唐口煤矿深井砂岩微孔隙结构及渗流机理研究

摘要

深井透水问题是煤矿安全生产的关键性影响因素之一。由于砂岩含水层是煤系地层中与煤层紧密相伴的重要含水层，浅部煤层开采时，地下水对煤层开采影响不很突出。但随着全国各地煤矿开采不断向深井发展，在深井高温、高围压、酸碱性、二氧化碳浓度等环境因素的影响下，砂岩微孔隙结构将会发生明显异于浅部的变化，微孔隙结构的变化导致其渗透性的随之改变，这种改变会造成井筒渗水，这种渗水呈现一种井壁汗渗现象，难以用注浆封堵，长时间的渗水会导致井壁劣化、混凝土结构受损，对井筒的安全使用造成不良影响，同时增加排水负担，进而影响深井矿井的正常生产工作。所以，现阶段开展含煤岩系深井砂岩微孔隙结构及渗流机理的研究，既是当前煤炭开采的迫切需要，同时也具有重要的理论意义。但很遗憾的是煤炭行业在这方面研究较少，尤其华中、华东地区这方面研究很少。
　　本次研究针对山东省济宁煤田唐口煤矿千米主、副、风井筒建设过程中的3煤顶底板孔隙砂岩渗水问题，以该砂岩的微孔隙为重点研究对象，通过常规物性、光学薄片、铸体薄片、电镜扫描等各项分析测试实验，探究该微孔隙砂岩的成因，分析其物理力学性质，为3煤顶底板砂岩微孔隙的渗流规律研究奠定基础，同时运用数值模拟手段分析该砂岩的渗流机理，为深部砂岩的注浆提供技术支持，也可为类似地层的砂岩注浆提供参考。本次研究的主要结论如下：
　　（1）唐口煤矿早二叠纪山西组3煤层顶底板砂岩是海陆交互相三角洲环境下形成的砂岩，属于一种胶结型砂岩，是孔隙含水层，通过实验研究发现该砂岩在岩石成分、颜色、颗粒结构、填隙物、力学强度、孔隙度、含水量等方面与鄂尔多斯盆地三大孔隙性砂岩含水层（下白垩系洛河组砂岩、侏罗系直罗组下段砂岩和二叠系下石盒子组砂岩）有着明显的区别，这为砂岩微孔隙结构的渗流研究奠定基础。
　　（2）根据砂岩光学薄片建立砂岩孔隙二维模型并进行渗流数值模拟计算，发现密实的砂岩渗流主要是依靠孔隙；通过观察流体从入口到出口的流动过程，发现孔隙水压力和喉道直径是影响渗流的重要因素；通过对比不同模型的渗流，发现孔道中的杂质及胶结物也会对孔隙中的渗流起阻碍作用。
　　（3）基于砂岩孔隙结构的实验和渗流机理的理论分析及数值模拟分析，并结合唐口煤矿深井的3煤顶底板工程渗水案例，提出千米主、副、风井筒3煤顶底板砂岩微孔隙渗水过程大体可划分三个阶段：杂基软化阶段、杂基冲蚀阶段和喉道直径增大渗流增加阶段。

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摘 要

Abstract

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Contents

1 绪 论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 砂岩微孔隙结构研究现状

1.2.2 砂岩微孔隙结构渗流机理研究现状

1.2.3 深井砂岩微孔隙结构及渗流机理研究现状

1.3 主要研究内容和方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 技术路线

1.3.4 本次研究工作量

2 砂岩成因分析及物理力学性质

2.1砂岩沉积环境

2.2 砂岩沉积特征

2.2.1 砂岩的成分

2.2.2 砂岩的颗粒组成

2.2.3?砂岩的颗粒形态及表面形态

2.2.4?砂岩的颗粒分选性

2.2.5?砂岩中填隙物

2.2.6?砂岩的胶结类型

2.2.7?砂岩的沉积环境

2.3 砂岩的成岩后生变化

2.3.1 压实作用

2.3.2?胶结作用和固结作用

2.3.3?重结晶作用

2.3.4?交代作用

2.4 砂岩的物理力学性质

2.4.1砂岩的孔隙度

2.4.2?砂岩的强度

2.5 本章小结

3 深井砂岩微孔隙结构及渗流机理

3.1 砂岩微孔隙结构

3.1.1 孔道特征

3.1.2 孔道连通性

3.2 砂岩微孔隙渗流机理的数值模拟

3.3深井高围岩压力下微孔隙结构及渗透变化

3.3.1?软化、泥化作用

3.3.2?冲刷运移作用

3.3.3?结合水强化作用

3.4?深井高温条件下微孔隙结构及渗透变化

3.4.1?离子交换作用

3.4.2?溶解作用

3.4.3?水解作用

3.4.4?氧化还原作用

3.5?本章小结

4 唐口煤矿深井工程案例

4.1 唐口煤矿概况

4.1.1 地理

4.1.2 地层、构造及煤层

4.2 唐口煤矿水文地质条件

4.2.1 煤系上覆地层含水层与隔水层

4.2.2 直接充水含水层

4.2.3 断层导水性

4.2.4 矿井充水因素分析

4.3 唐口煤矿千米深立井3层煤顶底板砂岩渗水原因分析

4.3.1 井筒施工渗水情况简介

4.3.2 井筒渗水量大的原因分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结 论

5.2 展 望

参考文献

致 谢

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