黄河流域煤炭开发区地下水污染成因分析及防治建议

[研究目的]黄河流域内由于煤炭资源开发导致地下水污染严重,从整体角度对流域内重点煤炭开发区地下水进行归纳总结,为其可持续健康发展和地下水资源改善提供防治建议。[研究方法]从黄河流域战略地位出发,对地下水污染成因和污染模式进行归纳总结。采用改进后的综合水质指数法对流域内九大煤炭基地的地下水进行水质评价。选用主成分分析法赋权指标,并引入改进的内梅罗污染指数法,按照WPI分级法进行评价。[研究结果]通过对黄河流域各重点断面水质评价,得到目前流域内煤炭基地水质结果中Ⅲ、Ⅳ类占比较多,水质较差。分析成因当前流域内存在高矿化度矿井水、酸性矿井水和含特殊组分矿井水污染,同时阐述污染地下水形成的浅层和深层两种污染模式。[结论]对3种矿井水采用相应防治方法,并提出膏体充填技术和微生物修复技术2种防治技术建议,通过应用实际矿山为例,印证污染防治技术能够改善由煤炭开采引发的流域内地下水污染严重的问题,以期研究结果能够对成功推动中国绿色矿山的快速发展具有参考意义。

加卸载花岗岩强度与岩爆倾向性试验研究

为了进一步提高硬性花岗岩岩爆倾向性预测水平,系统开展了花岗岩巴西劈裂、单/三轴和不同卸围压速率应力路径下的岩石力学试验,详细分析了花岗岩强度和岩爆倾向性特征。研究结果表明:花岗岩在主应力σ_(3)–σ_(1)平面内,不同应力路径下的强度受围压和卸围压速率影响显著,呈带状分布;在τ_(oct)–(σ_(1)+σ_(3))/2平面内,不同加卸载应力路径下的强度都呈良好的线性特征。据此建立了花岗岩八面体强度计算通式,可统一表达不同加卸载应力路径;针对花岗岩硬岩的压密和屈服特性不明显,弹性特性显著的特征,提出了简化剩余弹性能指数岩爆分级法;并依据花岗岩试验岩样破坏形态和破坏声学特征,对已有花岗岩岩爆等级进行了细分。揭示了在相同初始围压下,卸围压速率越大,简化剩余弹性能指数越大,岩爆倾向性越强;相同卸围压速率下,初始围压越大,简化剩余弹性能指数也越大,岩爆倾向性也越强。研究成果可为更科学合理的评估花岗岩岩爆倾向性提供理论参考。

引发全尾砂料浆触变特征的临界粒径研究

细粒径尾砂颗粒絮凝−分解是充填料浆产生触变性的根本原因,然而目前对引发充填料浆触变性的临界粒径研究极少。通过对不同粒径尾砂制备的充填料浆开展触变试验与微观结构的演化测试,结合Patwardhan提出的非牛顿流体理论分析尾砂颗粒间相互作用力,推导引发全尾砂料浆触变性能临界粒径的理论值,最终建立了充填料浆触变性模型。结果表明:充填料浆触变性能与剪切速率、质量分数、尾砂细颗粒含量呈正相关,通过理论推导得出引发充填料浆触变性能的临界值为45μm。由此可以认为,当充填料浆中含有粒径<45μm颗粒,且质量分数≥6%时,充填浆料则具有触变效应;反之,充填浆料则不具备触变性。基于实验结果采用Hattori−Lzumi理论构建触变性模型,并结合流变测试结果拟合得到了充填料浆触变性系数。

充填料浆中气泡作用机理及其流变特性演变规律

充填料浆是由固-液-气三相组成的悬浮体,长期以来有关充填料浆研究重点多是固-液两相的流变特性,而气相因素对于具有复杂流变特性的料浆影响却鲜有报道。气相成分可以显著降低充填浆体的屈服应力、黏度,对于改善管道输送性能、降低管道磨损等方面具有显著优越性。首先,通过控制引气剂(TTAB)掺量调节料浆含气量,并测定充填料浆表面张力、空气体积分数、流变性能等参数,探寻料浆中气泡对其流变性能的影响规律。其次,引入毛细管力(F_(cay))、无量纲屈服应力(τ_(ref)/τy)气泡演变模型来分析料浆内气泡演变特征,以期探明气泡对料浆流变特性的作用机理。结果表明,当充填料浆含气量较低时(<12.5%),气相因素对悬浮体料浆流变特性影响甚微,而伴随含气量增加气泡对充填料浆流变特性的影响愈发显著。引气剂作用下气泡表面对料浆内细颗粒体产生斥力,降低了水泥、固废(尾砂)等细颗粒的吸附力,导致料浆屈服应力表现为递减趋势,其流动性呈现增强趋势。基于毛细管力(F_(cay))与无量纲屈服应力(τ_(ref)/τ_(y))理论分析了充填料浆不同含气量下流变特性演变机制,当含气量增加(12.5%~27.7%),料浆的表面张力、屈服应力降低,气泡挤压变形;高含气量下(接近28.6%),料浆内气泡极易破裂。另外,气泡滞留充填体内部导致强度劣化,为此就气泡对充填体力学性能影响及其解决措施开展了探索,并提出了3点有效措施。通过揭示气泡对于充填料浆流变特性影响与其演变特征规律,为高泡充填减阻减磨技术发展提供理论支撑。

