燃煤灰渣中砷的连续柱淋滤特性及表生运移作用初探

采用连续柱淋滤试验装置对高砷煤燃烧灰渣进行动态淋滤实验研究,用模拟酸雨淋溶土柱的试验方法探讨煤及燃煤灰渣对土壤的污染及表生运移作用,重点研究燃煤灰渣在不同酸度模拟酸雨条件下对污染土壤中重金属元素砷的淋滤液性质影响。高砷煤燃煤灰渣的动态淋滤实验表明,灰渣淋滤受体系、pH值、吸附和共沉淀作用等因素的影响,高砷及中砷煤灰在淋滤初期其砷的阶段淋滤浓度升幅均较大,但不同的煤灰出现砷淋滤浓度高峰值的时间点有所不同。针对同一燃煤灰渣,淋滤液酸性越强,灰渣中砷的阶段淋滤浓度相对较大,但均属弱淋滤强度。模拟酸雨作用于土壤之上的煤样或灰渣时,随着模拟酸雨酸性的增强,其淋滤液中砷的阶段淋滤率呈递增趋势;中砷灰或中砷煤中砷的阶段淋滤率和60 h总淋滤率分别小于0.5%、2%,属弱淋滤强度。淋滤液的酸性越强,煤及其燃烧灰渣在堆积过程中对土样中渗透砷含量的能力越高。含砷量较高的煤及其燃烧灰渣在堆积或利用过程中通过雨水等自然界长期淋滤作用有可能产生砷危害的累积效应。     

非饱和煤矸石淋滤仪的研制与应用

为规范试验流程,提高试验结果可信度,基于非饱和的动态淋滤方式,尝试研制多功能煤矸石淋滤仪。实现了均匀降雨工况的模拟,同时适用于较大粒径试样的试验,可建立淋滤液溶质信息-时间关系,探究多变量影响下的污染物淋出规律。     

韩城矿区矿山固体废弃物淋滤试验研究

以矿山固体废弃物为研究对象,利用自主研制的淋滤仪器,模拟自然降雨对矿山废石的淋滤过程,探索污染元素及其淋滤规律。试验结果表明:(1)不同试验条件下的淋滤液电导率k变化趋势相同,k—t曲线整体呈下降趋势;(2)对于pH值,新鲜和风化废石有明显不同的淋滤规律;(3)不同试验条件下的淋滤液SO_4~(2-)浓度c变化趋势相同,c—t曲线整体均呈下降趋势;(4)相同风化程度下,降雨强度越大,淋滤液k越小,c越小,pH值变化不明显;(5)相同降雨强度下,风化程度越高,淋滤液k越大,c越大,pH值越低;(6)综合来看,风化程度对于淋滤液的k、pH值、c等的影响均大于降雨强度的影响。     

矿区地下水环境演化的模拟试验研究

以皖北矿区恒源煤矿作为研究区域,通过室内模拟淋滤试验,检测淋滤液中的Na+,SO42-,F-,Fe,总溶解固体,总硬度等污染组分的质量浓度以及pH,电导率,分析研究岩样在淋滤作用下的污染组分的溶出规律以及其随淋滤量增加而衰减的拟合衰减幂数曲线。结果表明,淋滤液中pH值变化不明显,呈中性偏弱酸性,SO42-,F-,Mn等组分超标,其他重金属Cr,Cu,Pb,Cd等未检出;在淋滤试验前期,部分污染组分浓度很高,如Na+,总溶解固体和总硬度等,后期随着淋滤量的增加而呈现衰减趋势,并趋于稳定,其衰减方程基本符合幂数关系。表明在淋滤作用下岩样污染组分对地下水水质存在影响,且在一定程度上影响着地下水环境演化过程。     

