库岸边坡消落带水-岩作用研究进展与展望

消落带岩体的损伤劣化直接影响库岸边坡的长期变形稳定.近年来,相关模拟库岸边坡消落带的水-岩作用的试验设备和测试技术逐步发展,消落带水-岩作用劣化效应及机理研究逐步完善,相关研究进展主要体现在如下4个方面:库岸边坡消落带水-岩作用试验方法从干湿循环逐步发展到考虑库水压力变化以及应力和水-岩耦合作用,但相关模拟复杂应力条件和库水环境耦合作用的专用仪器设备和方法亟待进一步研究完善;水-岩作用下各类岩石的劣化规律和微细观结构损伤演化特征得到系统研究,并建立了多种损伤劣化模型,但复杂赋存条件下库岸边坡消落带岩体损伤劣化与地层岩性、坡体结构的相关关系,以及消落带岩体的损伤劣化机理及模型亟待完善;在消落带岩体劣化现场测试方面,声波、回弹、探地雷达和钻孔成像技术逐渐得到应用,但相关适用于大范围、长周期的消落带岩体劣化现场测试及分析技术亟待完善;消落带岩体劣化已经逐渐成为影响岸坡长期变形稳定的因素之一,但消落带岩体损伤劣化诱发岸坡局部或者整体变形失稳的临界条件、变形破坏模式分析还不够系统.

陕北烧变岩水−岩作用的劣化特性

鄂尔多斯盆地东北缘陕晋蒙交界地区存在大量煤火高温烘烤形成的烧变岩。与原岩相比,烧变后的岩体结构破碎孔隙发育,在长期水–岩作用下,形成了大量危岩体。以陕北神木大柳塔地区的烧变岩为对象,开展了50次干湿循环试验,测试不同循环次数后烧变岩物理性质与力学性质及其变化,探讨不同烧变程度烧变岩劣化特性。结果表明:烧变岩质量、硬度、力学性质下降,表面亮度降低,粗糙度与红黄色度增强;基于低场核磁共振技术(NMR)测试,烧变岩孔隙体积比例曲线右移,最大孔径扩张;微孔向大孔转化,大孔含量与总孔隙率升高;烧变作用使岩体孔隙发育,且提高了烧变岩的抗侵蚀能力,降低了色度、质量、粗糙度、硬度、力学性质的变化程度。长期水–岩作用可对烧变岩的物理力学性质与孔隙结构造成明显改变,烧变程度与初始孔隙结构能够影响劣化效果。根据研究不同烧变岩的劣化过程,得出加固低烧变程度岩体表面、加固沉积层理与原有裂隙、堵塞高烧变程度岩体孔隙,可降低水−岩作用的侵蚀破坏强度。

干热岩开发中高温水-岩作用下岩石应力腐蚀及多场损伤问题

赋存于地球深部的地热资源,以其储量丰富、清洁再生等优势,有望成为破解我国能源困局,助推“双碳”目标实现的重要途径之一。干热岩(HDR)开发过程中,面临着高温高压环境下水-岩作用问题,在温度场、渗流场、应力场、化学场(THMC)等多场耦合作用下,岩体应力腐蚀效应和疲劳劣化会诱发岩石微裂纹-裂缝扩展、成核与丛集行为,进而影响增强型地热系统(EGS)的热交换效率和地质体稳定性,这也是制约干热岩长期安全开发的瓶颈,亟待突破。通过总结现有干热岩高温高压下多场损伤研究中的实验探索、理论模型、数值分析等多手段跨尺度方法,分析干热岩在高温高压及水环境下的应力腐蚀效应,可阐明循环生产过程中低温工质与高温地质体循环换热下干热岩储层结构演化的动态过程及工程响应,进而揭示THMC多场耦合作用下干热岩储层疲劳劣化损伤机理,为我国深部地热资源高效安全开发提供理论支撑和地质保障;但仍亟待深入开展增强型地热系统的THMC多场耦合作用下岩体应力腐蚀效应的干热岩疲劳劣化机制与长期稳定性研究,如考虑应力腐蚀效应和疲劳损伤的干热岩长期强度评价模型、基于跨尺度疲劳损伤评价的干热岩开发下地质体长期稳定性方法、适应于干热岩储层改造及裂缝网络演化下THMC多场耦合数值方法。

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model,PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明:在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。

