矿井专用模型实验装置

⑴ 矿井涌水量预测及控制

矿井涌水量的大小不仅是对煤田建设进行技术经济评价、合理开发的重要指标，更是矿井生产设计部门制定采掘方案、确定矿井排水能力和制定疏干措施的主要依据。因此，正确地预计矿井涌水量是矿井水文地质工作的重要任务之一。

矿井涌水量预测评述

由于普遍存在的水文地质参数难于准确确定，矿井涌水量预测是矿井防治水工作中最重要也最困难的问题。目前在矿井涌水量预测方面，发展较为迅速的有限元法和人工神经网络法、灰色控制系统理论法；计算矿井涌水量使用较为广泛的还属解析法、水文地质比拟法、相关分析法和应用Bernoulli方程等。对这些预测方法研究分析，可以更准确地预测矿井涌水量。

1.矿井涌水量预测方法

（1）有限元法：有限元法是解地下水运动偏微分方程的主要数值方法。它具有以下特点：使用灵活的网格，便于处理曲线边界和放稀、加密结点；生成的结点方程对所有结点都高度统一；生成的导水系数矩阵对称、正定，便于用平方根法求解；便于处理各向异性。中国矿业大学（北京）武强教授首次将“拟三维”数值模拟与优化管理技术应用于焦作演马庄矿，这项技术，不仅可以对不同开采水平的矿井涌水量作出预测，而且可以模拟断层（裂隙）型煤层底板突水通道的具体空间展布位置和确定其通道的水文地质参数以及预测通道的涌水量。该方法对煤层底板突水灾害的预测基本上达到了定量化的要求。

（2）人工神经网络法：以能够同时处理众多影响因子与条件的不准确信息问题著称的人工神经网络（ANN）技术，在复杂水文地质条件的煤层底板突水预测上，具有独特的优越性。控制矿井涌（突）水的主要因素有充水水源和充水通道。充水水源主要包括大气有效降水（年降水量大小及季节性变化、降水性质与矿区地形、煤层埋藏与上覆岩层的透水性）、含水层水（含水层岩性、空隙性、含水层分布、厚度与补给条件）、地表水（地表水体性质与规模、地表水体与充水含水层间的水力联系和地表水体与矿井开采深度的相对位置和二者间岩层的透水性关系）和老窑水等。充水通道主要包括构造断裂带（或喀斯特发育带）、开采冒落导水裂隙带、底板隔水层扰动破坏裂隙带和人工导水通道等。将这些充水水源和充水通道作为输入层结点的神经元，经过隐含层，输出到输出神经元结点上（神经元结点为矿井涌水量）。其向后传播神经网络的预测模型如图3-34矿井涌（突）水量预测BP网模型所示。经过对该预测模型进行多个涌水实例的训练，此时该模型就具有了矿井涌水的知识，则该模型将可应用于实际矿井涌（突）水预测。

图3-34 矿井涌（突）水量预测BP网模型

（3）相关分析法：相关分析法主要包括相关因素的选择和回归方程的建立。南方矿区涌水量多与降水量、采煤面有关，并且用相关分析法取得了较多成功的范例。而北方矿区则不然。焦作矿区是典型的北方煤矿区，降水过后20～40天，水位才逐渐回升到峰值，但涌水量因降水变化并不大。矿井涌水量与大气降水并不密切，与巷道长度、开采面积少有关系，用相关分析法并不多，演马庄矿用于煤层底板突水分析。演马庄矿与断层无直接关系的底鼓出水在煤层底板突水中占了较大比例，对于这一类煤层底板突水若使用：T_s=P/M，可以发现T_s值随煤层底板突水点埋深增大而增大，假设它们服从正态分布的话，非线性回归结果表明，表达式T_s=-22.814+5.8981nH的回归效果最佳。式中H为煤层底板突水点的埋深值，计算相关系数0.9823，数据最大误差小于1.0%。

（4）水文地质比拟法：比拟条件是以开拓水平或邻近的水文地质条件、开拓方式与延深水平相似为依据来预计延伸水平的涌水量。顶板水量根据焦作矿区实际情况，顶板砂岩水量随采煤面积的增加而有所增加，采用Q₂=Q₁×F₂/F₁。Q₂×F₂为未知水量和要预计区面积，Q₁、F₁为已知水量和面积。煤层底板L₈灰岩水量根据焦作矿区钻孔抽水资料和排水试验，涌水量与降深存在平方根关系，

。该方法简单易行。

（5）解析法：计算巷道竖井都有各自的计算公式，这里主要讨论“大井法”。由于巷道系统面积大且形状复杂，因此在计算涌水量时，可把复杂的巷道系统假想成一个与巷道系统面积相等的大井在工作。此时，整个巷道系统的涌水量就相当于井的涌水量，就可将垂直集水建筑物的公式用于计算巷道系统的涌水量。此方法较简单，经实践检验常有较满意的结果。因此在生产上广为应用。焦作矿区计算L₈灰岩水，采用Q=2.73KMS/1g（R₀/r₀），r₀引用半径，R含水层抽水时的影响半径，R₀引用影响半径（R₀=R+r₀），K渗透系数，M含水层厚度，S预计降深。

（6）应用Bernoulli能量方程：喷水钻孔法计算涌水量，据中国矿业大学在华北某矿研究，钻孔成孔后用堰测法计算，钻孔涌水量为544m³/h，采用

，（Q，喷水钻孔涌水量；d，套管内径m；g，重力加速度m/s²；h，喷出高度m。）计算钻孔涌水量536m³/h，误差1.47%；煤层底板突水量大小的预测，采用

（Q，突水口的突水量；ω，突水口进水断面面积；g，重力加速度；h，突水口处的有效水头）计算九里山矿12031工作面煤层底板突水，计算煤层底板突水量与实际最大煤层底板突水量相对误差仅1.04%，计算演马庄矿12121工作面煤层底板突水，计算煤层底板突水量与实际煤层底板突水量相对误差仅5.62%。由此可见，两者均源出Bernoulli能量方程，两者的实际应用结果是可行的。