煤及其燃烧产物中环境敏感元素淋滤的迁移行为研究

以两淮煤田不同时代的3个主采煤层及其燃煤产物为研究对象,选取As环境敏感元素,采用自行组装的淋滤实验装置,研究了As元素在3种不同酸碱度的淋滤液和4个不同时间段的淋滤特性。研究结果表明:As元素随着淋滤液酸性的增加,元素淋出率随淋滤时间延长均有所增高。相对于原煤,燃煤灰中As元素的淋出率均高于原煤。在淋滤时间方面,一般随着淋滤时间的增加,煤中有害元素的淋出率整体呈不断增大的趋势,淋出率在30 h之前显著增大。在酸性较弱（pH值为4和7）的环境下,煤中有机质对As元素淋滤迁移行为的影响表现为镜质组含量的差异;在酸性较强（pH值为2）的环境下,煤中有机质对As元素淋滤迁移行为的影响表现为惰质组和壳质组含量的差异。As元素的最大溶出浓度小于地面水中有害元素最高允许浓度,具有潜在环境污染效应。     

古土壤层对煤矸石淋滤液中典型污染物的防污性能

黄土区是我国重要的煤炭生产区,古土壤层在黄土区包气带中广泛发育。煤炭开采和洗选过程中会产生大量煤矸石,其中露天堆放的煤矸石在长期降水淋滤作用下会释放出含有大量污染物的淋滤液,对矿区周围的地下水造成污染。黄土区煤矸石淋滤液在进入到地下含水层之前,必将流经过古土壤层。要准确评价煤矸石淋滤液对地下含水层的影响,必须确定古土壤层对煤矸石淋滤液中污染物的防污性能。通过开展室内渗透试验和批式吸附试验,研究了古土壤对煤矸石淋滤液中典型污染物Mn~(2+),Zn~(2+),Cu~(2+)和SO_4~(2-)的阻隔情况。渗透试验结果显示,煤矸石淋滤液作用下古土壤试样的渗透系数在0.852×10~(-9)～1.01×10~(-9 )m/s,比使用蒸馏水渗透时得到的渗透系数降低了1.5倍以上。古土壤试样渗透系数之所以会降低,是因为煤矸石淋滤液与古土壤之间发生了化学反应,生成新的沉淀物淤堵了古土壤试样中的孔隙。批式吸附试验结果显示,古土壤能够吸附Mn~(2+),Zn~(2+),Cu~(2+),吸附过程符合非线性的Freundlich模型;古土壤层中黏土矿物与重金属之间的离子交换反应,是古土壤吸附重金属的主要途径。古土壤颗粒呈电负性,与SO_4~(2-)之间存在相互排斥作用,几乎不吸附SO_4~(2-)。使用POLLUTE V7软件模拟预测了煤矸石淋滤液中典型污染物击穿古土壤层的时间,结果显示,厚度为1.0 m的古土壤层对污染物的有效阻隔时间可以达到10 a以上。总体而言,古土壤层具有较强的防污性能,能够限制污染物向含水层迁移,因此在进行黄土区煤矸石堆场地下水环境影响评价及污染防控时,有必要考虑古土壤层产生的影响。     

云南卡房尾矿库固结试验与机理研究

随着国内矿山的开采规模不断扩大,尾矿库的安全问题越来越受到关注,而尾矿颗粒的固结程度又直接影响着尾矿坝体的稳定性,所以对其进行研究十分必要。以云南卡房尾矿库为例,通过室内试验模拟该尾矿库中尾粉砂及尾粉土的淋滤固结过程,分析了固结方式、淋滤方式、淋滤次数对砂土体固结程度的影响。试验结果表明:尾矿液淋滤后的砂土体的沉降量及力学指标比清水淋滤后的砂土体高,固结程度更强;随着单次淋滤时间和总淋滤次数的增加,砂土体的沉降量会逐渐增大,但沉降速率会逐渐降低并最终趋于稳定。通过对尾矿颗粒微观结构的观测和对水化学场的变异分析,推演了卡房尾矿库的化学固结过程。通过对卡房尾矿多种固结作用机理进行综合分析得出:卡房尾矿库存在自重固结、淋滤固结、化学固结等多种固结形式,尾矿砂土的沉降及力学指标的提高是3种形式共同作用的结果,淋滤及化学固结作用往往发生在饱和—非饱和状态交替的区域,无交替状态的区域则由自重固结主导;淋滤固结对于浅部尾矿影响较大,化学固结对深部尾矿影响大。上述分析对于尾矿颗粒固结特性的理论研究及实践应用有一定的借鉴意义。     

