变质量破碎岩体非线性渗流试验研究

为了更进一步研究陷落柱的突水机理,完善陷落柱突水的试验基础,通过自制的一套变质量破碎岩体渗流试验系统,对变质量破碎岩体非Darcy流渗透特性进行试验,并对破碎泥岩在渗流过程中质量流失量、孔隙度、渗透率、非Darcy流β因子及加速度系数的时变规律进行了研究。研究表明:泥岩试样在渗流过程中渗流形式发生了巨大的变化。在渗流开始时,流失质量迅速增加,引起试样内部孔隙结构变化,孔隙度增加,试样的渗透性能增强,试样压得越密实,质量流失量越多,孔隙度变化越快,渗透性能越强。质量流失量与渗透性是相互影响的,由于试验中质量流失具有时变性特征,渗透性能也具有时变性。最后,陷落柱突水过程可以描述为,在其底部承压水压力作用下,大量细小颗粒随水流一起迁移流失,引起柱体内孔隙度变大,渗透性加强,导致渗流剧变,引发突水。     

变形历程对破碎岩体水沙渗流特性影响试验研究

为研究破碎岩体变形历程对其水沙渗流特性的影响,设计了一套水沙渗透系统,在MTS816系列电液伺服岩石力学试验机上进行了配径碎岩在2种不同变形历程下的渗透试验。研究表明:破碎岩石变形历程对其水渗流特性无明显影响;破碎岩石的孔隙率在一定范围时,水沙渗流过程中,其孔隙率会由于滤沙作用而降低,导致渗透率降低;有蠕变经历的破碎岩石在水沙渗流过程中更易于过滤沙粒,滤沙量较大,而溃沙量较小;破碎岩体初始孔隙率相同时,水压梯度的增加会导致滤沙量减少,溃沙量增加。给出了一个描述破碎岩体初始孔隙率与水压梯度对滤沙量综合影响的表达式,为破碎岩体突水溃沙的风险预测评估提供指导。     

西部矿区突水溃沙类型及机理研究

突水溃沙灾害是西部浅埋煤层开采常见问题之一,对矿井安全生产和当地脆弱的生态环境都有着极其不利的影响。在分析西部矿区突水溃沙主要类型的基础上,通过自主研制多孔介质水沙两相渗流试验系统,从多孔介质孔隙度、破碎岩石粒径、沙粒粒径3个方面对突水溃沙的机理进行了研究。结果表明:西部矿区突水溃沙主要类型可以分为切落裂缝型、冒落型、钻孔诱发型3类;孔隙度对发生突水溃沙灾害的影响与破碎岩石粒径有着密切关系,随着破碎岩石粒径增大,孔隙度改变对压力梯度和沙粒流失量的影响程度将降低。沙粒流失量随孔隙度的降低而减少,低孔隙度含水层发生溃沙的可能性将大大降低;同一孔隙度和沙粒粒径条件下,含水层砾石颗粒越小,发生突水溃沙灾害所需的压力梯度就越大,沙粒流失量也越小,越不容易发生突水溃沙灾害;同一孔隙度条件下,0.074~0.25 mm的细砂较之0.25~0.83 mm的中砂或者粗沙更易发生突水溃沙灾害,其所需的启动压力也较小,随着破碎岩石粒径增大,其沙粒流失量呈非线性显著增加。     

断层影响下煤层开采突水风险流固耦合数值模拟研究

断层引起的底板采动突水是煤矿防治水中的重要问题，研究因采动引起断层活化，以及对底板渗透性变化全程进行演化是解决此类问题的关键。在前人成果的基础上总结了采动过程中围岩渗透性变化规律及渗透系数-体积应变耦合方程，将其嵌入FLAC^3D流固耦合模型中。并以济宁二矿103_下03工作面八里铺断层为背景，模拟不同煤柱尺寸情况下底板断层突水演化规律。结果表明：八里铺断层对于103_下03工作面安全开采具有重要影响。防水煤柱尺寸为90 m时，奥灰水会沿导水通道进入采空区，引发突水事故；当其为100 m时，采动过程是安全的，且有效隔水层厚度约5 m。最终确定济宁二矿103_下03工作面八里铺断层防水煤柱留设宽度取100 m。     