基于CT扫描的矿山充填材料深度脱水细观机理研究

针对全尾砂浓密脱水困难、底流质量浓度低的问题,开展了基于压缩床层不同高度处料浆絮团细观结构深度浓密脱水研究。通过对全尾砂进行动态浓密实验获取压缩床层料浆样品,借助SEM及高精度CT扫描设备,对获取的絮团结构进行扫描及三维重构处理分析沿压缩床层方向孔隙结构变化规律。结果表明:沿着床层向下,五组料浆内部孔隙平均半径分别为9.58μm、9.23μm、8.76μm、8.63μm及8.31μm。床层顶部料浆质量浓度为59.4%,絮团呈现松散无规则状,底部料浆质量浓度为62.1%,絮团呈现致密规则状。对比顶部和底部料浆,孔隙率下降3.7个百分点,连通孔隙比下降了35.53%,孔隙平均配位数减小了22.73%,孔隙连通性大大降低。本文从细观角度定量表征了微观孔隙结构特征,为矿山充填材料进一步脱水提供理论依据。

石墨尾矿制备免烧仿石砖工艺与性能研究

目的:研究石墨尾矿制备仿石砖的工艺和性能。方法:通过扫描电子显微镜和力学性能测试等手段对制备的免烧仿石砖进行了表征和评估。结果:研究表明,采用压制成型法利用石墨尾矿制备免烧砖,最佳的石墨尾矿掺混比为50%,陈化时间为21 d,此时免烧砖抗压强度35.53 MPa,吸水率为4.22%,均达到产品要求的标准。结论:通过SEM观察,制备的仿石砖表面平整,无明显的孔隙和裂缝。力学性能测试表明,仿石砖具有较好的抗压强度和耐磨性。意义:利用石墨尾矿制备免烧砖在技术上是可行的,对环境保护和资源回收具有重要意义。

新工科背景下力学虚拟仿真实验建设

蓬勃发展的新经济和不断变革的新产业对培养现代工程人才的综合素质提出了新要求,培养理论基础扎实、实践创新能力突出、职业素质高、国际竞争力强的复合型人才成为新工科建设的新目标。我校土木工程专业通过了土木工程专业认证,是首批国家级一流本科专业建设点,应以“一流专业”建设作为综合改革的“催化剂”,以校企合作深度融合为载体,在新工科的人才培养中加强虚拟仿真技术的应用,有效解决新工科培养中实践基地紧缺的问题,同时是培养学生综合创新能力的一种有效实验手段。

HPMC及硼砂对新型防漏高强注浆料性能及微观结构的影响

与传统注浆料相比,防漏高强注浆料具有防漏和高强两大特性,但其过快的凝结速度严重影响施工质量。为了解决凝结速度过快以及泌水问题,研究了羟丙基甲基纤维素(HPMC)和硼砂对防漏高强注浆料凝结温度、凝结时间、保水率、抗折强度和抗压强度的影响。结果表明:当HPMC掺量在0.20%~0.30%(以下掺量均为质量分数)时,硼砂掺量的增加会导致最高凝结温度上升以及恒温时间缩短;掺入HPMC不仅可以提高浆料的保水率,且对注浆料具有一定的缓凝效果,与硼砂同时使用时能增强注浆料的缓凝效果;随着硼砂掺量的增加,浆液结石体的抗折强度和抗压强度呈先增大后减小的变化趋势,HPMC可以减弱硼砂对浆液结石体强度的影响,但是,随着HPMC掺量的增加,浆液结石体强度逐渐降低。当硼砂掺量为0.07%、HPMC掺量为0.25%时,防漏高强注浆料能够在保证良好力学性能条件下获得更好的工作性能,此时,初凝时间达到1 h以上,3 d抗压强度达到36.58 MPa。增加HPMC掺量会导致钙矾石(AFt)晶体由柱状向针状转变,片状单硫型水化硫铝酸钙(AFm)逐渐减少,使结构松散,硼砂掺量为0.07%、HPMC掺量为0.25%时,AFt晶体呈柱状且分布均匀,相互之间具有较多的搭接点,结构更为致密。