填埋场沉降计算模型研究进展

填埋场沉降对填埋场容量预测，淋滤液收集及气体收集系统的安全有重要影响，综述了早期及近期填埋场模型发展的成果及特点，指出了目前模型中存在的不足及今后研究进展的方向。     

铵伊利石质矸石氮的溶出实验

利用铵伊利石含量较高的泥质矸石,采用静态浸泡淋滤实验,通过对淋滤液中不同形态氮的测定,探讨了铵伊利石矿物氮的溶出机理和行为.研究发现,铵伊利石矿物中的NH⁺₄易于被水溶出.在初始pH值为中性和酸性的淋滤体系中,NH⁺₄具有相似的溶出行为.NH⁺₄在碱性条件下比在中性和酸性条件下更易溶出.不管淋滤液初始酸碱度如何,随时间增加,淋滤液均趋于中性-弱碱性,说明铵伊利石矿物对酸碱具有缓冲作用.铵氮是淋滤液中氮的主要形式,硝态氮和亚硝态氮含量则很少.不同形态氮之间存在转化关系,随时间的增长,铵态氮逐渐向硝态氮转化,碱性条件可加速转化过程.模拟实验与实际水体的检测表明：铵伊利石矸石在长期的风化淋滤过程中,其溶出的NH⁺₄对矸石堆周围水体和土壤中氮的富集和污染可能有潜在的贡献.     

铀尾矿中铀在模拟降雨淋滤条件下的释放规律及机理研究

为查明某铀尾矿中U在模拟降雨淋滤过程中的释放规律和机理,采用半动态淋滤的方法对铀尾矿的溶浸特征进行研究,并通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪对铀尾矿淋滤前后的样品进行对比分析。结果表明,在半动态淋滤过程中,U的释放速率随淋滤时间增长而减小,随淋滤液pH值的增加U累计释放量逐步减少,但pH值差异对U累计释放量影响并不显著,U的释放是来自矿物表面吸附的铀酰-硫酸等配合物以及二水石膏形成过程中吸附的含铀配合物的溶解。     

城市生活垃圾卫生填埋场沉降变形分析

城市生活垃圾填埋场地基沉降和垃圾堆体沉降受到的影响因素多,现行规范的计算方法直接采用与实际相差较大,为减少不均匀沉降对垃圾防渗层的影响、准确确定垃圾储量和保证垃圾堆体的稳定,开展垃圾填埋场沉降研究具有重要意义。垃圾填埋场沉降变形包括地基沉降和垃圾堆体沉降,垃圾堆体沉降又分为主沉降和次沉降,主沉降完成时间短于次沉降。通过对陕西省宝鸡市垃圾填埋场地基土进行沉降计算,最大沉降差超过100 mm,对垃圾防渗层不利影响较大;而对垃圾堆体沉降计算,修正后的计算值与沉降观测值非常接近。考虑不同地区地层差异和垃圾成分差异,积累沉降观测资料具有重要意义。     

塑料含量对MSW强度特性影响及边坡稳定性分析

参考国内典型垃圾填埋场中城市固体废弃物主要成分,通过人工配制垃圾土样（MSW）,利用GDS三轴仪开展固结排水剪切试验,研究了不同塑料含量对垃圾土样强度特性的影响。试验结果表明,不同塑料含量垃圾土试样的应力—应变曲线全部呈现应变—硬化特性。随着塑料含量的增加,垃圾土的强度减小;垃圾土中塑料含量的增加对垃圾土试样黏聚力影响较为显著,表现为塑料含量增加,垃圾土的黏聚力呈明显的下降趋势,而对其内摩擦角的影响并不明显。同时,基于Geo-slope软件采用Morgenstern-Price方法开展了填埋场边坡稳定性分析,计算结果表明,垃圾土的塑料含量、渗滤液水位过高以及垃圾土自身抗剪强度较低,都会直接降低垃圾填埋场的安全系数以及稳定性,增加填埋场失稳的风险。     