煤矿采空区水-岩作用模拟试验研究

采空区积水在我国煤矿中广泛存在。明确在采空区封闭-半封闭环境条件下的水-岩相互作用机理,对实现煤矿区水污染减量以及地下水资源保护具有重要意义。以内蒙古某煤矿采空区积水为研究对象,设计高度还原采空区环境的箱式模拟试验,采用X射线衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱仪(XRF)对模拟采空区填充物(煤、垮落岩体)中矿物成分及元素组成进行分析,借助离子色谱仪(IC)和电感耦合等离子体发射光谱分析仪(ICP-OES)等对水中水化学特征进行表征,探究采空区积水水质形成的水-岩相互作用机制。结果表明:水-岩相互作用主要为煤及垮落岩体中的矿物溶解-沉淀作用、阳离子交换作用、煤中黄铁矿氧化作用以及混合作用。矿物溶解作用占主导地位,采空区积水中的Na+、K+主要来源是钠长石、钾长石等硅酸盐矿物的溶解,而Ca2+和Mg2+主要来自于钙长石、方解石、绿泥石等矿物溶解;离子交换作用主要发生在采空区水-岩作用的初期(0~20 d),而后逐渐减弱;采空区底部残煤中黄铁矿氧化作用是积水SO42-浓度升高、还原性增强、pH和DO(溶解氧)降低的主要原因;混合作用在试验中后期(30~150 d)逐渐凸显,使采空区积水的水化学特征趋向于一致。研究结果为煤矿采空区积水污染预测以及防治提供理论参考。

束状孔爆破增强破岩作用机理研究

束状孔爆破是由数个密集平行炮孔同时起爆的一种爆破形式。通过数学模型构建及理论分析的方法,揭示束状孔爆破的增强破岩作用机理。研究了束状孔爆破粉碎圈范围对爆破效果的影响;根据束状孔爆破应力波作用时间、应力波叠加特点,与束状孔当量大孔(ELH)比较,分析束状孔爆破的诱导增强破岩作用、外部增强破岩作用及爆腔的形态转化等规律。束状孔爆破效应(BBE)是在适当束状孔炮孔间距条件下,束状孔爆破产生增强破岩作用的现象。束状孔爆破的增强破岩作用机理包括:产生炮孔的破碎联通、扩大爆腔、应力波叠加、增强诱导裂隙扩展、增强临空面剥离、增强对爆生气体的约束等作用。

土岩地层扶梯通道施工对围岩作用机制研究

为了研究土岩地层扶梯通道施工对围岩作用机理,以广州市某暗挖地铁车站为工程背景,建立扶梯通道、正线隧道和联络通道的数值模型,通过对数值模拟与相应的现场监测数据进行对比分析,探究了扶梯通道从上至下施工和从下至上施工引起的围岩应力-应变特征和支护结构受荷变形规律。研究结果表明,扶梯通道的拱顶围岩沉降主要集中在上半部分的倾斜段,支护结构应力主要集中在扶梯通道由倾斜段变为平直段的拐角处;相比于硬岩地层,软岩地层对施工扰动更加敏感,通道开挖时应力释放的程度更小,开挖面的空间效应更不明显;相比于从上至下开挖,从下至上开挖通道会使支护结构承受的应力更大,同时通道上半部分倾斜段的围岩沉降峰值更小,分布范围更广,更容易使下部围岩受拉。

石煤中铀在水-岩作用下浸出释放的环境影响及控制因素

含铀石煤广泛分布于中国南方地区,富含有机质和金属硫化物。石煤被人为开采暴露于地表后很容易在水-岩作用下发生氧化,产生矿山酸性排水并释放出放射性和有毒金属元素铀,因此废弃裸露的石煤矿山成为重要的潜在铀污染源。综述了水-岩作用下石煤矿山铀浸出释放的环境效应,铀的浸出释放过程受到多种因素的影响,包括石煤中铀的丰度、铀赋存状态、石煤风化程度、微生物作用,以及浸出液pH、Eh和气象水文等。尽管石煤中铀在水-岩作用下浸出释放研究取得了长足的进展,但控制铀浸出释放的主要因素及相关机制还不清楚,尤其是微生物在铀浸出释放过程中的作用机制还有待深入研究。

不同水-岩作用下岸坡岩石力学特性劣化试验研究

库水位升降会使不同高度、不同水位线下岸坡岩石的水赋存环境不同,受到的水-岩作用类型亦不同,为此开展了不同水-岩作用下岸坡岩石力学特性劣化试验。结果表明,岩样的抗压、抗拉强度均随试验周期的增加而减小,呈先快后慢的劣化趋势;随着水-岩作用周期的推进,岩样在抗压和抗拉试验中,剪切破坏特征愈发明显;岩样微观结构由致密逐渐向疏松多孔、多裂纹的结构过渡;不同水-岩作用下,岩样的力学特性和微细观结构劣化程度表现为热湿循环作用>干湿循环作用>长期浸泡作用。结果对基于水-岩作用分区的岸坡长期稳定性分析提供了新思路。

