化学沉淀修复采动破坏岩体孔隙/裂隙的降渗特性试验

针对覆岩采动破坏含水层的生态修复难题,以化学沉淀物封堵采动导水通道为思路,开展了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的修复降渗特性试验。采用单一裂缝岩样模型和石英砂管模型分别模拟地下水在破断岩层裂隙通道和破碎岩体孔隙通道中的渗流状态,通过注入可与地下水发生铁/钙质化学沉淀的试剂,评价沉淀物对采动岩体孔隙/裂隙的封堵降渗特性。结果表明:在为期近42 d的水渗流试验中,两试验模型降渗趋势显著,且均呈现先快后慢的分区降渗特征。裂隙岩样模型选用铁质化学沉淀进行封堵降渗,绝对渗透率由初始的15.1μm^2降低为0.01μm^2;试验初期受裂隙面岩石黏土矿物遇水膨胀作用的叠加,降渗速度快、时间短。石英砂管模型选用钙质化学沉淀开展降渗试验,绝对渗透率由初始的62.3μm^2降低为0.1μm^2;由于其宏观孔隙通道尺寸大、初始孔隙率高(32.8%),导致初期快速降渗阶段持续时间明显偏长,且试验末期对应绝对渗透率值也相对偏大。试验结果证实了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的封堵修复效果,同时也为利用化学沉淀方法进行采动覆岩导水通道封堵的含水层生态修复研究与实践提供了重要参考。     

导水裂隙的自修复——地下水混流沉淀的影响

采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中，会发生导水渗流能力逐步降低的自修复现象，研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿12401工作面采后15 a覆岩导水裂隙自修复的工程探测结果，就采后不同层位地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理开展研究。结果表明，12401工作面采后覆岩导水裂隙直接发育至第四系松散层，已沟通多个含水层；由于浅层地下水含有较多Ca²⁺，而基岩地下水CO₃^2-、HCO₃^-质量浓度偏多，2种地下水在采动覆岩中交汇混流时会产生CaCO₃化学沉淀；沉淀物随水迁移并不断吸附于裂隙通道表面，发生包藏-共沉-固结的结垢过程，经过长时间的累积，最终形成具备一定抗蚀能力的结垢物或包结物，堵塞并修复裂隙。室内试验测试发现，这一过程引起的导水裂隙自修复降渗效果相比水-(气)-岩相互作用产生的效果更为稳定且快速；裂隙岩样受2种不同水质模拟地下水混流通过近2个月时间后，绝对渗透率即...     

尺度效应对破碎岩体水沙渗流特性的影响

为研究尺度效应对破碎岩体水沙渗流特性的影响,设计了一套水沙渗透系统,利用CMT5305 型电子万能试验机进行试验。在破碎岩体初始孔隙率相同时,岩样厚度的增加在一定程度上可增加破碎岩体的滤沙能力,减少溃沙量,从而降低溃沙灾害的风险;当破碎岩体初始孔隙率较大时,岩样厚度对其滤沙量的影响也较大,而当破碎岩体初始孔隙率较小时,破碎岩体的滤沙量受岩样厚度的影响也较小;破碎岩体的滤沙能力不会随着岩样厚度的增加而无限增加;岩样厚度的增加对水渗流的影响并不明显;初始孔隙率对水沙渗流特性的影响比岩样厚度的影响更大。根据试验结果提出了破碎岩体滤筛模型,给出了可表征初始孔隙率与筛层厚度对筛层滤沙能力综合影响的关系式。     