2.矿井涌水量预测中的几个问题

正确地预计矿井涌水量至今仍是一项复杂和困难的工作，其原因是：①人们对复杂的自然条件（地质、水文地质）认识有局限性；②对开采活动引起地下水天然动态的变化认识不足；③地下水向井巷运动过程中，无论在空间上或时间上均呈现出复杂的运动形式，且在计算方法上常将自然条件理想化和简单化，因而影响计算结果的精度。

（1）系统透彻分析水文地质条件：系统透彻分析水文地质条件，是正确预计矿井涌水量的基础。焦作演马庄矿1903l工作面L₈灰岩煤层底板突水Q_max=4.3m³/min，略有减少达3.0m³/min左右持续了几个月。峰值水量一定，其静储量一定，并且补给不足，但有一定补给量。因此，在预计该工作面下部27011工作面煤层底板突水量时，预计3.5m³/min，应该小于4.3m³/min，大于4.3m³/min的可能性不大，结果在原煤层底板突水点下部27011运输巷再次煤层底板突水Q_max=3.7m³/min，预计结果基本正确。

（2）精心采集水文地质数据：水文地质参数的取得正确与否，是涌水量预测的关键。比如考虑焦作演马庄西部韩王东部这一喀斯特水文地质单元时，二水平会袭夺一水平L₈灰岩水。二二采区的K、R、r₀值就应综合考虑。应该将煤层底板突水点反求法、注水试验、抽水试验、幅射流等求出的K值综合评价。同一煤层底板突水水源通道，对于抽水、注水这一相反水文地质试验，K值相差较大；R值更应考虑到水文地质边界条件；r₀取值应该包括F₃断层以下面积，该采区的涌水量预测有待进一步验证。

合理选择适当的预测方法，善于利用先进的技术手段，系统透彻分析水文地质条件，精心采集水文地质参数，是正确预计矿井涌水量的前提，是搞好矿井防治水工作的基础。

⑵ 煤矿地下水模拟研究现状

目前国外水文地质研究和防治水方法主要采用钻探、物探结合及主动防护法，即采用地面垂直钻孔，用潜水泵专门疏干含水层。为了适应预先疏干方法，国外生产了高扬程(达1000m)、大排水量(达5000m³/h)、大功率(2000kW)的潜水泵，其疏干工程已逐渐采用电脑自动控制。

国外堵水截流的方法也有很大发展，建造地下帷幕的方法愈来愈受到重视。为充分利用隔水层厚度，减少排水量，国外正在对隔水层的隔水机理、突水量与构造裂隙的关系、高水压作业下的突水机理、隔水层稳定性与临界水力阻力的综合作用等进行研究。

纵观几十年来我国矿井水文地质的发展概况，在当时开采规模和勘探条件下，用各种数学模型所预测的矿井涌水量对矿山开采起到了某种积极的指导作用。但随着煤田开采深度的加大和水文地质勘探所提供的不同性质的信息资料，一些用以预测涌水量的数学模型难以全面描述有关地质体的水文地质特征，因此必须从解析模型向数值模型发展。

总的来说，华北型煤田矿井涌水量预测的数学模型经历了以下几个发展阶段:

1.稳定流阶段

在20世纪50～60年代，我国煤矿矿井涌水量预测的数学模型基本以稳定流理论为基础，主要包括统计模型、经验比拟模型以及稳定井流解析法模型。

(1)统计模型。建立统计模型的基本思路就是根据矿井已知的某开采水平的矿井涌水量资料，推算下一个开采水平或与其条件相类似的另外矿山的未来矿井涌水量。统计模型的使用条件是已知模型与预测模型的条件大致相同，而且往往需要较多的已知观测资料才能得出比较正确的预测结果。所以又可分为:①水文地质比拟法模型。此模型是在水文地质条件相近和开采方法相同的条件下，利用原有的矿井涌水量和其他资料，采用经验比拟公式，预测未来的矿井涌水量。②相关分析法模型。利用同一体中的各种变量之间的相互关系，如抽水或放水试验中的降深与抽水或放水量的关系。在矿井涌水量预测的研究领域，相关分析法通过建立矿井排水量与对应的疏降水位的相关关系的数学模型，预测不同开采水平的对应矿井排水量。此类模型虽然计算方法简单，容易被人接受，但是它有比较严格的条件限制，不能随意无限制的推断预测未知。

(2)稳定井流解析法模型。在矿井疏降排水过程中，形成疏干(降压)漏斗，当漏斗扩展到补给边界，将出现矿井涌水量呈相对稳定且地下水水位不随时间变化的动平衡状态。这种状态可以用稳定流解析法预测矿井涌水量。在自然界，稳定是相对的，绝对稳定的地下水流运动极为少见，满足稳定流解析法模型的实际水文地质条件几乎不存在。因而，稳定流理论的进一步应用和发展受到了限制。

2.非稳定流解析法阶段

地下水非稳定流理论于20世纪70年代初，开始在我国矿床水文地质领域得到初步地普及和推广。因为它能比较符合实际地反映自然界中地下水的不稳定运动特征，能够比较全面地描述地下水疏降漏斗随时间不断扩展的全过程。所以，该理论发展很快，取得了一些较为满意的科研结果。但是自然界中的地下水流运动十分复杂，矿井水文地质条件千变万化，且实际地质条件与解析解假设条件相差甚远，这些都给它的发展带来了难以克服的困难。

3.单层数值解阶段

自20世纪70年代中后期，随着电子计算机的发展和离散数学的引用，数值解被广泛应用于矿坑涌水量预测中。由于它适应边界条件能力强，善于描述含水介质的非均质和各向异性特征，容易处理控制性方程中的源、汇项，并且考虑了矿井在大的降深疏降过程中所出现的承压转无压的非线性问题，所以能够较好的解决复杂条件下的各种地下水流状态，因此在理论和实际应用方面都发展较快。

在矿井涌水量预测的单层数值解方法中，值得提到的是“地下水不稳定流有限单元计算法———BT法”。该方法首先应用解析解来确定渗流计算区第一类边界上个别节点的变水头值(BT值)，根据这些信息再用有限单元数值法计算内节点及渗流计算区第二类边界的变水头值。

但在绝大部分矿区，由于含水层往往是非均质且各向异性，水文地质边界的性质和形状复杂多变，各种线状、面状的源、汇项随处可见。所以，利用解析法求解如此复杂的水文地质模型第一类边界的变水头值是不可能的。即使简化模型求得了结果，其仿真度也是可以想象的。既然所求的BT值可信度差，那么根据BT值再计算得到的数值解，在实际应用中误差很大，结果就更难令人信服。

