低温下不同饱和度冻结砂岩动态力学行为试验研究

含水量是影响寒区岩体冻胀破坏的关键因素之一,而动态荷载的扰动又使其破坏过程进一步复杂化。因此,通过低温分离式霍普金森压杆实验系统,研究了冲击荷载和饱和度的变化对冻结红砂岩动态力学行为的影响,并结合低场核磁共振和扫描电镜等手段探究了砂岩试样微观结构的动态演化。研究结果表明:饱和度的增加重塑了红砂岩试样的孔隙结构,促使冻结过程中试样各尺寸孔隙的发育与扩展,且完全饱和时冻结试样以中-大孔隙发育为主。冲击荷载作用下,以临界饱和度为界,冻结砂岩的动态强度、弹性模量和脆性指数BI均随饱和度增加呈现先增大后减小的趋势。与之相反,冻结砂岩的极限变形能力随饱和度变化呈现相反趋势。此外,随着冲击荷载的增加,冻结砂岩的动态强度、弹性模量和峰值应变均逐渐增加,表现出明显的应变率强化效应;而其脆性指数逐渐降低,冲击速度由4 m/s增加至6 m/s时,完全饱和试样的脆性指数下降了8.1%,表明其动态破坏模式由脆性向韧性的转变。而随着饱和度和冲击荷载的增加,冻结试样从张拉破坏转变为粉碎性的复合破坏,且破碎岩块质量的分布仍然与冻结试样的动态强度密切相关。最后,基于试验结果,讨论了饱和度变化对寒区冻结砂岩动态力学行为的影响机制。

一种废弃矿井地热资源再利用系统研究

废弃矿井的再利用对矿业产业的可持续发展起着至关重要的作用。矿井废弃后仍赋存着丰富的资源,有潜在的积极用途,尤其是大量可再生地热资源有着巨大的应用前景。分析了国外废弃矿井地热资源开采与利用现状,提出了一种废弃矿井地热资源利用循环系统模型,该系统利用顶板垮落后采空区的储水优势,能够充分利用废弃矿井地热、水及空间资源,进行清洁能源的生产,避免了矿井废弃后资源的浪费与次生灾害的发生,同时可有效地降低温室气体排放和环境污染。研究结果表明:倾向长度350 m,走向长度4000 m,高度6 m近水平工作面采空区的储水能力约为580000 m^(3),静态储能约为5200 MW·h;考虑不同地层采空区的温度特性,设置冷热源水库,整个系统运行时功率可达8.4 MW,年供能约24960 MW·h,可约为250000 m^(2)住宅空间进行有效的供暖或制冷。与传统化石能源煤炭相比,系统运行时每年可减少约为7812 t二氧化碳排放,碳排放系数仅为0.072 kg/(kW·h),降低了81%以上。此外,相关部门应建立健全废弃矿井的管理机构,提前做好矿井关闭前再利用计划。同时,矿业企业要做好再利用的技术储备与措施,实现废弃矿井的再利用,推动采矿区域环境恢复和经济复苏。

关闭/废弃矿井地热能开发利用研究现状与进展

探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。低焓地热资源(<85℃)是一种零碳清洁能源,可加快居民热能需求的脱碳进程。然而,低焓地热资源的开采面临着投资成本大、易诱发地质环境灾害等问题,限制了其大规模的开发与利用。而关闭/废弃煤炭矿井,由于具有丰富的水、热及空间资源,可创新性地开发低焓地热资源并延长矿区的经济寿命,降低对环境与经济的负面影响。为此有必要对废弃矿井开采地热能相关的技术、经济、环境和政策等因素进行全面的梳理。因此,进行了广泛的文献综述,从废弃矿井地热能开采原理的角度,概述了其系统、热源、需求及政策等方面的研究成果,特别是对矿井水体积、连通性和温度特征及其影响因素进行了详细的分析。在此基础上,讨论了以解析模型、数值计算及现场实验方法评估废弃矿井地热能利用可行性的研究进展。此外,为了直观地说明废弃矿井地热能的利用潜力,考虑围岩动态补热机制,以徐州矿区关闭张集矿为分析案例,估算了其可利用的地热资源。结果表明:张集矿静态储能约为278000 MW·h,围岩动态补热量(0.5 a)约为4731.4 MW·h,系统供能的碳排放系数仅为0.05 kg/(kW·h),与化石能源相比碳排放量减少约13000 t。尽管考虑了动态补热,废弃矿井地热能补给速率仍相对较慢,因此未来的研究应着眼于多能互补方式开发废弃矿井地热资源,结合风能或太阳能将废弃矿井作为产-储热能的关键结构,以提高系统的稳定性。