采空区对地表窑洞稳定性的影响研究

煤矿开采必然会引起地表建筑物的沉降变形,若沉降量超出规定范围,将会导致窑洞的变形破坏。为分析采空区对地表窑洞稳定性的影响,本文利用FLAC3D软件,研究了地表窑洞受采空区影响时的沉降变形与破坏规律。结果表明:窑洞受采空区影响时,从拱顶至底部沉降量逐渐减小;窑洞沉降量随开采厚度和工作面推进度的增大而增大,但随开采深度的增大而减小;窑洞位于采空区中央正上方时沉降量最大,而位于采空区边界上方时,窑洞的不均匀沉降最明显;煤矿开采后及时填充,可利于提高窑洞稳定性。本文结论为研究采空区对地表建筑物的影响提供了参考。     

采场上覆岩层沉降变形的光纤检测实验

为定量化研究相似材料模型实验岩层变形过程,用光纤光栅传感技术构建相似材料模拟实验的上覆岩层移动的监测方法和系统。在实验室模拟煤矿采场上覆岩层沉降变形,在0.5 m平面模型上使用2~6个不锈钢封装光纤Bragg光栅传感器和醋酸乙烯封装光纤Bragg光栅传感器,制作了3个500 mm×425 mm×73 mm的相似材料模型,几何相似比1∶800,同时在模型对应位置使用了2~3个百分表,研究模型开挖过程中岩层沉降变形与光纤光栅传感器测试结果的对应关系。实验表明,模型岩层沉降变形与引起的传感器波长漂移量变化线性相关,单位下沉量引起的不锈钢、醋酸乙烯塑料封装光纤Bragg光栅传感器波长漂移量分别为66.17~290.46,778.19 pm/mm,光纤光栅传感器可以感知水平位移和垂直位移的变化,为相似模型内部应力应变检测提供了手段。这种方法可以用于模型上覆岩层移动的实时检测。     

空场嗣后充填开采法矿房数值模拟分析与参数优化

本文针对近地表萤石矿房开采所导致的顶板及地表沉陷问题,建立了矿体开采摩尔库伦模型,通过数值分析对开采扰动对上覆岩层的影响进行了研究,得到了不同开采方案下顶板位移沉降值及应力分布,综合模拟结果进行分析,由于矿房开采宽度减小,出现应力集中现象,导致10m、8m、6m、4m矿房宽度开采方案顶板最大垂直应力基本呈递增趋势,结合位移分析结果可知,由于埋深较浅,及顶板悬露跨度大幅减少的原因,最终使得应力的小幅增长未对顶板沉降产生更大的影响,使得顶板沉降量与矿房宽度仍呈正比关系。在支护条件下,4m宽度方案开采推进至30m左右位置时,顶板及地表都会发生一定的沉降。     

逐级堆排尾矿泥浆排水固结规律试验

设置竖向排水体可有效加快湿堆尾矿泥浆排水固结,提高土体稳定性。为研究排水体作用下逐级堆排尾矿泥浆排水固结规律,通过模型试验对其排水固结过程进行了模拟。试验结果表明:各层孔隙水压力与沉降在土体排水固结过程中变化并不完全同步,应力变化滞后于应变变化;停排期第35 d后孔隙水压力值降幅明显减小,由外加水头下自由水渗流转变为孔隙水渗流;进一步将逐级堆排尾矿排水过程分为沉降絮凝、絮凝压缩、絮体压缩固结、覆水自重固结阶段及自重压缩固结5个阶段;建立了排水体作用下尾矿孔隙渗流模型,并根据该模型计算排水体不同堆积高度最大影响半径,最大影响半径随尾矿的固结程度的提高而逐渐变小,第35 d后0.5 m及1.0 m堆积高度影响半径分别降低至约1.7 m及2.2 m。     