陷落柱填隙物全应力-应变过程的渗流特性研究

岩溶陷落柱易导通含水层与煤层从而引发底板突水事故,已经成为我国华北地区下组煤开采的重要安全隐患。对于固结良好的陷落柱,其填隙物的渗透性直接影响着陷落柱的整体渗透性,且在采动压力的影响下,陷落柱填隙物的渗透性也在不断发生变化。为研究不同应力状态下填隙物渗透率的变化规律,对填隙物进行固结重塑,并利用MTS815.02渗流试验系统对重塑后不同初始含水率的填隙物试样进行了不同围压条件下的全应力-应变过程的渗流特性试验。试验结果表明:1)陷落柱填隙物全应力-应变过程渗透率的变化曲线可划分为压密段、破坏段和蠕变段,渗透率对应的呈现出减小-增大-减小的变化规律;2)填隙物的全应力-应变过程的渗透率峰值随围压的增大而减小,其峰值比与围压差存在指数函数关系;3)填隙物的初始渗透率和孔隙度随初始含水率的增大而增大,渗透率比和孔隙度比存在幂函数关系,在全应力-应变过程中渗透率峰值与初始值的差随初始含水率的增大而减小。     

基于启动压力梯度测定实验数据的储层孔渗下限研究

海上S油田处于勘探评价阶段,储层物性下限尚无统一标准,给评价工作的进展及钻采工艺技术的应用带来困难。以S油田沙二段、沙三段为研究对象,基于启动压力测定实验数据,创新性地研究出了一种以启动压力梯度测定实验数据为基础的极限井距确定方法及储层开发下限的确定方法,并得到不同有效厚度、不同生产压差下的渗透率下限及孔隙度下限的理论图版。结果表明:当压差一定时,有效厚度越大,孔渗下限越小;有效厚度一定时,压差越大,孔渗下限越小。沙二段、沙三段在不同有效厚度、不同生产压差下对应的孔渗下限范围分别为14.33%~21.64%、1.00×10^-3~185.78×10^-3 μm²,12.60%~29.33%、1.01×10^-3~6 238.53×10^-3 μm²。孔渗下限图版的确定为该油藏开发技术政策的制定以及油井配产具有一定的指导意义。     

新安矿区二1煤煤层气分布特征及资源潜力

以新安矿区二₁煤层为研究对象,基于区内煤田地质勘查、煤炭资源开发资料,结合区内煤矿井观察,分析了煤储层和煤层气分布特征,估算煤层气总资源量347.80×10⁸ m³,资源丰度0.614 4×10⁸ m³/km²。选取地质构造、埋深、煤厚、渗透率、储层压力、资源丰度6个要素对该区煤层气资源潜力进行评价,综合评价认为KD₁、KD₃属较有利区,其他属潜力区。     

注水压裂技术在焦作大水矿区煤层气开发中的应用

河南焦作矿区是我国著名的大水矿区,主采的二₁煤层含气量较高,一般在10~ 20 m³/t,是开发煤层气的理想区块。但煤岩本身渗透率普遍较低并且具有很强的压缩性,进而导致难以自然开采。为了探索矿区压裂抽采试验成功与失败的原因,通过对二₁煤层与底板的力学特征、构造特征、水文地质特征以及抽采试验的工艺数据的实例分析,阐明了水文地质作用对煤层气赋存及压裂抽采井产能的影响机理,即强烈的地下水径流作用,使原先游离于储层空隙中的煤层气逸散殆尽,孔隙水压也使得大量吸附于裂隙中的煤层气难以解吸,因而无法形成长期稳定的单井规模产量。     

小保当井田2-2煤潜水采动影响分区研究

针对小保当井田在未来开采过程中造成的地下水资源大量漏失的问题,以小保当井田开采的2^-2煤层为研究对象对潜水资源受煤层采动影响分区进行研究。采用富水指数法通过AHP-熵值法建立评价模型划定了萨拉乌苏组潜水含水层富水性分区,根据相邻煤矿导水裂隙带现场实测类比确定了井田2^-2煤层导水裂隙带发育高度及层位,采用信息融合理论方法综合松散潜水含水层富水性分区和2^-2煤层导水裂隙带发育层位划分小保当井田内潜水资源受采动影响分区,得出结论：井田未来开采2^-2煤层时对松散潜水含水层的采动影响较小,仅存在一般失水区,位于井田南部且范围较小。由于在研究过程中采用了相邻矿井的资料,因此对相邻矿井未来进行相关研究和煤炭开采有一定的指导意义。     