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。     

某水电站坝址软弱夹层与水相互作用的试验研究

地质体中的软弱夹层对工程的安全运行具有潜在的不利影响。该文选取八盘峡水电站坝址夹层岩样在室内饱水状态下进行水-岩作用试验,试验时段内研究反应水溶液pH值和其中主要离子浓度的变化,结合夹层化学组分于试验前后的分析对比,探讨夹层组分的转化机制和液相组分随时间的动态演化规律。结果表明,夹层与水作用过程中,水溶液pH值短暂下降之后,又趋增大,并趋于相对稳定;同时水溶液中Mg2 、SO42-浓度变化呈指数缓慢增长趋势,Ca2 呈指数下降趋势,K 则呈线形增长趋势,这与控制它们参与水-岩作用的主导方式有关。     

基于油水非稳态渗流实验的渗流规律分析——以XL油田为例

为探明XL油田二次加密后的储层相比开发初期储层的油水渗流规律差异、不同渗透率级别岩况下油水渗流规律差异性、储集层性能的变化情况。通过对XL油田开展油水相渗曲线实验,采用JBN方法计算获得油水相对渗透率并绘制出油水相渗曲线。进行不同渗透率级别油水相渗实验结果规律分析研究、不同开发阶段同级别渗透率相渗曲线规律研究、相渗曲线特征参数随渗透率变化规律研究。研究发现:相渗曲线特征参数在渗透率为10×10^-3 μm²前后,其拟合曲线呈明显的二段式变化特征;开发前期储层渗流能力优于开发后期;渗透率级别较高的中渗岩样受注水影响岩石物性及渗流能力下降较为明显,低渗岩样性能及渗流能力保持较为稳定。     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。     

垮落带破碎煤岩样循环加卸载渗流特征实验研究

在煤层群开采过程中,前期开采煤层形成的采空区垮落带将会受到后期开采煤层的重复扰动,垮落带内的破碎煤岩体将会进一步破碎,进而影响瓦斯在采空区中的运移情况。本文简要总结了国内外针对采空区垮落带内应力、孔隙率、渗透率等参数随着工作面推进的变化关系的研究成果,给出了采空区压实过程中应力及渗透率的预测方法,并在此基础上进行了不同煤岩比例的破碎煤岩样重复加卸载的渗流实验。实验结果表明:颗粒的再次破碎及结构调整,是破碎煤岩样孔隙空间大幅度减小、渗透率损失的主要原因;破碎样(煤岩样)的强度决定渗透率的应力敏感性,组合煤岩样中煤的比例越大,渗透率的应力敏感性越高,渗透率越小;随着加卸载次数的增加,应力敏感性逐渐减弱。最后,根据实验结果给出了不同加卸载阶段破碎煤岩样的应力-渗透率计算模型。     

断层破碎带泥岩重塑样膨胀性研究

以新驿煤矿南翼集中轨道上山穿越长沟支五断层破碎带及软弱岩层带为工程背景,对围岩松动范围大的巷道岩层采取岩样,把标准试样的破碎岩样做成重塑样,采用X衍射和SEM对断层破碎带围岩的微观特征和侧限膨胀性进行了测试。研究结果表明,黏土类矿物是造成其泥化的原因;粉砂质泥岩和砂泥岩互层是遇水膨胀性软岩遇水后膨胀,时间效应明显;岩样微观孔隙为粒间孔层间孔,易形成储集空间和流体运移通道,使水分快速扩散,最终导致岩样的膨胀量明显。对破碎带时围岩的控制关键应在于阻止外围水对岩体物理、化学、力学性质的劣化的影响,防止围岩进入泥化流变阶段。     

基于水—岩耦合试验的峰峰组灰岩渗透性规律分析

应用岩石力学试验系统,对奥陶系顶部峰峰组灰岩进行岩体水—岩耦合试验,分析在不同围压和渗透水压条件下,灰岩的强度变化规律、灰岩的变形程度和渗透率变化规律,研究灰岩在应力场与渗流场综合作用下渗透性的变化情况,分析峰峰组灰岩的相对阻隔水性能。     

Research on mechanism of groundwater pollution from mine water in abandoned mines