基于COMSOL的杨林坳钨矿采场结构参数优化

通过COMSOL数值模拟软件,针对杨林坳钨矿充填法采场安全性问题,基于围岩失稳和矿壁失稳判据,分别确定一步骤采场跨度区间和矿壁厚度区间。对比不同采场结构参数无支护情况下围岩的应力、塑性应变以及顶板垂直位移,同时考虑矿山开采的安全经济性能,确定最优采场结构参数。研究结果表明:①结合岩体的抗拉、抗压强度,确定一步骤采场跨度安全区间为13~18m;②结合等效应力场、塑性区、位移场等对比分析,确定一步骤采场最优跨度为13m;③矿壁厚度为4.5m时可保证现场施工的安全性。

基于PVM技术的充填膏体搅拌过程细观结构演化

膏体性能是体系内部不同颗粒、组分之间协同作用的结果,探明充填料浆在搅拌作用下细观结构形态的演化过程,对完善膏体搅拌理论、改善膏体充填性能、实现矿山降本增效具有重要意义。采用激光颗粒显微成像(PVM)技术获取膏体料浆在不同搅拌时刻的细观结构图像,经二值化处理后应用Avizo软件得到料浆中团聚体的等效直径(d),来表征膏体细观结构特征,并基于Blake-Kozeny方程及Hattori-Izumi理论构建d-t关系模型,最后将所得实验值和理论值进行对比分析。研究结果表明:膏体搅拌制备过程分为浸湿黏结和剪切分散2个阶段,在搅拌作用下料浆细观结构的等效直径先增大后降低,最终趋于稳定。在浸湿黏结阶段,颗粒与液体之间形成类似“核-壳”结构,并在液桥力的作用下不断吸附周围的颗粒,随着被吸附的颗粒越来越多,“核-壳”结构尺寸渐渐增大(d与时间t的0.5次方成正比),并在35 s左右达到峰值;在剪切分散阶段,“核-壳”结构的体积分数达到临界状态无法吸附更多颗粒,团聚体在剪切力的作用下发生破裂,细观结构的等效直径不断变小(d与t成反比),并于300 s后趋于稳定,物料转变为均质“膏体”状态。基于等效直径的细观结构演化模型量化了充填料制备过程,促进了固废充填技术的完善。

大掺量粉煤灰对高架桥混凝土路面断裂性能影响试验研究

大掺量粉煤灰与混凝土水泥反应产生的凝胶可以改善混凝土粘接性能。为了确定粉煤灰掺量范围,将断裂度作为衡量混凝土断裂性能重要参数,根据混凝土在不稳定状态下的脆性断裂特征,对混凝土路面进行了断裂程度及应力分析,按照大掺量粉煤灰的混凝土界面粘接强度,分析拔出型、断裂型在显微镜下的断裂细微形态。结果表明,粉煤灰掺量为20%时,混凝土路面断裂正应力大于0.8 GPa,剪切应力大于1.5 GPa,混凝土路面抗压强度较大,混凝土路面抗断裂性能最好。随着粉煤灰掺量增加,混凝土路面抗断裂性能逐渐变差。

分层因素作用下充填体力学特性变化规律及破坏特征分析

井下尾砂胶结充填体多表现为分层数量多、分层角度小,因此研究分层因素对充填体力学特性及破坏特征的影响势在必行。通过对水平分层、角度分层充填体开展单轴抗压试验,实现分层因素与充填体抗压强度、割线模量间数量关系表征。研究结果表明:充填体抗压强度与分层数、分层角度,以及割线模量与分层数之间均呈指数型负相关,而割线模量与分层角度间更符合多项式函数关系;分层数对水平分层充填体强度的影响效果比固体质量浓度更显著,而角度分层充填体强度对固体质量分数的敏感度高于分层角度。分层充填体试样多表现为贯穿与半贯穿破坏,分层数对充填体破坏形态影响效果最显著,研究结果为矿山分层充填研究提供了理论基础和科学依据。