水力耦合下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验研究

为了研究节理砂岩在高地应力、高水压耦合环境下性能发展情况,利用配有渗流装置的岩石三轴伺服试验机,开展不同围压与渗透水压下节理砂岩三轴压缩渗透性能试验.结果表明:节理砂岩三轴压缩渗透峰值强度随着围压增加而增大、随着渗透水压增加而减少,围压对峰值强度的积极影响要大于渗透水压对峰值强度的消极影响;初始渗透率受试件所处力学环境...     

硫酸镍钴锰溶液中除氟工艺研究

针对从硫酸镍钴锰溶液中除氟效率低、有价金属损失严重等问题, 开展了以Al₂(SO₄)₃·18H₂O为沉淀剂、从硫酸镍钴锰溶液中除氟新工艺研究。考察了反应pH值、Al₂(SO₄)₃·18H₂O用量、反应温度、反应时间等参数对除氟效果的影响, 结果表明, 在初始pH值5.5、氟铝物质的量比为5、反应温度40 ℃、反应时间120 min条件下, 除氟后溶液中氟浓度从初始的3.22 g/L降至0.15 g/L以下, 且引入的Al³⁺浓度低于0.01 g/L, 镍钴锰总损失率低于5%。     

侧限条件下陷落柱破碎岩体的渗流特性研究

采动影响下陷落柱内部破碎岩体极易发生二次破坏,造成孔隙度和分形维数同时改变,致使其渗透率突变而引发突水灾害。基于此,现场开展陷落柱取样,按相同质量比配制陷落柱和石灰岩试样,测试并分析其孔隙度、分形维度以及渗透率在有侧限单轴压缩条件下的变化影响规律。研究表明:1)陷落柱和石灰岩试样的孔隙度均随轴压的增大呈指数衰减式减小,但陷落柱试样孔隙度的减小幅度比略大于石灰岩;2)当轴压小于6 MPa时,破碎岩体分形维数随轴压变化明显,尤其是陷落柱试样,其分形维数变化率可达18.5%,而石灰岩仅为9.3%;3)引入分形维度对破碎岩体渗透率与孔隙度的表达式进行修正,较好地描述了陷落柱在不同轴压下渗透行为的演化特征。     

伊陕斜坡西南缘长63致密砂岩储层流动单元特征

以鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西南缘长6₃致密砂岩储层为例，在测井特征曲线与岩石学特征的基础上，利用多因素统计分析方法研究致密砂岩储层流动单元特征，并结合动态生产资料，探讨多因素统计分析方法划分低孔、特低渗储层流动单元划分的可靠性。研究表明，通过对孔隙度(φ)、渗透率(K)、单砂体厚度(H)、泥质含量(V_sh)、流动分层指数(FZI)和孔喉半径(R₃₅)6个因素进行主因子分析、聚类分析以及贝叶斯判别，提取出F₁(流动因子)、F₂(储集因子)、F₃(规模因子)、F₄(泥质含量因子)4个影响流动单元类型的主控因子，将长6₃储层划分为E、G、M、P共4类流动单元，并以贝叶斯判别函数式验证划分结果，E、G、M、P流动单元的正判率分别为100%、98.5%、96.4%、92.1%。     

以可溶性磷酸盐为控制剂制备碳酸钙晶须

采用气液碳化法,以可溶性磷酸盐为控制剂,在普通重力场中一步法制备出结晶程度良好、文石相含量高的碳酸钙晶须。研究了可溶性磷酸盐添加量、碳化反应温度、CO₂充气速度、料浆Ca(OH)₂初始质量分数对产品的影响,分析了制备过程中不同阶段产物的XRD图谱,结果表明：作为文石相碳酸钙晶须结晶中心的是Ca₅(PO₄)₃(OH)而非Ca(HPO₄)·2H₂O或Ca₃(PO₄₎₂,适宜碳酸钙晶须生长的条件为n(Ca/P)=1: 0.25、碳化反应温度75 ℃,CO₂通气速度16.2~ 32.4 L/(h·kg)、Ca(OH)₂初始质量分数1.5%~5.6 %。     

