地震和煤矿采动耦合作用下露天矿边坡及采空区稳定性研究

为了探讨地震和煤矿采动耦合作用下的露天矿边坡及采空区的稳定性,以辽宁排山楼金矿露天转井工开采为研究对象,基于FLAC3D有限元分析平台,采用强度折减法研究了未进行煤炭开采时和煤矿采动单独作用下露天矿边坡的安全系数,重点探讨了煤矿采动和地震耦合作用下露天矿边坡及采空区应力场、位移场及塑性区的分布规律。结果表明:未经采动时,露天矿边坡的安全系数为1.21,边坡处于稳定状态;煤矿采动后露天矿边坡安全系数降为1.12,仍处于稳定状态,单独的煤矿采动作用不会导致露天矿边坡失稳;在地震和煤矿采动耦合作用下,露天矿边坡坡体内出现了较大的拉应力,采空区顶板出现冒落现象,底板出现底鼓现象;在地震和采动耦合作用下,边坡将出现失稳破坏,破坏形式主要为采动区顶板的大面积冒落和边坡的崩塌。     

粗颗粒硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性研究

针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验,测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布,并与数值结果进行了比较,验证了理论模型的有效性。结果表明:砂土结构孔隙更大,水分和盐分更容易渗透和迁移,在单向冻结试验中,水盐迁移速度更快;细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势,且收缩变形持续时间较黏土更长;由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小,下部土体变得更加密实,土柱下部侧壁压力大于上部。     

封闭压力酸溶-电感耦合等离子体质谱法同时测定电气石中29种元素

电气石是一种含硼的铝硅酸盐矿物,是重要的非金属矿产资源和成岩成矿作用的灵敏示踪剂,因类质同象置换普遍使其组成成分多变,主量元素为Si、B、Al、Fe和Mg,微量元素有稀土元素、Cu、Pb、Zn、Sn、Ag和Sr等。电气石的化学性质非常稳定,不能被一般的酸或碱完全溶解,本文采用硝酸-氢氟酸封闭压力溶矿,50%王水封闭压力复溶进行样品前处理,建立了电感耦合等离子体质谱法测定电气石中稀有轻金属、重金属、放射性金属、稀土元素等29种元素的分析方法。方法检出限为0.003~0.4μg/g,精密度(RSD,n=12)为0.9%~9.2%;国家标准物质的测定值与标准值基本相符,各元素的加标回收率为95%~105%。本方法解决了电气石样品难分解、复溶时易出现氢氧化铝微细残渣的问题,样品试液中B、Al、Fe等主要共存离子的干扰小,各待测元素测定结果准确、可靠。     

微波碱消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定煤灰中的六价铬

定量分析煤灰中Cr(Ⅵ)含量对于控制煤炭燃烧过程中产生的高毒性Cr(Ⅵ)的排放具有重要意义。现有的Cr(Ⅵ)定量分析方法主要是针对水、土壤、固体废弃物中的高浓度Cr(Ⅵ),前处理方法耗时长,检出限较高,不能有效测定煤灰中的低浓度Cr(Ⅵ)含量,因此有必要建立便捷、有效的煤灰中Cr(Ⅵ)高灵敏度检测方法。本文采用碱性提取剂,使用微波消解仪对煤灰进行前处理,对样品量、微波消解时间、微波消解温度等微波消解条件进行了优化,通过共沉淀法分离消解液中的Cr(Ⅲ)与Cr(Ⅵ),应用电感耦合等离子体发射光谱法测定Cr(Ⅵ)含量。结果表明,当样品量为0.2 g,微波消解温度为90℃,消解时间为60 min时能够保证煤灰中Cr(Ⅵ)的完全提取及准确测定。方法检出限为0.00033μg/m L,测定下限为0.00134μg/m L,实际样品的加标回收率平均值为87.2%。传统的二苯卡巴肼-紫外分光光度法的检出限为0.001μg/m L。与传统方法相比,本方法检出限降低,提高了检测灵敏度。     

地下水化学组成对Fe2+氧化产生羟自由基的影响

羟自由基(·OH)是自然环境中氧化活性最强的物种,对物质转化具有重要影响.前期研究发现地下水接触O₂可产生·OH,其中Fe2+氧化起主导作用,但地下水化学组成对Fe2+氧化产生·OH的影响尚不清楚.通过室内模拟实验,探究了地下水中常见组分(Ca2+、Mg2+、腐殖酸(HA)和磷酸根)对Fe2+氧化产生·OH的影响.结果表明,pH 6.5时0.357 mM Fe2+在5 h内氧化完全,产生约1.8 μM的·OH;Ca2+(1~6 mM)、Mg2+(1~4 mM)对Fe2+氧化和·OH产生无明显影响;HA(10~30 mg/L)促进Fe2+氧化和·OH产生,促进效果随pH降低而增强;磷酸根(0.01~0.03 mM)抑制Fe2+氧化,对·OH产生的影响为先抑制后促进.      

陆相盆地源－汇系统要素耦合研究进展

源－汇系统研究已成为世界范围内地球科学领域广为关注的重要课题.陆相盆地作为源－汇系统研究的重要方面,相对于洋陆边缘源－汇系统,其源－汇系统要素多样、过程复杂、沉积体系多变,耦合模型预测难度大,且尚处于起步阶段.陆相盆地源－汇系统研究主要集中于驱动机制及地球动力学过程、深时古气候、沉积盆地古物源区演化恢复与古水系重建、源－汇系统要素分析及剥蚀－搬运－沉积过程单因素分析与耦合模式探讨.基于钻井、岩心、分析化验数据的多方法物源示踪分析与三维地震数据的地震地貌学或地震沉积学分析,为地下陆相盆地古源区恢复、古水系重建及沉积体系的沉积地貌和沉积过程研究提供了重要的技术支撑.关注不同母岩区源－汇系统差异,开展现代考察与古代源－汇相结合,并尝试定量化源－汇系统耦合－过程研究,最终形成工业化标准与规范是陆相盆地源－汇研究的发展趋势.      