平顶山东北部矿区地应力发育特征及其对煤储层压力、渗透率的控制作用

为研究平顶山东北部区域地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用,依据煤层气井水力压裂和试井工程试验资料,采取水力致裂手段获取地应力的方法,研究了平顶山东北部矿区地应力发育特征,分析了地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用。研究表明现今地应力场总体上以水平应力为主,属于典型的构造应力场类型,且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育|最大水平主应力、最小水平主应力、侧压系数和侧压比均随埋深的增加而线性增加|埋深约在682m时,地应力类型发生转换,地应力类型在垂向的转变原因主要受平顶山矿区多期构造运动所引起的地应力叠加的结果|煤储层压力随着最小水平主应力、垂向应力、有效应力和主应力差的增加呈现增大趋势|渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现降低趋势。研究认为构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。     

留底煤掘进双巷布置大采高工作面巷间煤柱尺寸优化研究

确定巷间煤柱合理尺寸是保证留底煤掘进双巷布置大采高工作面安全、高产与高效的关键所在。以某矿122106大采高工作面沿底掘进胶运巷和辅运巷之间的护巷煤柱为工程背景,对工作面生产地质条件展开现场调研,同时原位测试巷道围岩地质力学参数。基于上述原始数据理论,估算出煤柱极限强度与合理的煤柱宽度范围,通过数值试验研究手段,分析初步选定宽度煤柱条件下,二次回采阶段巷道围岩及煤柱内部应力、位移和塑性破坏特征。结果表明:煤柱的极限强度为50.48 MPa,合理的煤柱宽度为19.24~29.28 m。煤柱宽度20 m时,煤柱内塑性区是2个独立的区域;当煤柱宽度达到一定程度后,接续面回采对上个工作面侧煤柱应力影响较小,主要是对本侧煤柱影响较大;靠近煤柱侧顶板和帮部变形较大,垂直位移最大值集中在巷道肩角位置,顶板出现不均匀下沉;煤柱核区内垂直应力均小于其极限强度,能保证稳定;煤柱最大垂直应力集中在两侧,靠近采空区的位置,煤柱中部存在较明显的应力下降区域。     

信湖煤矿钻井井筒可缩性井壁接头设计及数值模拟研究

 煤矿矿区的底部含水层直接覆盖在煤系地层之上,随着矿井建设和生产的进行,表土含水层的水位将会逐渐下降,土体中有效应力逐渐增加,引起井筒周围土层固结沉降,施加给井筒一个相当大的向下竖向附加力（又称为负摩擦力）,使井筒受到的竖向荷载加大,随着地层的沉降,竖向附加力逐渐增大,最终导致井壁因强度不足而破坏。考虑到这个问题,将信湖矿井井筒安装可缩性井壁接头。本文着重介绍了可缩性井壁接头设计的计算方法,并对计算结果进行数值模拟校核。     

不同层理方向对原煤变形及渗流特性的影响

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合伺服渗流试验装置,以平行和垂直层理2种不同的原煤试样为研究对象,进行相同有效应力、瓦斯压力条件下,不同轴压、围压组合;相同瓦斯压力、静水压力条件下,不同有效应力的渗流试验,探究其变形及渗透率的差异。研究结果表明：平行层理试样沿z方向的裂隙度φz大于垂直层理试样,垂直层理试样的总裂隙度φ大于平行层理试样;煤体中平行层理方向的裂隙度大于垂直层理方向;在静水压力下,平行层理试样渗透率大于垂直层理试样,煤体平行层理方向渗透性高于垂直层理方向;基于平板流体理论,得出了渗透率与径向应变呈二次函数关系,在煤体中平行层理方向的初始裂隙度系数β是垂直层理方向的1.5~2.0倍;当考虑渗流通道为贯通裂隙时,平行层理方向的初始裂隙度φ0与初始裂隙开度平方d20的乘积是垂直层理方向的1.5~2.0倍。