煤系铁赋存形态及水–煤/岩作用过程中的溶解释放机制——以东部草原某矿为例

矿井水铁超标将腐蚀配水管道、工业设备,损害人体肝脏,威胁人类健康。煤系铁的含量、赋存形态及其在水–煤/岩作用过程中的溶解释放决定了矿井水中铁的富集或贫化。通过采集东部草原某矿区煤及岩石样品18组,利用等离子电感耦合质谱仪、X射线衍射、带能谱的扫描电镜、逐级化学提取,分析煤系铁的含量、赋存形态、赋存载体,开展室内水-煤/岩模拟试验,研究煤/岩中铁的释放机制。结果表明:煤与顶板砂岩中的铁含量均较高,18组煤/岩样中铁的富集因子均大于1;煤与砂岩中铁的赋存形态主要以残渣态为主,有机结合态次之,碳酸盐结合态与可交换态最少。煤中残渣态、碳酸盐结合态、可交换态铁的赋存载体分别为高岭石、菱铁矿、伊利石;砂岩中残渣态、碳酸盐结合态、可交换态铁的赋存载体分别为绿泥石、菱铁矿、伊利石。水-煤/岩相互作用过程中,煤与砂岩中铁的最大释放量分别为1.26、2.75 mg/L,显然砂岩中铁的释放量大于煤中。对比水-煤/岩作用前后煤/岩中铁的赋存形态变化可知,残渣态、有机结合态及铁锰氧化物结合态的铁含量基本不变,可交换态及碳酸盐结合态的铁含量均减小,这2种形态的铁稳定性差,迁移性强,易于释放进入水中,是导致矿井水中铁富集的主要原因,将为高铁矿井水的处理与利用提供基础。

鄂尔多斯盆地南部旬邑-宜君地区直罗组古层间氧化带地球化学特征及水-岩作用探讨

鄂尔多斯盆地南部旬邑−宜君地区直罗组古层间氧化带具有明显分带特征,通过对不同分带砂岩主量、微量、稀土元素及环境敏感参数特征对比研究,将旬邑-宜君地区古层间氧化带发育的水-岩作用过程划分成两个阶段:古层间氧化带形成和大规模成矿阶段、二次还原改造阶段。(1)古层间氧化带形成和大规模成矿阶段:含氧水进入目的层砂体,使砂体中Fe^(2+)氧化成Fe^(3+)(Fe^(2+)含量最低,Fe^(3+)最高);砂体中的U被氧化为U^(6+),形成铀酰腐殖酸盐络合物发生迁移(U、Corg、S含量最低、Th/U比值最高);长石高岭土化使Si发生流失(SiO_(2)含量降低);携带大量U的氧化流体运移至氧化还原过渡带(Corg、ΣS含量最高、Fe^(2+)含量仅低于灰绿色砂体),还原剂(有机质和黄铁矿等)将U^(6+)还原成U^(4+),形成沥青铀矿;U^(4+)与SiO_(4)^(4-)发生反应形成铀石(Th/U比值最低,U含量最大值),SiO_(2)发生沉淀(SiO_(2)含量增高),石英发生次生加大,使得砂体变得致密坚硬。(2)二次还原改造阶段:成矿后下伏的还原性气(流)体沿断层进入目的层砂体,Fe^(3+)被还原成Fe^(2+)(Fe^(2+)含量最高,Fe^(3+)/Fe^(2+)比值最低);黑云母发育绿泥石化,析出K^(+)离子(K_(2)O含量最低),使得砂体呈灰绿色,古层间氧化砂体表现为灰绿色砂岩及包裹着红色残留体的灰绿色砂岩。

(库)水-岩作用下砂岩抗剪强度劣化规律的试验研究

在水库工程运营后,将按计划进行周期蓄、排水。对于构成库岸边坡的岩体来说,将受到库水"饱水–风干"水–岩循环作用造成岩性劣化,进而对坡体稳定性构成严重的危害。随着三峡工程完工蓄水,这方面的研究显得愈加迫切。以砂岩为代表岩体,通过试验模拟了库岸边坡岩体在库水涨落情况下水–岩作用的过程,得到了砂岩受库水"饱水–风干"水–岩循环作用后抗剪强度的劣化规律,为库岸边坡的稳定性分析提供了有益的依据。

水-岩作用对岩石表面微观形貌影响的试验研究

利用精度高达0.5μm的Talysurf CLI 2000三维表面激光形貌仪,对经矿井深部地下水作用前后的5种不同岩性的岩石试件进行形貌扫描,探讨试件表面的微观形貌的变化特征并对12个形貌参数作出定量分析对比。试验结果发现,水-岩作用后岩石表面形貌高度的离散性、偏离基准面的程度、粗糙程度变大,高度的分布概率更为集中,由负偏态变为正偏态且高度分布的对称性好于作用前。峰点算术平均曲度Ssc都有规律地降至0.62附近,岩石表面的高差减小,更具协调性。水化作用与水解、溶解作用同时发生,但水化作用效应大于其水解、溶解作用效应。