中国北方晚中生代陆相盆地红-黑岩系耦合产出对砂岩型铀矿成矿环境的制约

为研究中国北方陆相盆地红层-黑色岩系对砂岩型铀成矿的制约,文章研究了国内外红-黑岩系与砂岩型铀矿赋存岩层的时空关系,筛选了10万余m岩心钻探资料,选择准噶尔、鄂尔多斯和松辽盆地这3个典型产铀盆地,通过编制盆地钻孔柱状图、典型地区连井剖面图及关键岩层的地球化学测试等方法,对红-黑岩系和砂岩型铀矿的赋存岩层进行了垂向、横向上综合分析与对比。研究发现:北方陆相盆地自西向东铀矿赋存地层的时代由中侏罗世过渡到晚白垩世;晚中生代至少存在6次大规模的富氧红层沉积事件:Ⅰ中侏罗世—晚侏罗世早期(BathonianOxfordian),Ⅱ早白垩世早中期(Berriasian-Barremian),Ⅲ早白垩世中期(Barremian),Ⅳ晚白垩世早期(Cenomanian),Ⅴ晚白垩世中期(Coniacian)和Ⅵ晚白垩世晚期(Campanian)。其中第Ⅰ、Ⅴ和Ⅵ期红层之下沉积了时代相近的黑色层,与之构成"红-黑岩系"的沉积结构,是北方砂岩型铀成矿的3个重要层位。典型盆地内地球化学表明,红层与黑色层的B、Sr和Cu元素含量及Fe~(2+)/Fe~(3+)、B/Ga、Sr/Cu和FeO/MnO比值具有明显的差异,结合黑色岩层中草莓状黄铁矿、碳屑、油斑和红层中碳酸盐岩的发育,认为红层为相对较强氧化环境,黑色层为相对较还原环境。连井剖面资料显示红层、黑色层与砂岩型铀矿空间关系密切,铀矿多产于红层与黑色层之间过渡带上,呈板状矿体赋存于灰色、绿灰色砂岩和细砂岩中。一般红层与黑色层垂向距离超过500 m不利于成矿。晚中生代陆相盆地内耦合产出的黑色岩系和红色岩系是古沉积环境由还原向氧化转变形成的垂向分带,前者为铀矿物质沉淀提供了"障",后者为表生流体溶解铀矿提供了"场"。文章初步提出了红-黑岩系垂向环境变化制约着北方陆相盆地砂岩型铀大规模成矿作用的新认识。这些认识不仅对砂岩型铀矿成矿环境、成矿规律及成矿模式研究具有重要意义,更对目前正在开展的砂岩型铀矿勘查工作具有实践指导意义。     

降雨入渗引起非饱和土边坡破坏的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元分析

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等~([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。     

考虑地层变异的边坡稳定不确定性分析

目前涉及岩土体不均匀性的岩土问题可靠度分析大多只考虑岩土体的固有变异,即岩土体特性参数的不均匀性,未考虑涉及不同岩土体材料的地层变异。地层变异在实际滑坡中广泛存在,其表现为不同类型岩土材料(如黏土、粉土、砂土)的互相嵌套,或一种类型岩土体在另一种较均质岩土体中的随机分布。为此,提出了利用钻孔资料评估考虑地层变异时边坡稳定不确定性的分析方法。根据已有钻孔资料设计了不同的钻孔布置方案,建立了表征地层变异的马尔可夫链模型,采用有限元强度折减法进行边坡稳定性分析,探讨了钻孔布置方案对评估边坡稳定安全系数和失效概率不确定性的影响。以澳大利亚珀斯市钻孔资料为例,分析了所提方法的有效性。结果表明,钻孔布置方案对边坡稳定安全系数和失效概率的不确定性评估有重要影响。考虑地层变异时,边坡稳定安全系数可以用Johnson分布来描述;边坡稳定安全系数统计量和失效概率不一定随钻孔数量增加而单调变化,边坡影响区域以内钻孔对评估边坡稳定安全系数的不确定性最为有效;当钻孔数目逐渐增加时,边坡安全系数均值逐渐收敛至精确值。     

采动裂隙岩体压剪渗透规律试验研究

根据采动过程中裂隙岩体的应力变化,用法向载荷、剪切载荷和渗透水压分别模拟开采过程中采场的水平应力、垂向应力和水头压力,应用JAM-600型剪切-渗流耦合试验系统对裂隙岩体进行压剪-渗流藕合试验,探讨在恒定法向荷载(CNL)和法向刚度(CNS)条件下,裂隙岩体的法向载荷、裂隙粗糙度与渗透水压对试样的位移、应力和渗流性的影响规律,分析剪切位移大小和岩体裂隙的剪胀特性对裂隙岩体的剪切应力、法向位移、节理水力开度及渗透率影响规律。研究表明:剪切应力和水头压力对裂隙水力开度起促进作用,水平地应力对水力开度变化起抑制作用。随着剪切位移变化,水力开度可分为变小或持平、增大、稳定3个阶段。裂隙表面粗糙度越大,裂隙岩体的刚度越小,则水力开度最终稳定值越大。由于裂隙岩体的剪胀作用渗透率先变小后增大,剪切位移增大,渗透率增大;法向荷载增大,试件的渗透率越小;裂隙表面越粗糙,其渗透率越大,其研究结果可为岩体透水通道形成时的孕育、萌生和爆发的导渗灾变演化过程提供理论基础。