4.多层数值解阶段

分析四十多年来矿坑涌水量预测数学模型的各个发展阶段，具有一个共同特点，即考虑范围均局限于某个直接充水的单层充水含水层。显然所用的数学模型不能真实地反映华北型煤田客观存在的多层充水含水层的立体充水地质模型，未能用数学语言翔实地描述出主要水文地质概念模型，这可能是造成以往矿坑涌水量预测失真的主要原因之一。

多层数值解模型从立体空间的尺度刻画了地质实体，既注意了浅部条带状隐伏露头内边界所引起的多层充水含水层之间的水力联系，又考虑了深部点、线状导水内边界的水力交换，同时还叠加了呈整体面状展布的裂隙网格型内边界的越流，从而彻底结束了传统的仅考虑单层充水含水层预测该类型煤田矿井涌水量的历史，克服了前人在这个问题研究上的缺陷，更确切地反映了客观实际，减小了由于数学模型假设条件与地质模型客观条件相差太大而引起的计算误差，圆满地解决了多年来一直未能妥善处理的数学模型与地质模型的脱节问题，使矿井涌水量预测研究工作进入了一个新的发展阶段。

1997年，周如禄、戴振学等在分析集贤煤矿水文地质条件和地下水动态的基础上，建立了矿区地下水运动的概念模型和拟三维的有限元数值模型，推导出了矿井涌水量预测表达式。

由于研究问题的目的和要求各不相同，研究区的矿床水文地质条件复杂多样，研究程度也各有差异。因此，建立模型要依据具体条件，用真实、客观的水文地质概念模型和数学模型进行客观描述。只有这样，才能为矿井水的涌水量预报和水位预测奠定可靠基础。

总之，其今后的主要发展趋势可以概括为以下5个方面:

(1)更加实时的模拟过程的信息需求分析，强调信息查询与模型仿真相结合，尤其注重复杂庞大的仿真模型的开发。

(2)日益重视图形、图像技术及多媒体技术的应用开发。主要包括图形用户界面、多窗口技术、信息的图形图像表示和快速查询，以及GIS结合的地理空间数据处理技术、配合模型的信息处理及反馈信息的图形图像表达等。

(3)采用先进的信息集成处理技术。将信息的收集、传送、处理、结果表达等集成在统一的计算机网络环境中，以加快信息运用的速度，满足实时模拟快速响应的要求。

(4)在库管理技术方面，通过方案管理技术来改善模型管理系统的功能，采用面向对象的数据库管理技术及SQL查询方式，增加数据更新的灵活性，提高信息查询速度，减少数据冗余，提高数据的安全性。

(5)应用范围将更为广泛。尤其在煤矿的矿井水水量预报与防治方面将发挥重要作用。

综上所述，矿井水文地质工作和防治水工作已经从定性逐渐向定量过渡。但从上述研究来看，其所见模型基本上以一维流、平面二维流、拟三维流为主，未能完全真实地对含水层进行刻画，尤其是在高水压、构造复杂的矿区，更难以真实地刻画其含水层。

本次研究将针对在大采深、高水压、构造复杂的矿区，利用目前流行的Feflow和Modf-low的地下水模拟软件，对地下水运动和地下水污染进行研究。

参考文献

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郭向东.1997.应用模糊数学法进行辽河下游段水质综合评价.水文科技信息，2(10):23～26

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毛文永.生态环境影响评价概论.1998.北京:中国环境科学出版社

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中国科学院黄土高原综合科学考察队.1990.黄土高原地区水资源问题及其对策.北京:中国科学技术出版社

⑶ 矿井涌水量预测的步骤和方法

矿井涌水量预测是一项贯穿矿床水文地质勘探全过程的工作。一个正确的预测方案的建立，是随着对矿床水文地质条件认识的不断深化而逐渐形成的，在一般情况下，有3个基本步骤:

2.1.2.1建立预测矿坑涌水量的水文地质模型

水文地质模型的建立有3个要点:①概化已知状态下矿区的水文地质条件;②给出未来开采矿坑的内边界条件;③预测未来开采条件下的外边界条件。

由于数学模型的作用是对地质模型进行“逼真”，因此，随着数学模型研究的迅速发展，对水文地质模型的要求越来越高。目前，对于复杂大水矿床来说，一个可行的水文地质模型的建立，必须贯穿整个勘探过程，并大致经历3个阶段。即:第一阶段(初勘阶段)，通过初勘所获资料，对矿床水文地质条件进行概化，提出水文地质模型的“雏型”，可作为大型抽(放)水试验设计的依据;第二阶段(详勘阶段)，根据勘探工程提供的各种信息资料，特别是大型抽(放)水试验的资料，完成对水文地质模型“雏型”的调整，建立水文地质模型的“校正型”;第三阶段，在水文地质模型“校正型”的基础上，根据开采方案(即已知疏干工程的内边界条件)预测未来开采条件下的外边界的变化规律，建立水文地质模型的“预测型”。

模型的预测在矿床水文地质计算中是一个高难度的工作。因为无论从含水层的内部结构到边界条件都是待定的，尤其是矿坑涌水量计算常常要求作大降深的下推预测，这给模型的预测增加了难度。由于目前还不能对各种开采条件下含水层结构的破坏程度和参数的变化进行预测，因此，只能以水文地质模型“校正型”为依据，根据勘探工程提供的各种信息资料，在已知内边界的条件下，预测未来开采条件下外边界的变化规律，来建立水文地质模型的“预测型”。

由此可见，矿坑涌水量的预测问题，实际上是一个不同阶段的水文地质模型的精度问题。对于一般水文地质条件(非大水)矿床，则依据各勘探阶段的勘探、试验、长期观测资料和开采方案，建立相应精度的水文地质模型和数学模型，来完成该阶段的矿坑涌水量预测。

2.1.2.2选择计算方法

矿井涌水量的正确评价是矿井水文地质工作的重要任务。不同的矿井，矿井充水条件差别很大，影响矿井涌水量的因素变化很大。不同矿井进行的水文地质勘察精度不同，拥有的水文地质资料的详细程度不同。因此，很难有单一的矿井涌水量预测方法直接套用。