In order to understand the mechanism and regularity of the groundwater contamination from mine water of abandoned mines, experiments were conducted on an abandoned coal mine in Fuxin, a representative city with lots of mine water in northeast China. The groundwater pollution from different contaminants of coal-mining voids (total hardness, SO₄²⁻, Cl⁻ and total Fe) and pollution factors transportation situation in the coal rock were simulated by soil column experiment under the conditions of mine water leaching and main water leaching (similar to rainwater leaching), and the water-rock interaction mechanism was discussed during mine water infiltration through saturated coal rock by application of principle of mass conservation, based on physical properties of coal rock, as well as monitored chemical composition. The results show that, compared with the clear water leaching process, trends of change in pollutant concentrations presented different characteristics in the mine water leaching process. Groundwater is contaminated by the water rock interactions such as migration & accumulation, adsorption & transformation, dissolution & desorption and ion exchange during the mine water permeation. The experiments also suggest that at first dissolution rate of some kinds of dissoluble salts is high, but it decreases with leaching time, even to zero during both the mine water leaching and main water leaching. Supported by the National Natural Science Foundation of China(50434020, 50374042), Science & Technology Found of Liaoning Province (20022155); Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20040147003)     

充填散体作用下采动岩移的预测及其应用

弓长岭铁矿东南采区上含铁带应用露天开采,下含铁带应用无底柱分段崩落法开采,因开采规划不合理导致上含铁带、下含铁带平行矿体高差约300 m,严重影响矿山安全生产.为保障该矿露天地下协同安全生产,提出利用上含铁带剥离的废石充填下含铁带塌陷坑.利用FLAC3D软件模拟下含铁带开采过程,并对比分析了有充填散体、无充填散体作用下...     

CO2+O2浸出工艺溶浸通道堵塞控制措施探究

在地浸采铀浸出过程中,渗透性是决定浸出效率的重要因素,保持良好的渗透性对铀的浸出具有举足轻重的作用。目前,矿层结垢堵塞溶浸通道致使矿层渗透性降低影响浸出效率,是各地浸矿山运行中存在的普遍问题。基于对纳岭沟铀矿床水文地质条件及CO2+O2地浸采铀试验过程中主要沉淀物的生成机理分析,旨在针对矿层渗透性降低的情况,通过分析浸出过程中沉淀物类型及特性,探究沉淀物生成及堵塞矿层的主要原因,提出通过采区投入运行前20~30 d内加入CO2进行微酸预酸化直至HCO3-浓度维持在1 000 mg/L,调节溶浸通道环境,保持主要沉淀物高溶解度;随后注氧氧化,控制余氧含量为20 mg/L左右;摒弃目前袋式过滤方式,采用活性炭、石英砂、阳离子树脂等集中过滤方式,有效去除溶浸液中的有害金属离子,减少回注矿层形成二次沉淀等主要技术措施,有效控制沉淀物在溶浸通道的生成与积累,实现地浸铀矿山高效浸出运行。     

煤层注水时有效围压对煤体渗透性的影响

针对煤层注水渗流过程中,煤体所受的有效围压对煤体渗透性影响很大的问题,通过自行研制的煤岩样渗透率测试系统,对有效围压与煤样渗透率之间作用规律进行了试验测试分析,得到了试验煤样渗透率与有效围压之间相互影响的拟合方程,以及煤样渗透率对有效围压的敏感性系数。结果表明,随着有效围压的增加,不同煤样的渗透率均规律下降,且满足一元二次多项式的变化规律,不同煤样渗透率对有效围压变化的敏感性相似。     

