碳酸盐岩裂隙溶蚀扩展试验与模拟研究

研究表明碳酸盐岩的溶蚀过程可用溶解速率方程进行表征,但表征的形式存在较大差别,主要体现在远离平衡的欠饱和态下。为进一步确定碳酸盐岩在欠饱和态下的溶解特征及溶蚀速率的表征形式,首先开展了碳酸盐岩裂隙溶蚀试验研究,探讨了CO_(2)及溶液初始Ca^(2+)浓度对溶蚀过程的影响,并基于试验结果构建了欠饱和态下的溶解速率方程;而后采用碳酸盐岩裂隙渗流-溶解耦合模型,通过数值模拟对量化模型的参数进行率定和检验。结果表明:(1)CO_(2)的参与加快了碳酸盐岩的溶蚀扩展,溶液初始Ca^(2+)浓度越高,对碳酸盐岩的溶解抑制程度就越高;(2)CO_(2)作用下碳酸盐岩裂隙溶蚀扩展的平均溶蚀速率增加了1.82~2.29倍;(3)溶液不同初始Ca^(2+)浓度在同等区间流量条件下,蒸馏水为溶蚀溶液的样品中Ca^(2+)浓度差值下降了0.0915mmol/L,溶液初始Ca^(2+)浓度为0.352,0.476,0.581mmol/L的溶蚀溶液中,Ca^(2+)浓度差值分别下降了0.0742,0.0536,0.0474mmol/L;(4)在高度欠饱和状态下溶解动力学由线性速率定律控制,随着溶液中Ca^(2+)浓度的升高,溶解动力学将变为非线性关系,此时Ca^(2+)浓度为0.4倍的平衡时Ca^(2+)浓度。研究结果可为定量评价岩溶发育演化提供数据支撑。

基于改进变权模型的煤层底板突水危险性评价

在目前煤层底板突水评价模型中,变权模型解决了常权模型中权重不变所导致的主控因素指标值被其他指标中和的问题,凸显了主控因素指标值突变的控制作用特征。但变权模型中状态变权函数区间划分不符合正态分布规律,同时,调权参数的确定过于繁琐。针对此,对现有变权模型进行改进,首先将状态变权函数区间由四段式,调整为符合正态分布的三段式,即惩罚区间、不惩罚不激励区间、激励区间。其次,通过分析主控因素指标值归一化累积频率确定变权区间阈值,并分别选取累积频率界限值25%、75%对应值作为各区间的阈值dj1、dj2。最后,通过对调权参数赋初值、微调整,确定最终调权参数,从而构建煤层底板突水的变权评价模型。以三交煤矿5号煤层为例,应用改进的分区变权评价模型对目标煤层底板突水脆弱性进行评价,并与常权评价模型评价结果进行对比分析,发现突水危险区整体分布趋势一致,但局部断层突变处存在明显差异,表明变权模型有效凸显了断层对突水的控制作用,较好地刻画区域底板突水情况,较符合实际。

“卓越计划2.0”背景下地质工程专业企业生产实习改革探索与实践

卓越工程师计划旨在培养国家发展战略要求的高素质工程技术人才。围绕“卓越计划2.0”的目标和要求,以河南理工大学地质工程专业卓越工程师班为例,对该专业企业生产实习的现状进行了分析,总结了现行生产实习存在的问题,并从实习基地、实习模式、师资队伍、实习内容及考核方式等方面进行了改革与探索,构建了“三阶段七环节”实习教学模式并进行了实践。结果显示改革取得了较好的效果,达到了“卓越计划2.0”的培养要求。

太行山前倾斜平原地下水硫酸盐来源解析

济源地下水中硫酸盐(SO_(4)^(2-))含量持续升高,其来源尚不明晰,解析硫酸盐的来源对地下水开发利用尤为关键。文章于2018年3月进行了水样采集与相关指标的测试,并采用氢氧同位素、离子比例分析和贝叶斯稳定同位素混合模型,分析地下水SO_(4)^(2-)、硫酸盐中δ^(34)S的分布特征,解析硫酸盐来源,确定来源贡献比例。结果表明:地下水化学类型以Ca·Mg-HCO_(3)·SO_(4)为主,主要接受大气降水及地表水的补给;受大气降水及地表水的稀释、硫酸盐还原作用影响,沿径流路径SO_(4)^(2-)含量减小,δ^(34)S增大。研究区东、南部地表水和地下水的各硫酸盐来源比例大体相同;西部水体的硫酸盐主要受污水的影响,其中地表水受大气降水的影响也较大;北部地表水硫酸盐含量主要受大气降水、污水的影响,孔隙水主要受煤系地层硫化物氧化、污水的影响,岩溶水主要受大气降水、硫化物氧化的影响。研究结果可为地下水资源的有效管理和保护提供重要依据。