高应力软岩巷道全断面支护方案设计及优选

为解决高应力软岩巷道支护难题,以赵固二矿14040工作面底抽巷为研究重点,提出了“锚网索喷+注浆+底板非对称锚注”的支护方法,并针对顶、底板不同支护形式,利用数值模拟软件进行了模拟和优选,研究不同支护形式中巷道位移场演化、塑性区和应力分布,优化了底抽巷道支护方案。结果表明:对于顶板支护,采用全长锚固方案要优于端部锚固1.5 m;对于底板支护,采用无钢梁非对称锚固形式更为经济有效。通过现场位移监测结果表明,该支护方案能够满足安全生产需求。

基于NMR技术的玄武岩纤维喷射混凝土韧性演化规律

随着煤矿开采深度的增加,普通喷射混凝土支护结构易开裂脱落。玄武岩纤维(BF)的加入可以有效地提升喷射混凝土韧性与抑制围岩变形的能力。通过弯曲韧性试验研究了BF对玄武岩纤维喷射混凝土(BFRS)韧性的影响规律,通过核磁共振试验(NMR)研究了孔隙分布对BFRS韧性的影响,并进行了井下现场支护试验。结果表明:BF掺入后,BFRS 7 d与28 d试块抗弯强度分别提高了9.8%,6.8%,且BF对早龄期抗弯强度提升效果更为明显;分别采用DBV与JSCE标准对BFRS韧性进行评价,实验发现最优纤维掺量为4.5 kg/m^3,此时D1^f和D2^f分别为29.5 N·m和57.9 N·m,试件弯曲韧性比同时达到最大值0.875;对比可知,DBV多值韧性标准更适合评价BFRS抗弯韧性。通过NMR试验发现纤维掺量对BFRS孔隙结构影响较大,纤维掺量达到3 kg/m^3时,BFRS大孔径孔隙占比仅为0.25%,当纤维掺量超过临界掺量4.5 kg/m^3,BFRS大孔径孔隙占比增加,喷射混凝土基体内部缺陷增多,韧性降低。进行井下支护试验发现BFRS抑制变形能力优于普通喷射混凝土,其中纤维掺量为4.5 kg/m^3时,支护段巷道35 d收敛位移最小,仅为0.21 mm,此时支护效果最好。分布在BFRS基体内部的纤维可以形成稳定的三维承力结构,有效改善BFRS基体内部孔隙结构,增加BFRS韧性,提高被支护巷道抗变形能力。高韧性BFRS可以有效地满足深部大变形巷道支护要求,达到“变形不开裂,开裂不掉落”的效果。

膏体浓密床层孔隙结构剪切演化与连通机理

开展半工业全尾砂浓密实验,借助计算机断层扫描与三维重构技术分析高质量分数底流床层内部孔隙结构特征;利用最大球算法研究孔隙连通规律,揭示剪切强化导水机理。研究结果表明:当给料体积分数为10%,絮凝剂单耗为30 g/t时,有/无剪切作用下的肃北钒铁矿全尾砂连续浓密底流质量分数分别可达58.5%和55.8%;当添加转速为2 r/min的剪切作用时,床层平均孔隙率从47.62%降低到40.98%;孔隙平均直径由23.11μm降低至19.01μm,孔隙数量变化较小;床层内部孔隙数量随床层高度上升而增多,分形盒维数由1.60~1.70增加到1.90~1.95;定义临界孔喉比为1,将导水通道划分为主通道、次通道和全封闭通道,床层内部存在主导水通道周围伴随着若干次导水通道;剪切作用对于重塑尾砂絮团排列方式继而形成导水通道实现强化排水具有重要意义。

深厚冲积层多圈孔冻结壁温度场发展研究

冻结壁温度场发展是人工冻结法施工在井筒建设过程中最重要的组成部分,对井筒开挖和安全施工有重要的影响。因在地下进行大面积、长时间冻结,土体会发生复杂变化,无法进行相似模拟实验,数值模拟软件成为最直接的辅助工具。本文通过合理的多圈孔布孔方式,考虑钻孔偏斜、冻结过程中水的相变潜热、不同温度下导热系数及热容等影响因素,结合实测数据,运用数值模拟软件COMSOL Multiphysics建立多物理场耦合对温度场发展进行研究。以某矿西风井深厚冲积层为研究对象,针对91 d冻结壁温度场发展进行模拟。模拟交圈时间为44 d,冻结壁平均发展速度为25.36 mm/d,与实测交圈时间50 d、冻结壁平均发展速度22.72 mm/d相比有微小的误差,模拟结果与实际情况符合程度良好,并推论出以最外圈为主冻结孔对冻结壁发展速度的影响及利弊。综合前人模拟结果,此模拟方法更具有理论意义及工程指导价值。

