河北保定岩溶地热结垢过程模拟及防垢对策

我国的地热发电以及部分供暖工程出现了比较严重的结垢现象,阻碍了地热能的大规模开发利用,目前地热市场急需成熟的防垢理论和工艺。地热工程的结垢现象尤以碳酸钙结垢最为普遍,为解决碳酸钙结垢问题,本文以华北保定岩溶地热井结垢为研究对象,通过理论和实验相结合的手段研究分析了垢质成分,成垢机理,结垢位置和过程以及防垢措施。研究结果表明:(1)系统降压造成的闪蒸是碳酸钙结垢的主因,液相二氧化碳逸出到气相是碳酸钙结垢的主要驱动力;(2)根据井口参数,结合质量、动量和能量守恒以及两相流压降理论,可以模拟结垢过程,确定结垢位置以及不同深度处的压力、温度、干度和二氧化碳分压等参数;(3)闪蒸造成的碳酸钙结垢,确定了闪蒸位置和闪蒸压力后,可以通过加压和加注阻垢剂的方式进行阻垢。通过模拟计算,确定了加压防垢系统所需的最低压力,通过控制系统压力可防止闪蒸,抑制二氧化碳逸出造成的结垢。设计了阻垢工艺,研制了阻垢剂加注设备,开展了井下化学阻垢实验并评价了阻垢效果,通过加注阻垢剂可有效阻止90%以上的垢生成,论证了通过加注化学阻垢剂可以有效解决碳酸钙结垢。通过上述研究,积累了从结垢原因分析,结垢位置确定,结垢过程模拟,防垢工艺和设备研发,防垢实践到阻垢效果现场评价一整套经验,可为其他地热井碳酸钙结垢问题的解决提供参考依据。     

西藏甲玛矿床磁黄铁矿微量元素特征及其与金富集沉淀的耦合机制

【研究目的】甲玛矿床是西藏冈底斯成矿带最重要的斑岩成矿系统之一,具有斑岩、矽卡岩、角岩、脉状金矿四位一体矿体结构,形成了丰富的矿物种类和多样的金属矿化。其中,磁黄铁矿作为重要的金属矿物之一,其矿物地球化学特征以及与金矿化的耦合关系一直不明确。【研究方法】此次,以甲玛斑岩成矿系统外围和远端的不同产状的磁黄铁矿为研究对象,基于详细的野外地质调查和镜下鉴定,通过激光剥蚀电感耦合等离子质谱分析方法（LAICP-MS）对不同产状的磁黄铁矿开展测点分析和扫描分析,详细揭示其地球化学特征。【研究结果】结果显示,甲玛矿床磁黄铁矿主要富集Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Se,弱富集Pb、Bi、Sb、Te、Ag、As,而Mo、Cd、In、Sn、Ba、W、Au、Tl、Th、U等元素含量较低。其中,矽卡岩中的磁黄铁矿具有较高的Co/Ni比值,能有效揭示其岩浆热液成因,而角岩中磁黄铁矿可能继承了一定的沉积特征。【结论】甲玛矿区磁黄铁矿的Cu、Zn、Pb含量变化特征与矿床空间矿化规律一致。矽卡岩中的块状磁黄铁矿与金矿化关系密切,金主要呈他形、不规则的独立金矿物产于磁黄铁矿的孔隙和粒间。同时,金的富集和沉淀可能与富铋的熔体有关。创新点：磁黄铁矿是甲玛超大型斑岩成矿系统中典型的金属矿物之一,其微区原位分析清晰揭示其微量元素地球化学特征和矿物成因,同时,证实矽卡岩中磁黄铁矿的高品位金与成矿流体中的富铋熔体有关。     

沉积特征对低品位钾矿水溶开采的影响——以柴达木盆地马海盐湖北部矿段全新统为例

马海盐湖是柴达木盆地全新世形成的富低品位固体钾盐矿干盐湖,钾盐水溶开采潜力巨大。本文采用岩矿鉴定方法,对含盐系地层的沉积韵律岩性、钾盐矿物与矿层分布特征进行了研究,并分析了地层岩性的分布规律。结果表明,在马海盐湖北部矿区的主要沉积中心,沉积了一套以粘土-粉砂-石盐-粉砂石盐为主的沉积地层,同时在东南部形成了一个次级沉积中心;研究区钾盐矿物主要为杂卤石、光卤石、钾石盐等;沉积韵律分析结果显示,钾盐矿层多分布在Ⅳ₂韵律层顶部和Ⅳ₃-Ⅳ₄韵律层,产出形态在垂向上为层状、透镜状,平面上呈NE-SW向展布且连续性减弱;钾盐矿物和矿层分布与沉积演化关系密切,表明沉积特征对研究区钾盐矿水溶开采具有重要影响,为同类型低品位钾盐矿开采提供了一些参考。     

基于离散元方法的不同挡墙变位模式下有限土体主动土压力研究

为研究挡墙变位模式以及墙后填土宽度对无黏性有限土体主动土压力的影响,在不同墙后填土宽度条件下分别开展了挡墙平动(T)模式、绕墙底转动(RB)模式以及绕墙顶转动(RT)模式的离散元模拟。根据离散元模拟结果对主动土压力、墙后土体破坏模式以及应力状态进行了分析。研究结果表明:挡墙变位模式和墙后填土宽度的变化使得土体破坏模式和应力状态发生变化,引起主动土压力大小及分布的差异。T与RB模式滑动土楔中内摩擦角调动值会相对初始值增加,且T模式滑动土楔中会出现小主应力拱。RT模式较为特殊,在填土宽度较小时,其应力状态与T模式相似;在填土宽度较大时,滑动土楔上部会出现内摩擦角调动值相对初始值减小的区域,并出现大主应力拱。     