根据不同的地质与水文地质条件，最大限度地利用矿井所拥有的相关资料，较为准确地预测矿井涌水量，需要研究和选择不同的矿井涌水量预测方法。其中最常见的矿井涌水量预测方法有水文地质比拟法、Q-S曲线方程法、相关分析法、解析法、数值法和水均衡法等。不同的矿井涌水量预测方法都有其适用条件。针对某个具体矿井选择什么样的计算方法，要视具体的水文地质条件及其所拥有的水文地质资料而定。在条件允许的情况下，对于一个矿井可采用不同的方法进行矿井涌水量预测，进而通过比较和综合分析选择较为准确的矿井涌水量。

2.1.2.3解数学模型，评价预测结果

应该指出，不能把数学模型的解算仅仅看作是一个单纯的数学运算，而应该看作是对水文地质模型和数学模型进行全面验证识别的过程。因此说，数学模型的解算，也是对矿床水文地质条件作进一步深化认识的过程，即从定性到定量的认识过程。

不同的预测方法，数学模型的复杂程度不同，求解的方法也不同，应根据预测方法选择适合的解法，并对预测结果进行评价。

⑷ 请问河南省哪里可以制造煤矿矿井巷道模型的。需要专业点的，附近省份的也可以。例如江苏省的。

河南天荣万华科教设备有限公司，这家是专业做煤矿安全教学模型的，各级安培中心通版风、采掘、机电、运输权提升实验室设备模型。去年我们单位在这家采购了一批三级安培中心培训模型，其中就有现代化矿井仿真综合系统模型，井上工业广场，井下全矿井生产系统，按理论制作的，外观非常漂亮，人家售后服务真好，前段时间有个小模型出了点问题我打个电话试试让来维修，没想到第二天技术人员就到我们矿上了。你要的这家应该能做的。

⑸ 模型的矿井开拓方式概述和评价

SYMAC-13 矿井开拓方式立体模型（B型）（适合于三、四级） 该模型是矿井开拓方式的缩影,可直观反应出主井、副井、风井、井底车场、运输大巷、回风大巷、回风石门等各种井巷相互位置和衔接关系,用不同颜色的流水灯演示运煤、通风、运料等主要生产系统，电动演示主、副井提升。使学员对全矿井有一个整体直观的了解。 主要产品有： 1.斜井单水平分区式开拓系统模型 规格：1200×800×1200 2.斜井单水平分带式开拓系统模型 规格：1200×800×1200 3.斜井多水平分段式开拓系统模型 规格：1200×800×1200 4.立井单水平分区式开拓系统模型 规格：1200×800×1200 5.立井单水平分带式开拓系统模型 规格：1200×800×1200 6.立井多水平分区式开拓系统模型 规格：1200×800×1200 7.走向平峒开拓系统模型 规格：1200×800×1200 8.斜交平峒开拓系统模型 规格：1200×800×1200 9.阶梯平峒开拓系统模型 规格：1200×800×1200

⑹ 低煤阶煤层气的成藏模拟实验研究

刘洪林 王红岩 李景明 李贵中 王勃 杨泳 刘萍

（中国石油勘探开发科学研究院廊坊分院 河北廊坊 065007）

作者简介：刘洪林，男，江苏徐州人，1973年生，汉族，2005年毕业于中国石油勘探开发研究院，获博士学位，主要从事煤层气勘探开发方面的研究工作。通讯地址：065007河北廊坊市万庄44号信箱煤层气E-mail：[email protected]。

本研究受到国家973煤层气项目（编号：2002CB211705）资助。

摘要 在美国粉河、澳大利亚的苏拉特等低煤阶盆地煤层气勘探取得突破以前，大家一直认为具有商业价值的煤层气资源主要存在于中煤阶的煤层中，煤阶太低，一般含气量不高，不具有勘探价值。但是近几年来的发现证实，低煤阶盆地煤层厚度大，渗透率高，资源丰度大，含气饱和度高，同样可获得了商业性的气流，而且从其气体的成因来看，其中有很大一部分是生物成因的煤层气。本文利用煤层气成藏模拟装置对低煤阶含煤盆地的煤岩样品开展了成藏模拟，从实验角度证明了中国西北地区虽然煤层煤阶较低，热成因气较少，但是却存在着具有商业价值的二次生物成因的甲烷气，再加上含煤层系众多，煤层厚度大，资源丰度极高，仍具有巨大的勘探潜力。

关键词 煤层气 水动力 成藏

Simulation Experiment of Biogenic Gas in Low Rank Coal of China

Liu Honglin，Wang Hongyan，Li Jingming

Li Guizhong，Wang Bo，Yang Yong，Liu Ping

（Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development，Langfang 065007）

Abstract：Before CBMexploration achieved success in the low rank coal basins like Power Rive Basin of the U.S.and Surat Basin of Australia，People thought that CBM resources with commercial development value mainly stored in medium-high rank coal seams and low rank coal was not worthy of exploration and development e to low gas content.But the exploration practices for recent years proved that commercial CBMproction could be obtained in low rank coal basins which have thick coal thickness，high permeability，high resource concentration，high gas saturation.Moreover，from the cause of formation of CBM，most of CBMin low rank coal belongs to biogenic gas.In this paper，the simulation experiment on CBM accumulation in coal samples from low rank coal basin was carried out by using simulation apparatus of CBM accumulation.The experiment proved that commercial secondary biogenic methane gas possibly existed in northwest coal basin although the rank of coal is low and there was little thermal-genic gas in the basin.Considering there are lots of thick coal seams and the resources concentration is high，the exploration prospect of CBM is promising in the northwest coal basins.