湖北宜昌西陵峡地区大气降雨氢氧同位素特征分析

通过测定湖北宜昌西陵峡地区2009年5月至10月降雨样品的氢氧同位素组成,分析了该区降雨的氢氧同位素特征及其与降雨量的关系,并与区内2007年同期的降雨同位素资料进行了对比。结果表明,该区大气降雨线公式为:δ(D)=8.45δ(18O)+11.55,与全球降雨线和全国降雨线公式相比,斜率和截距均偏大,这与凝结物在未饱和大气中降落时受到非平衡蒸发的影响、重同位素的快速富集有关;区内降雨的氘盈余d值平均值较全球的略低,d值波动范围较小且比较集中,说明该区大气降雨的水蒸汽在源区的蒸发速率较慢,且降雨的水蒸汽来源较单一、降雨条件不甚复杂。次降雨同位素的降雨量效应不明显,但持续时间较长降雨的同位素比率与降雨量呈显著的负相关关系。与2007年同期降雨相比,2009年降雨的δ(18O)和δ(D)均出现了富集,但d值平均值偏小,表明2009年降雨的水蒸汽来源路径较短,且水蒸汽来源地湿度较大,这可能与水库水位上升引起的水域面积变大,水面蒸发加强、空气湿度变大等局地气候环境变化有关。

碳酸盐岩单裂隙渗流-溶蚀耦合模型及其参数敏感性分析

岩溶地下水系统是由碳酸盐岩裂隙含水介质演化形成的,系统初始的裂隙网络介质特征及边界条件决定了其演化过程。为揭示岩溶系统演化过程中裂隙介质特征和边界条件的影响程度,建立了裂隙溶蚀扩展的渗流-溶蚀耦合模型,并对不同边界条件下不同隙宽的单裂隙溶蚀扩展特征进行了模拟分析。结果表明:裂隙溶蚀扩展受水的侵蚀性(CO2分压)、水动力条件(水力梯度)、裂隙介质特征(裂隙初始隙宽)等综合作用影响,Ca2+的平衡浓度、水力梯度以及裂隙初始隙宽等参数的增加均能促进裂隙的快速扩展。在这些参数中,初始隙宽B0对岩溶发育的影响最为敏感,水力梯度J和Ca2+平衡浓度Ceq对岩溶发育具有相同的敏感性;此外,随着各参数值的不断增大,参数变化对岩溶发育的敏感程度越来越低。

鹤壁矿区奥陶系灰岩地下水水文地球化学特征及反向模拟

为探讨采矿活动对岩溶地下水水质的影响,以鹤壁矿区奥陶系灰岩地下水为研究对象,基于不同时期岩溶地下水水化学资料,采用Piper图结合离子组合比例分析法,分析矿区岩溶地下水主要组分的物质来源和水岩相互作用过程,并借助PHREEQC软件对其进行了反向水文地球化学模拟。结果表明:研究区岩溶水水化学类型主要为HCO_3-Ca·Mg型、HCO_3·SO_4-Ca·Mg型和SO_4·HCO_3-Ca·Mg型。主要水岩作用为碳酸盐岩、石膏和岩盐的溶解与阳离子交替吸附作用。煤矿区的岩溶水水质受采煤活动影响,水中SO_4^(2-)、Cl^-与TDS的含量较高,且采矿活动对水质的影响随时间增强。

典型华北型煤矿区主要充水含水层水文地球化学特征及控制因素

地下水形成、演化过程中控制因素不同所造成的水化学组分的差异性是矿井涌水水源识别的基础,为揭示矿井主要充水含水层水化学作用及控制因素,以位于太行山东麓的典型华北型煤矿区——鹤壁矿区为研究对象,采用统计分析、Piper三线图、Gibbs图、离子相关性分析与主成分分析法对矿区122个地下水水化学资料进行了分析研究。结果表明鹤壁矿区主要充水含水层中地下水的化学组分主要受岩石的风化作用控制。奥灰水主要水化学类型为HCO_3-Ca·Mg型,水中Ca^(2+)、Mg^(2+)主要来自碳酸盐岩(方解石和白云石)的溶解。二灰水主要水化学类型为HCO_3·SO_4-Ca·Mg型或SO_4·HCO_3-Ca·Mg型,其中Ca^(2+)、Mg^(2+)、HCO_3^-的主要来源于碳酸盐岩的溶解,SO_4^(2-)来自硫酸盐岩的溶解作用和黄铁矿的氧化作用。砂岩水主要水化学类型为HCO_3-Na型,Na^+、Cl^-与HCO_3^-主要来自盐岩的溶解和硅酸盐矿物的风化作用。八灰水既有HCO_3-Ca·Mg型和HCO_3·SO_4-Ca·Mg型,也有HCO_3-Na型,Ca^(2+)、Mg^(2+)、HCO_~3-和SO_4^(2-)的来源与二灰水一致,Na^+和Cl^-可能来自盐岩的溶解作用以及砂岩水与八灰水的混合作用。