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角（0°～90°）预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术（3D-DIC）获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下：（1）裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;（2）声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;（3）结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63～0.94、归一化损伤应力的范围为0.83～0.99;（4）预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。     

陈化污泥理化特性对泥饼渗透性的影响研究

开展陈化污泥渗透特性研究对于填埋库污泥脱水减量作业具有重要指导意义。选取了8种不同陈化条件下的污泥,开展了压缩排水试验,测定了陈化污泥上清液中可溶性有机物含量和类型,以及陈化污泥聚合体粒径分布与滤液的Zeta电位,并通过皮尔逊相关性分析研究了陈化污泥各物理化学特性间的相互作用。结果表明,随着上清液中可溶性有机物含量的减少、相对腐质化程度的增高与滤液Zeta电位绝对值的增大,陈化污泥的可渗透性增大。同时,当陈化污泥聚合体趋于稳定和粒径增大时,包裹在聚合体中的有机物不易释放到上清液中,陈化污泥可渗透性增大。另外,由于陈化环境的影响,陈化污泥总有机含量变化与上清液中有机物含量变化缺乏一致性,依据陈化污泥有机质含量判断渗透性会造成错误。最后,建立了陈化污泥比阻的影响模型,对于预处理过程中如何改善陈化污泥渗透性具有参考意义。     

多年冻土区L型挡墙水平冻胀效应计算方法与分析

针对多年冻土区L型挡墙设计中水平冻胀力计算方法不完善的问题,基于利夫金地基模型及挡墙?土体之间的协同变形原理,分别建立了墙后有无换填土两种情况下的L型挡墙水平冻胀效应计算模型,利用叠加原理及有限差分法对所提出的计算模型进行了求解,并依托MATLAB自行编制了水?热?力耦合分析软件。结合工程实例,应用提出的L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力值分别与现场实测值、修正土压力值、规范经验值及水?热?力耦合软件模拟值进行对比分析,结果表明：提出L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力值与现场实测值及数值模拟值在大体趋势上吻合较好,修正土压力值、规范经验值低估了水平冻胀力对挡墙的作用;相比规范经验值及现场实测值,提出的L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力沿墙高呈抛物线和梯形两种分布模式,更具有普遍性;通过多场耦合分析可知,所提出L型挡墙水平冻胀效应计算方法与水?热?力耦合方法得到冻胀力趋势相似,表明了计算方法的可行性,可为多年冻土区L型挡墙设计提供一定的理论支持和指导。     

层状边坡倾倒变形多级折断面分布深度计算模型

针对反倾层状岩质斜坡倾倒变形折断面空间展布缺乏定量判断的问题,以地质原型和变形机制分析为基础,考虑岩层自重、上覆岩层盖重、侧向压力、岩层间的摩擦力等作用,提出了岩板倾倒折断的独立悬臂梁模型和独立简支梁模型。采用板梁的最大拉应力破坏准则,推导出了倾倒变形各阶段岩层的临界折断深度公式。利用地质原型对推导的公式进行了验证,并通过离心试验获取了倾倒变形各阶段的坡形参数,对边坡各阶段折断深度进行了定量评价。研究表明：理论模型可计算倾倒变形层间剪切错动、弱倾倒破坏、强倾倒破坏等各阶段岩层的折断长度;岩层折断长度与岩层分布高程、拉应力、岩梁自身重度呈负相关,与岩层内摩擦角、岩层厚度、抗拉强度呈正相关;根据倾倒变形各阶段力学参数,计算倾倒体各级折断面分布位置,结果与地质原型和离心试验结果吻合。该研究成果对倾倒变形边坡稳定性评价具有一定的理论和实际意义。     

基于单三轴试验与直剪试验的层状软岩模拟

为探究模型试验中层状软岩模拟方法,依托九绵高速层状软岩隧道现场取样的室内试验结果,多次试验确定重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水的最优配比以模拟软岩基体,采用带孔薄膜模拟层理弱面的黏结作用,并通过直剪试验确定孔隙率,最后对不同层理角度与层理厚度的试样开展直剪与单、三轴试验以反映各向异性情况。结果表明：软岩基体模拟最优配比为0.55:0.15:0.07:0.06:0.17,重晶石粉对强度及破坏变形起决定作用,含量过低易压溃,含量过高产生上下贯通裂缝;采用30%孔洞率的薄膜模拟层理效果最佳;土样强度随层角呈U形变化,层厚减小（不小于2 cm）,强度减小。直剪试验中,45º层理剪切面朝层理方向倾斜,90º层理导致剪切面上下产生裂缝与碎裂,单三轴结果中,0º层理会产生小角度倾斜裂缝,45º层理产生垂直层理面的斜裂缝及二次破裂,90º层理产生顺层理的竖向劈裂;与现场结果对照后确定最优层厚为 3 cm,对层角与层厚的直剪与单三轴试验结果整体一致,揭示土样孔隙压密闭合−弹性−塑性胀裂破坏−徐变的过程。