Keywords：CBM；hydrodynamic condition；accumulation

前言

进入20世纪90年代，随着煤层气产业的迅猛发展，美国煤层气的资源开发活动不再局限于中煤阶煤储层发育的圣胡安和黑勇士盆地，资源评价和研究工作覆盖了18个主要含煤盆地或含煤区，在其中12个含煤盆地从事煤层气开发活动，煤储层的煤阶从中煤阶扩展到低煤阶和高煤阶，特别是发育低煤阶煤储层的含煤盆地因煤层气资源量较大而受到重视，发育低煤阶煤储层的含煤盆地6个，煤层气资源量10×10¹²m³，占总资源量的53%，以粉河盆地为代表的低煤阶含煤盆地煤层气商业开发的成功，大大拓展了煤层气勘探开发的视野和领域。粉河盆地位于蒙大拿州东南部和怀俄明州东北部，面积25800km²，为一大型沉积盆地，形成于腊腊米运动造山期，盆地中含有巨厚的晚白垩世煤层，单层厚度达67m，煤层总厚118m。盆地为一不对称向斜，轴部靠近西部边缘，西部边缘以逆断层为界，靠近Bighorn隆起。西部地层倾角5°～25°，东部为翘起端，倾角不超过2°。上白垩统沿东南部和东部分布，古新统Fort Union组沿盆地边缘分布，盆地晚三叠系低界深1067m，粉河盆地煤炭资源量1.3×10¹²t，镜质体反射率为0.3%～0.4%，与西北一些低煤阶盆地相似，煤化程度低，含气量为0.03～3.1m³/t，但由于煤层厚度巨大，资源丰度大，预测煤层气资源量（0.5～0.8）×10¹²m³。粉河盆地煤层气碳同位素介于-65‰～-69‰之间，具有明显的生物成因特征，并且在其构造的高部位，生物气经过二次运移而富集，形成较高的含气量和较高的饱和度，有较高的渗透率，含气饱和度为80%～100%，钻井深度一般不超过305m，产气量为110～5976m³/d，产水量为45～69m³/d，最好的产气远景区是砂岩体附近与差异压实作用有关的构造高点、紧闭褶皱形成的构造高点以及煤层上倾尖灭的部位，并在该部位伴生有为非渗透性页岩所圈闭的游离气。

中国低煤阶煤储层非常发育。全国垂深2000m以浅的煤炭资源量为55697×10⁸t，低煤阶煤储层占到煤储层的一半以上。低煤阶煤储层形成于早中侏罗世、早白垩世、第三纪等成煤期，其中早中侏罗世、早白垩世是中国重要的成煤期，早中侏罗世成煤作用主要发生在西北地区，煤炭资源量占全国的35.5%^[1]，新疆准噶尔、吐哈、塔里木盆地、伊犁和焉耆是低煤阶煤储层发育的典型的大型内陆盆地，煤层厚度大，煤层最大累厚近200m，最大单层煤厚逾100m，煤层层数超过50层^[2]。中国西北地区低煤阶煤储层煤层气资源量丰富，早中侏罗世煤储层煤层气资源量超过10×10¹²m^3[3-4]。随着美国低煤阶煤层气藏商业开发的成功、国内煤层气勘探开发工作的推进，在近期低煤阶煤层气藏受到了越来越多的关注，有望成为新的研究热点和煤层气勘探开发新领域^[5，6，7]。但是中国西北地区与美国的粉河盆地、尤因塔盆地和澳大利亚的苏拉特盆地相比，在进入第四纪以来气候虽然总体较为干旱，但是部分地区由于受到天山影响，水动力仍非常活跃，具备二次生物气生成的可能，如位于天山北坡的准南地区、焉耆地区和伊犁地区。

1 研究区的煤层气地质概况

本次工作研究，重点对水动力较为活跃的伊犁和焉耆进行了采样，研究较强水动力条件下煤层次生生物气的生成问题。

1.1 伊宁地区

伊宁含气区块位于新疆维吾尔自治区西部伊犁自治州境内，区内为低山—丘陵及伊犁河畔冲积平原，含气区内地势西高东低，北高南低，属典型大陆性气候，盆地内先后由煤炭、石油、地矿部门进行过石油勘探及物探，煤炭部门在盆地边缘及局部进行过煤田勘探。特别是近几年来，随着油气勘探工作的进展，在盆地内，已进行了部分钻探实物工作量。该区含煤地层为侏罗系中统西山窑组，下统三工河组和八道湾组，主要为一套河湖相的灰、灰白色含砾砂岩，深灰色泥岩，砂质泥岩夹煤层。伊宁含气区块侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组成煤环境优越，聚煤时间长，形成的煤层较稳定，厚度大，层数多，为煤层气的形成奠定了物质基础。西山窑组主要为一套浅灰色含砾粗砂岩，灰白色中、细粒砂岩，深灰色泥岩、砂质泥岩夹煤层，在区内北部地层厚度一般211～552m，含煤10～15层，煤层单层厚度相对较小，层数较多，反映成煤环境震荡性较强。南部一般厚度为102～132m，含煤4～6层。单层厚度相对较大，层数相对较少，反映成煤环境较稳定。八道湾组主要为一套灰白色含砾粗砂岩，中、细粒砂岩，深灰色泥岩，砂质泥岩夹煤层。在区内北部厚度一般在342～452m；南部厚度在60～150m。在北部含可采煤层10层，厚度15～68m，据（伊参1井）资料，可采煤层厚度为88m。在南部煤层厚度相对较小。煤质分析资料表明，该区侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组煤层，原煤灰分含量在9.71%～25.60%，一般含量在12%～18%，其变化特征属中—低灰、低硫—特低硫、低磷煤，是有利于形成煤层气的煤质类型。

伊宁含气区块侏罗系中、下统沉积之后，受燕山构造运动的影响，褶皱、断裂使含煤地层遭受不同程度的改造。现构造形态主要表现为不对称的复式向斜，呈近东西向展布。含煤地层倾角一般在20°～30°之间，其中北部相对较陡，南部较缓。断层多发育在褶皱轴部，以逆断层为主，断层线呈北西西向展布。从构造展布特征分析，构造相对较简单，有利于煤层气的勘探开发。八道湾组和西山窑组煤层组埋藏深度0～2000m，分布面积约3445km²，占含煤地层分布面积的82%。从构造赋存地质条件分析，构造较简单，有利于煤层气的勘探开发。该区侏罗系中、下统煤层煤级为长焰煤，煤层气地质资源丰度为1.28×10⁸m³/km²，资源丰度较高，有着较好的勘探开发前景。