新乡市地下水化学特征及演化规律

以位于太行山前冲洪积、冲积平原的新乡市为研究对象,分雨、旱两季对地下水进行取样分析,综合运用描述性统计、离子比例系数和Piper三线图示法,研究了地下水化学的时空变异特征与演化规律。结果表明:季节变化对地下水化学空间变异性影响较小;风化溶滤、阳离子交换、人为因素和蒸发浓缩是控制研究区地下水质演变的主要水化学过程;地下水化学类型变化较为复杂,主要从HCO3-Ca.Mg型向SO4.Cl-Ca.Mg.Na型和HCO3.SO4-Na.Mg型演化。

基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价

岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。

基于分形分维和模糊层次分析的煤层底板突水危险性评价

煤层底板突水是多因素控制的复杂水文地质问题。采用适当的评价方法准确全面地确定底板突水的影响因素可有效提高预测精度。综合前人的研究成果,针对构造复杂矿井,采用分形分维值量化断层网络的复杂程度,而后采用模糊层次分析法构建煤层底板突水评价模型,并以朝川矿一井为例,进行了煤层底板突水危险性综合评价。将评价结果与矿井历次底板突水信息进行叠加分析,结果显示:16次突水中9次突水位于危险区,6次位于较危险区,1次位于过渡区,表明生成的底板突水危险性评价分区图准确度较高。评价结果符合实际,可用于指导朝川矿一井的安全生产。

管道流模型参数敏感性分析及其在许家沟泉域的应用

在岩溶含水系统中,作为主要排水通道的管道对泉流量动态具有一定的控制作用,而管道特征参数对流量变化亦有影响。为确定管道各参数的影响,前人以管道发育的岩溶水系统为研究对象,进行了短时间序列泉流量响应的分析探讨,而对岩溶管道不十分发育的岩溶水系统的研究较薄弱。为此,本研究结合北方岩溶水系统的发育特征,借助CFP管道流模型对管道各参数对岩溶系统流量和流态的影响程度及各参数的敏感性进行了分析,而后基于河南鹤壁许家沟泉域岩溶水文地质特征构建了泉域的MODFLOW-CFP模型,对泉域岩溶地下水渗流进行了模拟,并对不同降水保证率下的泉流量进行了预测。结果表明:管道流量与管壁渗透系数、管道坡度和管径呈正相关,而随弯曲度和埋深的增加管道流量呈先增大后减小的趋势。管壁粗糙度对流量的影响较小,且呈现出一定的波动性,尤其是当管壁粗糙度较小时,波动比较明显。经敏感性分析发现,管壁渗透系数和埋深的敏感性最高,其次为弯曲度和管道坡度,而管道直径和管壁粗糙度敏感性最低。许家沟泉域在25%降水保证率下,年最大泉流量为0.45 m^3/s,平均泉流量为0.36 m^3/s;在75%降水保证率下,年最大泉流量为0.41 m^3/s,平均泉流量为0.31 m^3/s,与实际情况吻合。该法可为我国北方岩溶区水资源评价及泉域水资源开发保护提供借鉴。

基于强度折减法的软弱泥岩隧道围岩稳定性分析

由强度折减法确定的稳定性系数在差异较小时,难以确定最优开挖方法。为此,本文以蒙华铁路申家洼软弱泥岩隧道为例,借助FLAC3D软件,通过强度折减法确定三台阶七步法、三台阶临时仰拱法、中隔壁法、弧形导坑法等不同开挖方法的稳定性系数,对比不同方法开挖支护后不同部位塑性区面积比,确定最适宜的开挖方法。而后详细分析了最适宜开挖方法开挖支护后围岩的位移变化量、应力分布和塑性区变化特征。结果表明:三台阶临时仰拱法稳定性系数较大,塑性区面积比较小,为最适宜的开挖方法。采用该方法开挖后,隧道变形主要分布在拱顶、拱腰和仰拱部位。施加临时仰拱可有效抑制塑性区的发展,但拆除会造成应力的集中。

岩溶演化过程中含水介质的时空变化特征研究

根据碳酸盐岩溶蚀机理,对裂隙溶蚀过程进行合理简化和假设。在此基础上,建立了耦合裂隙渗流模型和隙面化学动力学模型的裂隙溶蚀扩展模型,据此对不同条件下单裂隙扩展的特征和规律进行分析研究。结果表明:岩溶演化受裂隙几何形态和水动力条件的共同影响,岩体裂隙较闭合或地下水水流滞缓时,岩溶均不易发育;在岩溶发育演化过程中,含水介质的整体渗透性显著增强,水流状态由层流变为紊流,流量呈级数增加,而溶蚀速率将趋于恒定,水头坡降趋于平缓。

