氡气测量在沙基型浅埋煤层覆岩裂隙监测中的模型实验研究

论文摘要

煤炭是我国乃至世界最重要的能源之一,提供了能源需求的绝大部分。随着国民经济的快速发展,对煤炭的需求量也越来越大,故加大煤炭资源的开采是缓解目前用煤紧张的主要方式。但是大规模的煤炭开采,特别是浅埋每层的开采,容易使地表塌陷或产生大的裂隙,造成地下水流失和地表植被破坏,如果能用某种监测方法掌握煤层采动过程中上覆岩层内裂隙的分布情况,那么就可以减少在煤炭资源开采过程中造成的环境破坏。虽然目前用于覆岩破断的探测方法有很多,但是还没有一种可靠、有效、易操作的,并且能够对覆岩采动裂隙进行连续监测的方法,因此,如能找到一种既可靠,又易操作的方法,将具有重要的现实意义。众所周知,氡气测量技术已经是一种成熟有效的技术,它在地质领域的应用已经相当广泛,常用于发现隐伏构造、寻找石油天然气、寻找铀矿床、地质填图、寻找地下水、解决有关工程地质问题、寻探煤田陷落柱、探测煤田地下火区,在这些实践中都获得了良好的效果;同时煤层中较周围岩层赋存着更多的氡气,在煤层采动过程中氡气能通过贯穿裂隙向上迁移而到底地表。这两个有利因素为利用氡气测量技术来监测煤层开采过程中上覆岩层的裂隙发育与分布创造了条件。但是要将氡气测量方法和煤层覆岩裂隙发育联系起来,有很多基础研究工作要做。为此,本论文以成都理工大学方方教授和中国矿业大学张东升教授的合作项目“氡气地面探测覆岩采动裂隙及其导水性的综合实验系统的开发”为依托,以国内的两大沙基型浅埋煤矿为原型,采用固气耦合模拟模型实验来监测氡气在模拟回采开始前和回采中的迁移情况,同时借助瓦斯在煤层覆岩中的迁移规律,探讨了煤层采动与煤层上覆岩层中的氡气浓度之间变化关系的数学模型,为后面监测系统的开发提供实验和理论依据。本论文在实验阶段建立了三个相似材料模拟模型,其中模型Ⅰ是以大柳塔矿1203工作面为原型,它含有一个关键层;模型Ⅱ是以补连塔煤矿32201工作面为原型,它含有两个关键层;模型Ⅲ的岩层结构和模型Ⅱ基本相同,只是模型Ⅲ上部的风化砂层的含水量较模型Ⅱ增大了很多。通过对三个相似材料模拟模型的数据监测与分析,可得出以下结论:(1)模型中监测点处氡气浓度的变化能较好的反映煤层采动时,模型中裂隙的发育变化情况。(2)模型中氡气浓度的变化情况和模型中上覆岩层的结构有关,并且模型内部的氡气浓度变化较表层明显。(3)从裂隙的发育到测氡仪捕捉到由裂隙发育引起的氡气浓度变化有一个时间延迟的过程。同时,本文针对前期实验中出现的一些问题,为以后进一步的实验提出了两点改进建议:(1)适当加长模拟实验的监测时间。(2)在模型中增加温湿度传感器和应力传感器,特别是应力传感器,只有知道煤层采动时覆岩中的应力情况,才能求解氡气迁移的数学模型。此外,本论文所涉及的所有实验都是本文作者在中国矿业大学张东升教授、成都理工大学方方教授的指导下,在中国矿业大学矿业工程学院和张玮博士、李翔硕士一起负责完成的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 覆岩采动裂隙监测
• 1.2.2 氡测量技术的应用
• 1.3 论文依托及研究内容
• 1.3.1 论文依托
• 1.3.2 研究方法与内容
• 1.4 论文的技术路线和创新之处
• 1.4.1 技术路线
• 1.4.2 论文创新之处
• 第2章 浅埋煤层覆岩地质条件评价
• 2.1 浅埋煤层的定义和特征
• 2.2 鄂尔多斯矿区浅埋煤层介绍
• 2.2.1 鄂尔多斯矿区工程地质概况
• 2.2.2 鄂尔多斯矿区煤系地质特征
• 2.2.3 鄂尔多斯矿区水文地质特征
• 第3章 氡气的基本理论及煤层覆岩中氡气场的形成机理
• 3.1 氡气的基本性质
• 3.1.1 氡气的物化性质
• 3.1.2 氡气的溶解性
• 3.1.3 氡气的辐射特性
• 3.1.4 固体物质对氡气的吸附
• 3.2 氡气的产生
• 3.3 氡射气作用
• 3.4 氡的来源及分布
• 3.4.1 氡的来源
• 3.4.2 氡在岩石中的分布
• 3.4.3 氡在土壤和水中的分布
• 3.4.4 氡气在空气中的分布
• 3.4.5 煤层中氡气的赋存
• 3.5 氡气的迁移
• 3.6 采动煤层覆岩中氡气场的形成
• 第4章 覆岩中氡迁移规律的实验研究
• 4.1 实验内容和目的
• 4.2 相似材料模拟方法介绍
• 4.3 氡气测量技术
• 4.3.1 常见氡气测量方法
• 4.3.2 测氡仪的标定
• 4.3.3 实验中的氡气测量仪器介绍
• 4.4 相似模拟实验
• 4.4.1 实验对象
• 4.4.2 实验器材和材料
• 4.4.3 实验模型构建
• 4.4.4 实验模型制作
• 4.4.5 氡气浓度监测
• 4.4.6 实验过程及原始记录
• 4.5 实验数据处理及分析
• 4.5.1 模型Ⅰ中各测点氡浓度特征分析
• 4.5.2 模型Ⅱ中各测点氡浓度特征分析
• 4.5.3 模型Ⅲ中各测点氡浓度特征分析
• 4.5.4 三个相似材料实验模型测量结果对比
• 第5章 煤层采动时覆岩中氡气运移的数学模型
• 5.1 煤层覆岩破断变形方程
• 5.2 煤层覆岩破碎带中氡气的渗流场方程
• 5.3 煤层覆岩破碎带中氡气的扩散方程
• 5.4 煤层采动时上覆岩层裂隙带中氡气运移的数学模型
• 结论及建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果