1.2 焉耆地区

焉耆含气区带侏罗系中、下统是主要的含煤岩系。侏罗系中、下统是在盆地经历了印支末期构造运动，三叠系遭受不同程度抬升剥蚀后，盆地又逐渐下降，接受该套内陆含煤碎屑建造。八道湾组沉积时，盆地受南缘库克塔格山和北缘南天山差异抬升隆起作用，呈现为南低北高的古地貌。由于古气候温暖潮湿，有利于植物的生长，植被茂盛，森林密布，形成大面积泥炭沼泽，为形成厚煤层奠定了物质基础。据本区哈满沟、塔什店矿区资料，本组煤层称A组，含煤3～14层，累计厚度10～30m，一般厚度10～15m。盆地内石油钻井钻遇本组煤层厚度一般30～40m，最厚可大于60m。煤层空间展布特征为东部厚度相对较薄，一般厚度10～15m，而西部较厚，在四十里城一带最厚可大于60m。

西山窑组沉积时，气候温暖潮湿，地势相对平坦，形成大面积泥炭沼泽，有利于成煤物质的生长，为形成厚煤层奠定了物质基础。据盆地内煤田及石油钻井资料统计，本组含煤5～10层，可采煤层厚度10～40m之间，一般厚度10～30m之间。焉耆含气区带侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组成煤环境优越，聚煤时间长，形成的煤层较稳定，厚度大，层数多，为煤层气的形成奠定了物质基础。其中侏罗系下统八道湾组煤层厚度大，稳定性强，煤层气勘探开发潜力较好，是煤层气勘探开发选区评价的主要目的层。

本区内目前煤矿开采以西山窑组煤层为主，煤质分析资料较少。据塔什店矿区分析资料统计，煤层分析基水分含量平均在 4.34%～4.59%，分析基灰分含量在2.36%～6.79%，挥发分产率在42.33%～49.29%，硫分含量在0.39%～0.73%。煤层水分含量中等，灰分、硫分含量较低，属特低—低灰、特低—低硫煤，是有利于形成煤层气的煤质类型。

焉耆含气区带大地构造位于库鲁克褶皱带和天山褶皱系南天山褶皱带之上，是受海西期—印支期构造作用的影响在夷平面的基础上形成的中生代含煤盆地。中生界沉积之后，经历了燕山和喜山多次构造运动的影响，改造后的侏罗系中、下统含煤地层形成了复杂多样的构造面貌。本区中生代以来构造演化大致经历了燕山、喜山二期，使盆地内侏罗系中、下统含煤地层遭受强烈抬升剥蚀，煤层压力降低，吸附在煤层中的气体解吸扩散，含气量降低。埋藏深度600～2000m 区，累计分布面积约930km²，占含煤地层分布面积的39%。主要分布在西部塔什店矿区，中东部盐家窝及库木布拉克等地，是煤层气勘探开发深度较理想的区域。

据钻井及矿井煤层采样分析资料及埋藏深度资料综合分析，焉耆含气区带侏罗系中、下统煤层埋藏深度2000m以浅区煤级以气煤为主。焉耆含气区带侏罗系中、下统以往煤田地质勘探程度相对较低，有关煤层含气量资料也较少，矿井开采深度较浅（一般在100～300m之间），相对瓦斯含量也较低。

2 煤层气成藏模拟实验装置和原理

煤层气成藏模拟装置的特点是模拟地层温度、压力、地层流体介质下煤层气富集成藏过程，它可以通过模拟不同物性组合、不同介质、不同充注压力、不同运移方式煤层气成藏过程，获取不同模拟条件下的物理和化学参数，确定煤层气不同运移条件下的边界条件。设备主要由气体增压泵、恒温箱、仪表控制面板和计算机采集-处理系统。其中控制面板包括压力控制子面板、温度控制子面板、平流泵控制子面板、真空泵控制按钮、流程图；恒温箱内放有多功能模型仓Ⅰ、多功能模型仓Ⅱ和参考缸；计算机采集系统包括一套数据采集模块和数据处理软件。图1是装置原理流程，装置考虑采用不同岩心、不同岩性、不同气体介质进行工作，同时进行精确计量。把设计制作后的岩心组合装进多功能模型仓，利用气体增压泵维持环压，利用平流泵提供不同的流体介质、不同充注压力，通过温度和压力仪表以及传感器采集温度和压力数据，并经过数据处理软件分析温度压力数据。

在自然界中，已知的产甲烷菌中有一半可利用甲酸盐形成甲烷。甲酸盐首先转化成CO₂和H₂，然后再通过还原反应生成甲烷。在自然界中能够利用氢还原二氧化碳及利用醋酸盐发酵的产甲烷菌的存在是生物成因的煤层气成藏的必要条件。与近地表甲烷生成过程研究相比，地下（十几米到几百米深度）甲烷生成的研究工作相对较少。在地下环境中，对于甲烷的产出来说，沉积物必须具备使产甲烷菌得以生存及繁殖的孔隙空间。对此，低煤阶煤层中发育的孔隙空间和裂隙系统对甲烷菌的生成是非常有利的。甲烷生成菌不具有直接分解煤层的能力，要形成甲烷须有一个前期阶段，即主要依酸发酵菌和还原菌分解类脂化合物和大分子聚合物如纤维素和蛋白质等；接着微生物进一步脱去长链酸（和乙醇以上的醇）的氢而生成氢、甲酸、乙酸、二氧化碳和醇等。甲烷菌由此取得碳源和营养而生存，并以此为基质进行生物化学和新陈代谢作用产生甲烷。

图2 伊宁和焉耆地区煤岩样品产甲烷菌实验

3.3 生物甲烷气成藏模拟实验

把接种过甲烷菌的煤层样品放入成藏模拟装置内，在35^oC的恒温状态下，开始培养，观测煤岩样品生气过程。经过近两个月的连续实验得到一条压力-时间曲线。经分析认为曲线存在两个明显的曲线段，第一阶段为快速生气阶段，第二阶段为生气-吸附平衡阶段（图3）。对最后生成的气体进行了分析，其所产气体成分主要为CH₄、N₂和CO₂。除个别样品外，绝大多数样品所产气中C²⁺含量很低，甲烷碳同位素值相差较大，从-56‰～-67‰，表明为生物成因气体。

图3 煤样生物成气后吸附过程中的压力-时间变化曲线

4 实验结果及其讨论

（1）模拟试验表明，一方面在我国西北地区低煤阶煤层中存在产甲烷菌，另一方面证明了低煤阶的煤层可以作为二次生物气的来源。根据资料，伊犁盆地浅部的煤矿区在侏罗系煤层中所产气的δ₁₃C为-66.10‰～-60.12‰，显然属于生物甲烷气。