基于LBM-DEM耦合方法的突水溃砂运移规律研究

我国西部矿区因其特殊的地质赋存条件及高强度开采方式易诱发突水溃砂灾害,迫切需要对灾害机理进行研究。为了解突水溃砂下水砂运移规律及致灾的关键原因,借助LBM-DEM耦合模拟方法对单裂隙开口通道模型中水砂两相运移问题进行了初步探究,通过对比截面流量及溃砂速率变化情况,分析了其受不同边界压力、裂隙开口宽度及砂层厚度的影响,基于Bulsara式拟合了不同边界压力时最大单位质量流量数值计算结果。研究结果表明:随边界压力增加,截面流量及最大溃砂速率单调增加,高压力下砂粒更容易在裂隙开口处堆积形成临时性密实结构阻碍水砂运移,截面流量及最大溃砂速率增幅逐渐降低,在Bulsara式基础上给出的修正式能较好的拟合最大单位质量流量曲线;随开口宽度增加,截面流量、最大溃砂速率和砂粒在开口处形成的密实结构体积均单调增加,但增幅逐渐降低,发现灾害的关键影响因素之一为砂粒密实结构体积;随砂层厚度增加,砂粒密实结构持续时间增长造成阻碍效果逐渐增加,截面流量及最大溃砂速率逐渐减小且降幅逐渐降低,灾害发生点由初始水驱动砂快速流出裂隙孔口阶段转变为砂粒密实结构失稳造成砂粒倾泻阶段。

冻融循环条件下砂岩动态拉伸力学特性试验研究

我国西部地区受冻融循环作用的影响较大,岩石在经历冻融循环作用后其内部温度应力造成岩石结构性损伤,岩石物理力学性质产生显著的变化,进而会影响岩石工程的安全性和可靠性。为研究冻融循环对岩石动态拉伸力学性能的影响,选用新疆典型寒冻地区砂岩,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同冻融循环次数(0、5、10、15、20和25次)后的试样进行动态巴西圆盘试验;并利用SEM电镜扫描和高速摄像机分析冻融循环对试样宏细观破碎特征的影响,在此基础上对冻融循环作用机制进行讨论。结果表明:冻融循环对砂岩动态抗拉强度有很大影响,冻融循环后试样结构损伤,力学性能劣化。随着冻融循环次数的增加,试样结构损伤和力学性能劣化加剧。动态抗拉强度随冻融循环次数的增加逐渐降低,循环25次之后,降低幅度约为50%。同一冻融循环次数下,动态抗拉强度具有明显的应变率增强效应。不同冻融循环次数后砂岩破碎特征差异明显,低应变率和高应变率下分别出现剥落式破坏和颗粒状粉碎破坏。从微观角度,冻融循环主要对岩石矿物颗粒、胶结物质、孔隙面积产生影响,削弱了岩石颗粒间的黏结力,同时在岩石内部产生不同形式的断裂裂纹;冻融循环作用产生的冻胀力与孔隙间水压力导致岩石内部出现损伤,使得宏观上表现出强度的下降。

不同含水率下矸石胶结充填体蠕变特性试验研究

地下矸石胶结充填对西部矿区水资源及生态环境的保护起着至关重要作用。为探究地下水长期浸润作用对矸石胶结充填体蠕变力学特性的影响,采用三轴分级加载蠕变试验,分析了含水率变化对矸石胶结充填体蠕变特性及长期强度的影响规律,建立了描述其蠕变全过程的分数阶本构模型,并利用T-R法反演辨识获得了分数阶蠕变模型相关参数。结果表明:随着试样含水率的增加,矸石胶结充填体的蠕变变形与瞬时变形呈增大趋势,而蠕变历经时长和破坏应力均逐渐减小;通过改进的稳态蠕变率拐点法分析表明,胶结充填体的长期强度与含水率呈线性负相关,当充填体由干燥至饱和时,其长期强度下降了约13%。基于蠕变试验,模型理论结果与试验结果吻合良好,能够描述矸石胶结充填体蠕变变形的全过程。