破碎岩体注浆加固的二维分形平面模型构建与模拟分析

模拟注浆加固过程中注浆液在破碎岩体中的扩散特性时,构建与现场实际破碎岩体一致的几何模型对 模拟结果的准确性至关重要。 为构建与工程现场破碎岩体一致的几何模型,对于破碎岩体的注浆加固问题,提出了 一个构建破碎岩体二维平面模型的新方法。 首先,通过对破碎岩体的压水实验获得破碎岩体的透水系数;再根据裂 隙岩体的分形特征,运用透水系数计算破碎岩体的分形维数;最后根据分形维数确定最大和最小裂隙构建破碎岩体 的平面二维几何模型,并结合压水实验和数值模拟分析模型的可靠性。 结果表明:通过对分形维数所构建的平面几 何模型的数值模拟,对比分析数值模拟结果与现场压水试验结果,该方法能够获得与现场破碎岩体状况一致的二维 平面几何模型,为模拟分析破碎岩体的注浆加固提供可靠的参考。     

Reductive leaching of jarosites by Aeromonas hydrophila

The mineral industry has suffered in recent years two significant impacts: the raise on energy cost and more strict environmental regulations. In parallel to the above restrictions, the depletion of high grade mineral resources leads the mining industry to search for alternative processes to avoid the high energy consumption and exploit low grade mineral deposits. Jarosite is a common product in mining and industrial operations. This basic sulfate mineral incorporates several metals by substitution and the dissolution of jarosite by dissimilatory iron-reducing bacteria influences the mobility of many heavy metals present in the mineral structure.In this work, the anaerobic bioreduction of three ferric solids (a biogenic mixture of ammonium and potassium jarosites, synthetic silver jarosite and natural gossan ore from RioTinto, Spain) by an isolated strain of Aeromonas hydrophila has been investigated. The release of ferrous ion indicated that the microbial reduction of jarosite takes place using lactate as electron donor. This process was accompanied by the subsequent secondary mineralization, leading to the formation of various iron-bearing minerals such as siderite, vivianite or magnetite. In addition, the influence of chelating agents (citrate and EDTA) and humic substances’ analogue (AQDS) as electron shuttling molecule were studied. While the chelants increased iron reduction and dissolution rate, the humic substances had no effect in the process. These results suggest that direct contact between A. hydrophila and minerals is required for the reduction of Fe(III).     

滨海矿山深部开采水力调查及稳定性分析

占地球表面71%的海洋蕴藏着丰富的矿产资源,随着陆地矿产资源日益减少,海底资源开采成为未来的发展方向,其中海底基岩矿产资源深井开采普遍面临富水和高地应力的问题,水和应力的分布及其耦合作用是影响海底深井开采安全性的重要因素。以滨海矿山三山岛金矿深井开采为背景开展水力研究,调查矿区深部含水带分布,开展现场地应力测量,统计深部岩体节理裂隙分布规律,研究深部岩体的渗透性,建立水力耦合数值模型,对深部矿体进行模拟开采。通过上述研究工作,获得了矿区地应力分布规律,深部岩体渗特性以及资源开采过程中围岩位移、应力的时空演化规律,并指出了潜在危险源的时空分布。     

煤矿地下水库对矿井水净化机理研究进展

煤矿地下水库对矿井水的净化作用主要在于库内岩体与矿井水发生的水-岩耦合作用。本文系统梳理了煤矿地下水库水-岩耦合作用的研究方法,指出水样水质测试和岩样理化性质表征项目,并通过静态模拟、动态淋滤、循环净化模拟等试验,探索煤矿地下水库对矿井水的净化规律,利用数值模拟获取反应过程中离子的选择性吸附趋势,结合Piper三线图、Gibbs模型和相关性分析等方法揭示水-岩耦合作用机理。论述了煤矿地下水库对矿井水中悬浮物、特征离子和有机物的净化作用和研究进展,研究表明,煤矿地下水库对矿井水具有一定的净化效果,其中对特征离子的净化主要与溶滤和吸附作用相关;提出了未来煤矿地下水库净化技术的3个研究方向：(1)基于水-岩耦合净化作用的井下矿井水大规模低成本处理技术;(2)耦合多种水处理技术的煤矿地下水库“三位一体”水质控制技术;(3)浓盐废水井下存储及资源化利用技术。