东河砂岩钙结成岩作用的主要特征

石炭系底部的东河砂岩是一套优质储集层和富油层 ,也是塔里木盆地的主要产油层。本文从砂岩的成岩作用入手 ,通过对哈得 4油田钙质胶结物作用的细致研究 ,识别出 3期同生钙结成岩作用和 4期表生钙结成岩作用 ,并总结了淡水方解石的矿物特征。结合东河砂岩的时空展布特征 ,确认了东河砂岩在沉积—成岩过程中遭受过抬升剥蚀 ,目前哈得 4油田不足30m的东河砂岩应为残余厚度。

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明:在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。

诸广-下庄铀矿集区成矿过程中水-岩作用的地质地球化学特征

诸广-下庄铀矿集区是我国最大的花岗岩型铀成矿区,本文从岩石蚀变、不同介质中稀土元素的四分组效应、方解石中碳、氧和锶同位素组成等方面系统讨论了诸广-下庄铀矿集区内与铀成矿有关的各种水-岩相互作用的地质地球化学特征,得到以下主要认识:(1)铀矿田范围内成矿的花岗岩大多发生了强烈的蚀变,是水-岩作用的直接表现,晶质铀矿表面发生的溶蚀作用是铀活化的直接证据,裂变径迹特征揭示面型分布的绿泥石化是花岗岩中以类质同像形式存在的铀从花岗岩中活化出来的主要反映;(2)与铀成矿有关的花岗岩具有M型四分组效应,而沥青铀矿、黄铁矿、方解石、绿泥石和伊利石等矿石矿物和脉石矿物则具有W型或W-M混合型四分组效应,这种共轭存在的M型和W型四分组效应表明了流体-花岗岩作用是本区铀成矿作用的关键,沥青铀矿主要是从流体中沉淀成矿的;(3)矿田范围内方解石的δ13C、87Sr/86Sr及δ18O组成特征,及87Sr/86Sr与δ18O之间明显的负相关关系,揭示出本区铀成矿过程中的碳、水和铀来源不同———碳是幔源,铀是壳源,流体中的水至少有一部分是大气降水。

矿区深部含水层水-岩作用的同位素与水化学示踪分析

为了有效揭示华北隐伏型煤矿区煤炭开采进程中深部含水层水-岩作用机制,本文以淮北煤田宿县-临涣矿区为研究示范,收集与采集1985～2011年期间矿区松散层第四含水层、煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层深部地下水样166个,分析与测试87Sr/86Sr、34S、13C同位素以及Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、SO2-4、CO2-3等常规组分,并开展基于同位素与水化学的水-岩作用示踪与分析。研究成果表明:在矿区主要充水含水层中,煤系砂岩裂隙含水层脱硫酸与阳离子交替吸附作用最为显著,而松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层黄铁矿氧化或地下水硬化最为显著;受煤炭开采影响,煤系砂岩裂隙含水层、奥陶系岩溶含水层主要水-岩作用逐渐减弱,松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层主要水-岩作用或增强、或减弱,增强或减弱的程度取决于井田基岩面标高、主要断层的展布形态与隔水性能以及煤层开采扰动范围等。

采动影响下矿区地下水主要水-岩作用与水化学演化规律

煤矿开采势必破坏天然水化学环境,然而矿区多类含水层地下水系统水化学研究尚未从时空角度分析采动影响下水化学演化的本质。以临涣矿区为研究示范,基于历年常规水化学数据开展主成分分析,揭示采动影响下水化学演化过程中的水-岩作用机制。其中,第1主成分代表碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用,第2主成分代表阳离子交替吸附及脱硫酸作用。采动影响下矿区主要突水含水层地下水碳酸盐、硫酸盐溶解及黄铁矿氧化作用均逐渐减弱,减弱区域不尽相同;然而,阳离子交替吸附及脱硫酸作用的变化规律不明显。研究成果为矿井突水水源识别和水资源保护与利用提供理论依据。

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。

红层中水-岩作用微观信息特征及对孔隙演化的影响——以兖州矿区为例

利用高分辨实验观察,对取自兖州矿区的251块岩样进行了系统分析,直观地揭示了红层孔隙中多种矿物相及其组合特征,并探讨了其成因.结合岩样的微孔结构测试成果,指出红层孔隙中的水-岩作用过程就是其孔隙空间的再分配过程,并建立了红层中水-岩作用影响下孔隙结构的演化模式.所获结果对于深化认识红层孔隙形态、精确划分富水层段位置等具有重要指导作用.