MgCl2-YCl3熔盐中Mg直接脱除钛废料中固溶氧研究

针对现有钛废料脱氧方法存在效率低、金属与熔盐分离困难等问题,提出了一种脱氧新方法,即在MgCl₂-YCl₃熔盐中,采用Mg为脱氧剂,借助YOCl的生成,有效促进Mg快速高效脱除钛废料中的固溶氧。热力学研究结果表明,在温度为1200 K时,采用Mg做脱氧剂,要使Ti中的氧含量降低至10^-3以下,脱氧产物MgO的活度必须降低至0.05以下;通过建立lgp(O₂)—lgp(Cl₂)优势区图可知,在Mg/MgCl₂/YOCl/YCl₃平衡下的理论脱氧极限为1.6×10^-5。在理论研究基础上,在MgCl₂-YCl₃熔盐体系中开展Mg脱氧实验研究。结果证实,YOCl的生成有效降低了脱氧副产物MgO的活度,进而促进了镁深度脱氧,Ti中氧含量可降低至10^-3以下;另外,随着YCl₃的活度逐渐增大,Ti中氧含量逐渐降低,当YCl₃的活度为0.9时,氧含量可降至6×10^-4左右。     

石灰抑制镍黄铁矿机理的研究

通过动电位、吸附量和表面产物X 射线粉晶衍射测定, 研究了黄铜矿和镍黄铁矿分离过程中石灰对镍黄铁矿的抑制作用。研究结果表明, 在石灰介质中, 镍黄铁矿表面除了生成Fe(OH)₃ 、Ni(OH)₂ 等亲水性产物外, 还牢固地吸附有Ca²⁺和[CaOH]⁺, 因而增强了其表面亲水性, 并阻碍了Z-200 捕收剂的吸附。     

蛇纹石负载羟基磷灰石对矿区地下水中氟、铁和锰的动态吸附性能

针对矿区地下水中氟、铁、锰污染超标问题,利用湿法化学共沉淀法制备蛇纹石负载羟基磷灰石(Srp/HAP)复合吸附剂,通过动态吸附试验,研究Srp/HAP对F^-,Fe²⁺,Mn²⁺的同步吸附性能,考察吸附床高度、流速及进水质量浓度对穿透过程的影响。采用Adams-Bohart,Thomas模型拟合和SEM,EDS,XRD,BET,FT-IR等微观表征,分析Srp/HAP对F^-,Fe²⁺,Mn²⁺的吸附机理。结果表明,制备的Srp/HAP复合吸附剂颗粒紧实,既有Srp表面的片状卷曲结构,又解决了HAP表面团聚问题,负载后颗粒的比表面积、孔容均有明显增加,具有较好的表面孔隙结构,有利于氟、铁、锰的同步吸附去除。吸附柱吸附总量随床柱传质区高度的增加和3种离子初始质量浓度的升高而增加;在进水流速为4 m L/min时动态柱对离子的动态吸附容量最高,流速过大和过小都不利于复合吸附剂的动态吸附;在吸附剂填充高度15 cm,进水流速为4 m L/min时,动态柱对初始质量浓度分别为5,20和5 mg/L的F^-,Fe²⁺,Mn²⁺的最大动态吸附容量分别为1.567,7.008和1.615 mg/g。采用Thomas模型能较好描述Srp/HAP对F^-,Fe²⁺,Mn²⁺的吸附动力学特征。微观分析表明,吸附过程既有表面物理吸附,也有化学吸附,化学吸附主要表现为离子交换和表面络合作用。F^-部分取代HAP中的OH^-,Fe²⁺和Mn²⁺则取代Srp中的Mg²⁺,使得F^-,Fe²⁺,Mn²⁺在复合颗粒表面的赋存状态主要以Fe₃Si₂(OH)₄O₅,Mn₃Si₂(OH)₄O₅,Ca₅(PO₄)₃F化合物存在,另外HAP晶体表面的PO₄^3-与Fe²⁺和Mn²⁺也可能发生络合作用。蛇纹石负载羟基磷灰石复合颗粒可作为矿区处理含氟、铁、锰离子地下水的优良吸附剂。     