河间隐伏型岩溶裂隙含水系统演化的数值模拟

为揭示隐伏型岩溶含水系统在不同边界条件与介质特征下的发育状况,基于地下水渗流和碳酸盐岩溶蚀理论构建耦合裂隙网络渗流与碳酸盐岩溶蚀的岩溶裂隙网络溶蚀扩展模型,模拟再现了河间隐伏型岩溶含水系统平面上发育演化过程。结果显示:岩溶系统发育过程中流量变化呈现三个阶段:第Ⅰ阶段为缓慢层流阶段,流量增速为2.2×10^-6 mL⋅(s⋅a)^-1,持续时间与初始水头差呈对数关系;第Ⅱ阶段为极快速紊流阶段,流量增速为5.5×10^2 mL⋅(s⋅a)^-1,持续时间与初始水头差呈线性关系;第Ⅲ阶段为快速紊流阶段,流量增速为26 mL⋅(s⋅a)^-1。优势裂隙的存在使得岩溶裂隙网络溶蚀演化加快,非均质系统进入极快速紊流阶段所用时间较均质系统缩短了53%,裂隙溶蚀扩展的速度加快了12.5%。

矿井未采区瓦斯涌出量预测

通过分析某矿9煤层已采区相对瓦斯涌出量与各地质因素之间的关系,用数量化理论Ⅰ对影响瓦斯涌出量的因素进行筛选,建立预测方程,对未采区进行了瓦斯涌出量预测。对于指导矿井的通风设计和采掘部署,采取有针对性的瓦斯防治措施,具有重要的理论意义和实用价值。

浅谈高校新入职教师应注意的一些问题

作为一名刚踏上讲台的高校教师,如何在短时间内适应角色的转变尤为重要。首先要明确备课不等于背课的理念。此外,在备课的过程中,要尽可能多的查阅不同版本的教材,结合学生的知识结构,丰富教学内容,使课堂教学更丰满。在掌握正确备课方法的基础上,增强自信心,敢于与强手竞赛,敢为人先的心理准备也是非常必要的,只有这样才能尽快完成转变,使自己的教学工作步入正轨。

煤炭院校水文与水资源工程专业工程地质学课程教学改革初探

在多数煤炭院校中,工程地质学是水文与水资源工程专业一门较重要的专业基础课。该课程教学既要满足专业要求,又要顺应行业需求,改革教学模式显得尤为重要。文章针对工程地质学课程教学中普遍存在的一些问题,从合理优化教学内容、丰富教学方法和手段、加强实践环节教学、完善考核内容与方式等方面提出了具体教学改革思路,以期提高水文与水资源工程专业工程地质学课程教学质量与教学效果,培养具有行业特色优势且符合时代需求的高素质复合型人才。

大型水源地开采地下水导致的盐分迁移和污染

以河南省新乡市为例,通过分析地下水渗流、水化学和同位素的时空特征,对大型水源地长期开采地下水所导致的溶质迁移进行了研究。研究表明,大型水源地长期集中开采地下水,形成了较大面积和较深的地下水位降落漏斗,改变了地下水自北部山前冲洪积斜地向南部的冲积平原渗流的运动格局,地下水中盐分和污染物随着地下水渗流而迁移,北部污染严重的地下水和南部微咸水都向漏斗区运移。因此,双向迁移的结果,使得水源地附近水质变差,污染程度加重。

落马洞暗河发育特征及其洪涝成因分析

根据区域岩溶发育史分析认为,湖北宣恩县落马洞暗河的形成总体上可分为两个阶段:第一阶段发生在白垩纪末至晚第三纪。在该阶段中,降水主要通过发育于卧西坪岩溶坡立谷地两侧的小型洼地、落水洞汇入地下管道,往卧西坪谷地排泄,在卧西坪一带形成一小型岩溶湖泊的同时,还在谷地西侧形成了下黑槽、铜锣坪、扁洞三个近东西向地下暗河系统。第二个阶段发生在晚第三纪至今。在这一期间,随着区域构造运动的振荡性抬升,岩溶侵蚀基准面不断下降,在谷地内形成了上、下黑槽、铜锣坪落水洞与卧西坪消水洞等垂向岩溶管道,贯通早期形成的东西向管道并袭夺卧西坪和铜锣坪一带的地表岩溶湖水,使得原分散的岩溶水系统通过南北向的主管道集中排泄,形成了多进口的树枝状复杂管道暗河系统。卧西坪岩溶坡立谷内常年遭受洪涝的原因主要是由于落马洞地下暗河形成年代较晚,管道规模较小,且洞内坍塌淤积严重,排水能力小。在此基础上,提出了加强流域水土流失管理、疏通河道和新建排水隧洞等治理措施与防治对策。