谦比希铜矿膏体充填料浆流动性测试

膏体充填可有效解决采空区固废处置问题,实现安全、高效、高质量回采。为最大程度使用尾砂,降低矿山开采成本及安全隐患,谦比希铜矿引入膏体充填技术,首先对该技术方案的基本构成系统进行了介绍,之后针对该充填方案设计出对应的环管实验,通过环管实验测试了不同浓度及配比条件下膏体的流动性能,最终确定最佳膏体充填浓度为66%~68%、最佳灰砂比为1∶16,此时膏体流动性较好,对应的沿程阻力为4.5~6.5MPa/km,坍落度为26~28cm,可保障膏体充填的高效性,为当地矿产资源有效利用、环境保护树立了典范。

初始湍流强度与耙架剪切对全尾砂絮凝行为的影响

资源绿色开采是矿业可持续发展的必然需求,随着深部井下开采技术的提高,充填采矿法已成为矿山开采领域必不可少的有效手段。全尾砂絮凝脱水作为充填采矿法的核心,以深锥浓密机探究全尾砂絮凝沉降规律是目前全尾砂浓密理论发展的前沿技术,深锥浓密过程中给料井初始湍流强度与耙架转速是影响全尾砂絮团尺寸与沉降行为的关键因素。利用自制智能连续浓密试验平台,对深锥浓密机内真实沉降环境进行模拟。结合高速摄像与粒子追踪技术,深入研究给料井内的絮团形成过程与沉降柱内的絮团沉降过程。采用MATLAB及ImageJ分析软件,研究了给料井(高度10 cm,横截面直径分别为4、5、6 cm)内初始湍流强度对絮团尺寸的影响,分析了不同剪切环境下絮团沉降行为规律。结果表明:在固体絮凝剂单耗(20 g/t)、入料浓度(10%)和固体通量(0.1~0.3 t/(h m2))一定的条件下,给料井横截面直径分别为4、5、6 cm时,对应的最大初始湍流强度分别为28.66%、25.99%、23.16%。絮团尺寸随初始湍流强度的增加而先增加后减小;当初始湍流强度为25.99%时,全尾砂絮团尺寸达到最大6.21 mm。剪切作用可加速絮团的沉降,相同条件下,耙架转速为0时,絮团沉降速度为1.23 cm/s;耙架转速为4 r/min时,絮团沉降速度为4.92 cm/s;耙架转速为8 r/min时,絮团沉降速度为3.36 cm/s。

基于可视化分析的玄武岩纤维喷射混凝土微观结构研究

玄武岩纤维(BF)掺入引起的孔隙结构变化是影响玄武岩纤维喷射混凝土(BF/SC)力学性能提高的关键因素。纤维与基体密度相近,CT扫描图像区分度较小,传统方法无法直接识别纤维原位分布。可采用分水岭算法和骨架提取算法相结合突破这一瓶颈。文章采用喷射混凝土制作方式,研究了不同BF掺量对BF/SC力学性能的影响;借助CT扫描技术对BF/SC微观结构进行可视化分析,测定了BF不同掺量下的孔隙大小组分结构、纤维分布;分析纤维掺量与孔隙结构的响应关系,揭示纤维增强微细观机理。结果表明:玄武岩掺量比为3kg/m3时,喷射混凝土的抗压和抗折性能最好;此时孔隙率为4.36%,大孔隙占比最少;内部结构的纤维分散的比较均匀,且纤维分布方向有利于控制裂缝的产生。当BF掺量大于该值时,其抗压和抗折性能大大降低,引起了总孔隙率提高,出现纤维严重结团现象,导致BF/SC内部大孔隙的增加,这是导致混凝土力学性能恶化的主要原因。

新型高效增强剂对喷射混凝土性能研究

针对普通喷射混凝土泵送条件差、强度低及耐久性差等问题,采用新型高效增强剂对其进行改性。研究了新型高效增强剂对坍落度、力学性能及碳化性、渗透性的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)对其作用机理进行分析。结果表明:当高效增强剂掺量为15%时,28 d龄期混凝土强度为52 MPa较基样提高47. 7%,碳化深度比基样平均降低11%,渗水深度降低9. 30 mm。新型高效增强剂对喷射混凝土孔隙进行充填使得其内部更加密实,且消耗氢氧化钙生成水化产物增强喷射混凝土的粘结性,从而提高了喷射混凝土强度、抗碳化性及抗渗透性。