（2）与高煤阶相比，低煤阶一般埋藏较浅，孔隙空间较大，适合产甲烷菌的生存和繁殖，所以国内外的低煤阶盆地多发现生物成因的煤层气富集成藏。

（3）在我国西北地区，由于煤阶普遍较低，热成因甲烷生成量有限，次生物成因气生成量巨大，特别是在焉耆和伊犁地区，煤层层数众多，地下径流活跃，煤层中有大量甲烷菌繁殖，有大量的二次生物成因气生成、运移，如遇到断层遮挡、煤层尖灭等圈闭条件，就有可能形成较高的饱和度，形成具有商业价值的煤层气藏群。

参考文献

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[7]张彦平等.1996.国外煤层甲烷开发技术译文集，北京：石油工业出版杜，20～80

⑺ 煤矿术语及含义 比如说 溜煤眼，放顶煤，开切眼等等

本安型本安型是本质安全型的简称本质安全源于按GB3836.1-2000标准生产，专供煤矿井下使用的防爆电器设备的分类，防爆电器分为隔爆型、增安型、本质安全型等种类，本质安全型电器设备的特征是其全部电路均为本质安全电路，即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。也就是说该类电器不是靠外壳防爆和充填物防爆，而是其电路在正常使用或出现故障时产生的电火花或热效应的能量小于0.28mJ, 即瓦斯浓度为8.5%（最易爆炸的浓度）最小点燃能量。本质安全，就是通过追求企业生产流程中人、物、系统、制度等诸要素的安全可靠和谐统一，使各种危害因素始终处于受控制状态，进而逐步趋近本质型、恒久型安全目标。本质安全是珍爱生命的实现形式，本质安全致力于系统追问，本质改进。强调以系统为平台，透过繁复的现象，去把握影响安全目标实现的本质因素，找准可牵动全身的那“一发”所在，纲举目张，通过思想无懈怠、管理无空档、设备无隐患、系统无阻塞，实现质量零缺陷、安全零事故。人的本质安全相对于物、系统、制度等三方面的本质安全而言，具有先决性、引导性、基础性地位。人的本质安全包括两方面基础性含义。一是人在本质上有着对安全的需要。二是人通过教育引导和制度约束，可以实现系统及个人岗位的安全生产无事故。人的本质安全是一个可以不断趋近的目标，同时又是有具体小目标组成的过程。人的本质安全既是过程中的目标，也是诸多目标构成的过程。本质安全行的员工可通俗的解释为：想安全，会安全，能安全。即具备自主安全理念，具备充分的安全技能，在可靠的安全环境系统保障之下，具有安全结果的生产管理者和作业者。本质安全型企业指在存在安全隐患的环境条件下能够依靠内部系统和组织保证长效安全生产。该模型建立在对事故致因理论研究的基础上，建立科学的、系统的、主动的、超前的、全面的事故预防安全工程体系。 本质安全防爆方法是利用安全栅技术将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内，从而消除引爆源的防爆方法。 对于仪表检测和控制回路而言，限制能量首先意味着限制电压和电流。又由于电容和电感能够储存和释放电能量，因此电容和电感也须限制。 实践中，人们利用火花实验装置，通过实验确定对不同危险类别气体的电能量限制参数。国际标准和中国国家标准中给出的常用电能量引爆曲线有电压电流引爆曲线、电压电容引爆曲线和电流电感引爆曲线等。根据这些曲线，再参考1.5倍的保险系数，人们便可以确定在涉及某类气体时，对指定回路的电能量限制参数。 例如，涉及IIC类气体(如氢气)时，对标准24VDC供电的回路(如变送气，电气转换器，电磁阀等)通常设定限压值为28V。依此限压值查电压电流引爆曲线，并考虑1.5倍的保险系数，可确定此时的限流值，可确定此时的限流值应为119mA。依28V限压值并考虑1.5倍的保险系数后查电压电容引爆曲线，可确定回路电容值应限制在0.13μF。依119mA限流值并考虑1.5倍的保险系数后查电流电感引爆曲线，可确定回路电感值应限制在2.55mH。 为限制仪表的表面温度，除需限制回路的开路电压和短路电流外，还要限制回路的最大功率。 本质安全防爆回路，总是由一个本安现场仪表和作为回路限能关联设备的安全栅配合组成

保护层路面保护层是指在磨耗层上用砂土材料铺成厚度不超过1CM的薄结构层，其作用是保证路面的平整度。煤矿保护层：在开采煤层群时，有的煤层突出（煤与瓦斯突出）危险性大，有的煤层突出危险性小，甚至没有突出危险性。为了保护突出危险性大的煤层而先开采的不突出或突出危险小的煤层就叫保护层；后开采的突出危险煤层叫被保护层。

外因火灾由外部火源(如明火、爆破、电流短路等)引起的火灾外因火灾是指由外部火源，如明火、放炮、机械摩擦、撞击、电气设备产生的电弧火花，瓦斯或煤尘爆炸等引起的火灾一般的说，在电气化程度较低的中、小型煤矿，大多数外因火灾是由于使用明火或违章爆破等引起的。在机械化、电气化程度较高的矿井，则大多是由于机电设备管理维护不善，操作使用不当，设备运转故障等原因所引起的。而且随着矿井电气化程度的不断提高，机电设备引起的外因火灾的比重也有增长的趋势。在井下吸烟、取暖、违章放炮、电焊及其它原因，引起的外因火灾，也时有发生。外因火灾大多容易发生在井底车场、机电硐室、运输及回采巷道等机械、电气设备比较集中，而且风流比较畅通的地点。这类火灾一般发生得比较突然，发展速度也快。一个小火源，稍有疏忽，火势就可能蔓延扩大到很大的范围。如果发现不及时，处理方法不当，或是行动措施不果断，会给矿井带来严重损失以至发生惨痛的人身伤亡事故