硫代硫酸盐浸金液中金回收的研究进展

为开发简单高效的 Au(S₂O₃)₂^3-回收技术,进而推进环境友好型硫代硫酸盐提金技术的大规模工业化应 用,实现金的绿色无氰化提取,详细评述了置换沉淀法、吸附法、溶剂萃取法和电解沉积法等几种硫代硫酸盐浸出 液中 Au(S₂O₃)₂^3-回收的主要方法,并就各方法的优缺点及存在问题进行了归纳总结。传统活性炭及介孔硅吸附剂 对 Au(S₂O₃)₂^3-的亲和力弱,改性处理虽可在一定程度上提高其对 Au(S₂O₃)₂^3-的吸附能力,但处理工艺复杂、成本较高; 树脂法可较好地富集浸出液中的Au(S₂O₃)₂^3-,但该方法存在金络合离子洗脱困难,树脂价格昂贵、易中毒粉化等缺 点。溶剂萃取法适用于高浓度浸金液,且该方法对 pH等溶液环境要求较高,工艺复杂,成本高。置换沉淀法和电解 沉积法可直接获得金单质,但这两种方法对浸出液中Au(S₂O₃)₂^3-浓度有一定要求,且多组分浸出液中其他金属的共 沉淀严重影响了金产品纯度。在上述回收方法中,吸附法因成本低廉、操作简单、吸附剂可循环使用等优点,最具工 业应用前景,但现有吸附剂无法有效回收硫代硫酸盐浸出液中的 Au(S₂O₃)₂^3-,因此,开发新型高效的Au(S₂O₃)₂^3-吸附 剂,突破硫代硫酸盐浸金液中金络合离子难以回收的技术瓶颈,是未来硫代硫酸盐提金技术的主要发展方向。     

氢氧化镍中三价镍的测定方法研究

研究了Ni³⁺与Mn²⁺的化学反应过程及相关条件。实验观察到Ni(OH)₃或NiOOH在Mn²⁺-H₃PO₄-H₂SO₄混合溶液中被溶解的反应过程中, Mn²⁺同步被定量氧化为三价状态(Mn³⁺), 故可用亚铁盐标准溶液常法滴定测得Mn³⁺量, 以计算出Ni³⁺的含量。该方法新颖、简便、快速, 结果令人满意。     

MoS2-壳聚糖气凝胶原位还原金硫代硫酸根络合 离子的基础研究

硫代硫酸盐提金技术因环境友好、可处理复杂矿石等优点，被认为是最具潜力的无氰提金技术，然而 该技术尚未能实现规模化工业应用，其主要技术瓶颈是浸出液中的金硫代硫酸根络合离子（Au（S₂O₃）₂^3-）无法高效 富集。为此，构建了三维多孔 MoS₂-壳聚糖气凝胶（MoS2-CSA），深入考察了 MoS2-CSA 回收Au（S₂O₃）₂^3-的性能。结 果表明，MoS2-CSA 不仅具有极好的 Au（S₂O₃）₂^3-富集能力（高达 718.3 mg/g，于 107.6 mg/L Au（S₂O₃）₂^3-溶液），而且可 将 Au（S₂O₃）₂^3-原位还原为金纳米颗粒，既解决了硫代硫酸盐提金技术中 Au（S₂O₃）₂^3-难以高效富集的技术瓶颈，同 时极大地简化了传统提金技术中金络合离子的回收工艺。此外，MoS2-CSA 克服了纳米材料无法有效固液分离的 难点，实现了简易的回收。机理研究表明，MoS₂-CSA 具有强烈的光电响应能力，在可见光激发下可产生大量光生 电子，实现了金的原位还原。研究结果为硫代硫酸盐提金技术中Au（S₂O₃）₂^3-的回收提供了新的思路，有望推动硫 代硫酸盐提金技术的快速发展。