显的塑性破坏特征;且饱水含水砂岩渗透率有突变点存在,突变点后渗透率大致恒定直至试件破坏时渗透率增至最大值;进一步研究了含水率对该含水砂岩单轴压缩变形特征的影响规律,发现含水砂岩单轴抗压强度、弹性模量与含水率负线性相关。     

生态脆弱区保水采煤矿井(区)等级类型

水资源保护性采煤是生态脆弱矿区可持续发展的必然选择,如何深化保水采煤研究,使之更好的付诸工程实践,是西北煤炭开发规划和建设生产亟需解决的问题。以陕北榆神矿区为例,结合浅表层水资源(保水采煤目的层)量分布和煤矿开采对浅表层水资源的影响程度两方面,研究了保水采煤矿井(区)类型。首先,分析了研究区生态-水-煤系地层空间赋存结构特征,提出了以保水采煤为目的的生态地质环境类型,将其划分为潜水沙漠滩地绿洲型、地表水沟谷河流绿洲型、地表径流(黄土)沟壑型和区域性(深埋)地下水富集型;其次,计算确定了浅表层水资源单位面积总储存量分布;然后,基于煤层开采对生态层及浅表层水的影响程度,提出了4种保水采煤环境工程地质模式(环境友好型、环境渐变恢复型、环境渐变恶化型及环境灾变型),在分析影响其分区的导水断裂带高度、残余隔水层釆动隔水性等关键指标的基础上,建立了不同环境工程地质模式分区阈值和确定方法;最后,基于浅表层水资源量和保水采煤环境工程地质模式分布特征,提出了保水采煤矿井等级类型划分方法,将其划分为:正常开采矿井、保水采煤一级矿井、保水采煤二级矿井和保水采煤三级矿井,总结了各级保水采煤矿井适用的开采方法与水资源保护、利用方法。     

煤炭开采与保水开采技术

煤炭开发与地下水资源保护之间的矛盾日益突出,煤炭开发在促进社会经济发展的同时也给当地生态环境带来了较大破坏,尤其对地下水资源的影响更为显著。如何实现煤炭开发与水资源保护间的相互协调是当前煤矿开采面临的巨大难题。通过分析煤矿开采对水资源尤其是对顶底板含水层的影响,进一步阐述了煤炭开采与水资源保护技术的技术进展情况及当前可实现保水开采的2种基本技术途径:以“堵截法”和“疏导法”为理念的保水开采技术的适用性和面临的技术难题,提出矿井要在不断探索实践中科学合理地选择适用于矿井自身的保水开采技术,对解决当前煤矿开发与水资源保护之间面临的双重难题,对矿井可持续发展具有一定的指导作用和借鉴意义。     

榆神府矿区含水层富水特征及保水采煤途径

榆神府矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带,生态环境脆弱,水资源匮乏,区内各主要含水层分布与富水性不均,含水层富水性及矿井涌水对煤矿生产影响差异较大,因此矿井水资源的综合利用与含水层的有效保护对煤矿生产与地区生态建设意义重大。通过分析萨拉乌苏组、烧变岩、风化基岩层等各主要含水层的形成、分布及富水特征,结合矿井首采煤层上覆基岩厚度与矿井目前涌水量情况,将区内生产矿井及待规划区域从"水资源保护与矿井水利用"角度划分为水量贫乏型、水量较丰富型、水量丰富型及地表水体型4种类型,并根据不同类型的分布特征进行了分区。在此基础上,针对不同的水资源保护与矿井水利用类型,分别提出了采空区存储净化、工业利用、农业灌溉、湿地建设和人工湖泊等具体的水资源保护与矿井水利用途径和措施。讨论了"保水采煤"的科学内涵,认为"保水采煤"的基本措施应当包括保护浅部主要含水层和矿井水资源利用两部分,即将"保水"与"用水"相结合,拓展了"保水采煤"的科学含义;建议在矿井规划时,应综合考虑开采损害影响与环境自身修复能力,在满足能源开采经济利益的同时,保证生态环境不发生质的破坏;提出了利用经济效益"反哺"当地生态和"绿色经济"建设的一点猜想,为矿区未来的规划建设提供了一定的参考意义。     

保水开采隔水关键层的基本概念及力学分析

提出了在控制采场顶底板水运移中隔水关键层的概念，建立了复合隔水关键层的基本力学模型，进而对具有5层岩层组成的复合隔水关键层进行了相关的强度和刚度分析，给出了不同组合的阻隔水能力判定. 从岩层运动与水体运移的视角提出了保水开采的矿压控制思路，为开发水资源保护性的煤矿绿色开采技术提供了相关的技术途径.