大巷大巷：煤矿术语之一。就是井下的主要巷道。附录：巷道大巷（dā hàng)workings地下采矿时，为采矿提升、运输、通风、排水、动力供应等而掘进的通道。根据巷道长轴线与水平面的关系分为3类：①直立巷道。巷道的长轴线与水平面垂直，包括立井、盲立井。立井中直接与地面相通，专门或主要用于提升矿石的称主井；作提升废石、矸石、下放器材、升降人员等辅助提升用的称副井。盲立井不与地面直接相通，又称暗立井。专门用来溜放矿石的暗井称溜井。②水平巷道。巷道的长轴线与水平面近似平行。如平硐，直接与地面相通，包括担负主要运矿任务的主平硐、担负辅助运输的副平硐和专作通风用的通风平硐等；石门，与地面不直接相通，其长轴线与矿体走向斜交或直交。平巷，与地面不直接相通的水平巷道，其长轴方向与矿体走向平行，布置在矿体内的称脉内平巷，布置在岩石中的称脉外平巷。③倾斜巷道。巷道的长轴线与水平面呈一定角度。如作用与立井和平硐相同，与地面直接连通的倾斜巷道——斜井，用于开采某水平以上或以下矿体的上山道或下山道、斜坡道和天井等。巷道断面形状多为拱形、梯形或矩形，围岩松软的为圆形、椭圆形或马蹄形。如围岩不稳定，须进行支护，根据围岩稳定程度、涌水量、断面形状和大小、服务年限等因素，选择喷射混凝土、锚杆、金属钢筋混凝土或石材等支护形式。

火风压井下发生火灾时，由于高温烟流流经有标高差的井巷所产生的附加风压矿井中发生火灾时，烟流主要沿着原来的风流方向移动，火灾波及的范围内空气温度升高，形成与自然风压相同的火风压。火风压可以使巷道内的风流逆转，使有毒有害气体波及到临近巷道，造成人员伤亡，还可以使通风系统混乱，造成瓦斯爆炸。控制火风压，尽可能使之减小。采用灭火，修筑临时防火密闭墙，加大供风量，利用火源近的巷道将烟直接引入总风道排至地面。

避难硐室矿工自救中，设置避难硐室是十分必要的。由于自救器有效时间较短，当佩戴自救器后，在其有效作用时间内不能到达安全地点；撤退路线无法通过；若有自救器而有害气体含量又较高时，避难硐室可以发挥作用。避难硐室有两种：一种是预先设置的避难硐室；一种是当多故出现后因地制宜地构筑临时性的避难硐室。预先设置的避难硐室，如中央避难硐室，可设在井底车场附近，与井下保健站硐室结合在一起。采区避难硐室．用设于采区安全出口的路线上，距人员集中工作地点不超过500米。其容积应能容纳一个工作班的采区全体人员。在有煤与瓦斯突出危险的矿井的掘进工作面附近，也应设难避难硐室，各硐室中应装备有一定数量的自救器。避难硐室必须构筑严密，以免有害气体侵入，使避难人员受害。永久避难硐室有过滤和制氧装置，有的能造成封闭式小循环．以及必要的救护器材。临时避难硐室是利用工作地点的临时巷道，硐室或两道风门之间的巷道，在事故发生后临时修建的。临时避难硐室机动灵活，修筑方便，正确地选择修建临时避难硐室的地点，往往能对受难人员发挥很好的救护作用。在进入临时避难硐室前，应在硐室外留有衣物、矿灯等明显标志，以便救护队发现。待避时，应保持安静，避免不必要的体力消耗和空气消耗，借以延长避灾时间。硐室内除留有一盏灯照明外，其余矿灯应全部关闭。在硐室内可间断地敲打铁器、岩石等，发出呼救信号。全体避难人员要坚定信心，相信在各级领导和职工的努力下，一定会安全脱险。

戗柱在煤矿高档普采工艺中，为保持支架的稳定性，防止支架或支柱倒向一侧，在支架或支柱的另一侧支设一棵支柱，新支设的这棵支柱，柱头与原支柱紧邻，柱脚离开原支柱一定距离，以起到防止原支柱或支架歪倒。这棵支柱就称作戗柱。

拿道拿道——煤矿术语，原指井下电车脱轨，即“掉道”后，用手和工具使其重新走向正轨。后泛指修正错误，改正缺点等方面的过程。

非常仓库井下贮存救灾材料和设备的硐室

均压防灭火降低采空区和已采区两侧的风压差，减少漏风，达到预防和消灭火灾的措施

止浆岩帽止浆岩帽：井巷工作面预注浆时，暂留在含水层上方或前方能够承受最大注浆压力（压强）并防止掘进工作面漏浆、跑浆的岩柱

⑻ 典型地质异常体瞬变电磁响应物理模拟

在电磁法勘探中，物理模拟是研究野外条件下电磁响应特征的重要手段。由于野外地质地理以及人文条件较为复杂，岩（矿）石物理性质变化很大，很多目的物的响应无法用数学解析式表示，使用高性能的电子计算机，采用有限元、有限差分等近似数值解法，虽然大大提高了解题的范围，但仍存在一些不易解决的问题。另一方面由于无严格的解析解与近似解作对比，因此还需要借助于物理模拟的方法来验证近似解的正确性和近似程度。

瞬变电磁超前探测在井下巷道空间中进行，巷道空间的存在改变了瞬变电磁场全空间分布特征，使其不再是严格意义上的全空间场。本章使用盐水充当巷道空间围岩介质，使用玻璃槽充当巷道空间，建立了瞬变电磁超前探测含巷道全空间物理模型，根据目前瞬变电磁井下实际超前探测方法，对不同异常体的超前探测响应特征进行了物理实验模拟。

1.实验模型系统设计

（1）地质模型

典型的矿井地质模型为水平层状，相对顶、底板来说煤层可视为高电阻率介质。掘进巷道位于煤层当中，如图6－8所示。一般采煤工作面掘进巷道断面的宽度为2～4m，高度为2～4m。本章主要研究巷道空间对矿井瞬变电磁场分布的影响规律。因此，假设巷道位于均匀全空间介质当中，即顶板、底板和煤层具有相同的电阻率值100Ω·m。在矿井瞬变电磁法实际工作当中，因巷道空间的限制常选用多匝小回线作为发射、接收装置，线圈边长通常为2m，同时，按照矿井防爆措施要求，发射电流应小于10A。

图6－13 超前探测多测道剖面图（异常位于迎头正前方）