陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

砂泥互层储层条件下水力裂缝扩展实验研究

鄂尔多斯盆地某区块发育丰富砂岩和泥岩多薄互层的页岩油资源,该区块层理、裂缝发育,非均质性特征显著,压裂改造中裂缝的扩展机理不明确,体积压裂改造难度较大。针对该区块开展了室内真三轴水力压裂物理模拟实验,探究了层理、地应力、排量等因素对裂缝穿层扩展的影响。研究结果表明:500 mm×500 mm×500 mm的天然露头砂泥夹层型岩样水力裂缝形态主要以复杂缝为主,层理发育程度越高,水力裂缝越偏向于水平方向;水平应力差的增大可以增加水力裂缝垂向穿层能力;高排量可以提高分支缝的开启概率,增大形成复杂缝网的概率。

水文水井钻探泥浆特征参数在线监测技术

水文水井钻探是开发地下水资源的一项重要技术手段,钻探过程中产生的泥浆排放会对生态环境造成一定程度的破坏。为对泥浆进行有效净化并循环利用,开展了泥浆在线监测方案的研究,首先利用管道黏度计对泥浆密度、表观黏度、塑性黏度、动切力进行实时监测,然后通过预先训练基于泥浆密度、流变性参数和含砂量的神经网络模型,预测经过固相控制之后的泥浆中的含砂量。结果表明:通过管道黏度计监测的泥浆密度、表观黏度、塑性黏度、动切力的平均误差分别为0.2%、1.7%、3.4%、3.7%;通过神经网络模型预测的含砂量的平均误差为15.9%,预测模型不依赖模型训练中使用的泥浆配方,能够适用于相同体系的其他泥浆配方,表明预测模型具有一定的泛化性。该泥浆在线监测系统能够满足绿色勘查的要求,适合水文地质及水井钻探的现场应用。

铁路桥梁建设泥浆废水处理-机制砂生产组合工艺碳排放核算及综合评估

桥梁建设过程中产生的泥浆废水由于高悬浮物(SS)和高pH值较难处理达标,钻孔桩基产生的钻渣可用来生产砂石骨料,但需要大量的水资源。本研究设计了8种近零排放泥浆废水处理与砂石骨料生产组合工艺,基于生命周期理论,构建组合工艺碳排放核算模型和综合评估方法。案例分析结果表明:化学混凝-pH值调节-棒磨机制砂生产组合工艺生命周期碳排放量最大,为2 974.29 tCO_(2e),机械分离-立轴式冲击破碎机制砂生产组合工艺碳排放量最小,约为1 038.75 tCO_(2e)。应用熵权-优劣解距离法(熵权-TOPSIS法)综合评估8种组合工艺,发现机械分离-pH值调节-棒磨机制砂生产组合工艺与最优工艺贴近度最高。该研究结果支持铁路桥梁建造泥浆废水处理和钻渣综合利用组合工艺设计。

苏里格砂泥薄互储层缝控压裂造缝机制及穿层判别准则

针对苏里格气田二叠系盒8段砂泥薄互储层压裂施工中裂缝穿层扩展判别与压裂效果评价存在的问题,建立考虑层间非均质性的砂泥薄互储层地质力学模型,开展水力裂缝穿层扩展实验,揭示砂泥薄互储层中人工裂缝的起裂-延伸-交互-穿层机制。基于非常规裂缝模型的数值模拟,阐明了裂缝在薄互层中的垂向起裂与扩展特征,构建了裂缝穿层的判别准则与压裂效果评价方法。研究表明:层间应力差是直接影响穿层压裂裂缝形态的主要地质因素,苏里格气田层间应力差异系数(ξ_(IL))小于0.40时,裂缝可突破隔层在目标砂岩层内扩展;0.40≤ξ_(IL)<0.45时,裂缝突破隔层但无法在目标砂层内有效扩展;ξ_(IL)≥0.45时,裂缝仅在射孔储层扩展,无法实现穿层扩展。提高压裂液黏度与排量能弥补能量损耗并突破隔层限制,苏里格气田压裂施工参数控制区域内采用高黏度(50~100mPa·s)压裂液、高排量(12~18 m^(3)/min)施工条件有利于裂缝穿层。

疏浚砂细粒混凝土性能及含泥量影响研究

为使航道疏浚砂制备新型无粗骨料细粒混凝土替代普通混凝土,对比分析了石灰石粉和粉煤灰填料细粒混凝土流动性、抗压强度、抗冲磨强度等物理力学及耐久性能,探讨了疏浚砂不同含泥量(1.3%、5.3%、9.3%、13.3%)对细粒混凝土性能影响。结果表明粉煤灰和石灰石粉为填料的干混物料最大堆积密度分别达2 083.8 kg/m^(3)和1 979.9kg/m^(3),最大堆积密度下填料与砂子的质量比分别为0.13和0.10,28 d抗压强度分别达39.8 MPa和34.1 MPa;较之1.3%含泥量,以粉煤灰为填料含泥量为13.3%的细粒混凝土3 d、28 d和90 d抗压强度分别降低了27.8%、13.5%和16.4%。含泥量少的试样表观密度更高、泌水性降低,保水性和工作性更好。制备的细粒混凝土可以替代普通混凝土制备路面砖、联锁块、鱼槽砖、扭王块等小型预制块体,就近应用于航道整治、道路或市政工程。

淤泥质海岸岬湾沙滩沙泥分界特征及机理

以浙江省淤泥质海岸岬湾沙滩为研究对象,剖析了影响沙泥分界点位置的主要因素和沙泥分界的影响机理,并提出了岬湾沙滩沙泥分界点高程计算公式。结果表明:潮位、滩前波高、沙滩坡度和潮差是影响沙泥分界点位置的主要因素;沙泥分界点深度与滩前1/10大波平均波高和大潮平均潮差呈正相关关系,与沙滩坡度呈负相关关系;沙泥分界点位置呈现季节性变化和年际变化,夏季沙泥分界点位置向海外移且高程下降、冬季分界点向岸上溯,2020年比2019年的沙泥分界点位置呈现向海外移、高程下降的趋势。

波流作用下砂泥复合型海滩砂泥转换带迁移研究

为研究波流耦合作用下复合型海滩砂泥转换带(SMT)的迁移规律,建立了洞头区人工沙滩的多组分泥沙动力地貌概化模型,并采用工程后人工沙滩实测剖面冲淤数据进行了模型验证。通过对比不同水动力条件下沙滩地形变化及沉积物演变,分析了SMT迁移对各水动力条件的响应。模拟结果表明:人工沙滩在拦沙堤和岬角的掩护下滩面普遍呈淤积态势,湾内岸线稳定。然而由于拦沙堤波影区波浪动力削减,造成沙滩滩面泥化,SMT逐渐向岸移动,砂质滩面面积缩小约40%。SMT与潮汐、波浪关系密切,在潮波比值小于25时,SMT相对高程取决于潮汐和波浪的共同作用,与潮差呈正比、与波高呈反比。而在潮波比值大于25时,波浪作用几乎可以忽略,SMT高程取决于平均高潮位。此外,当波浪垂直于岸线时,沙滩泥化程度最低,SMT均匀分布在沙滩-潮滩交界面附近,随着水体含沙量(体积分数)的增加,波浪暴露区域SMT逐渐向岸迁移。

花岗岩质洗砂尾泥的资源化利用试验研究

洗砂尾泥是砂石生产企业在湿法制砂的过程中产生的废弃物,伴生的尾泥处理是砂石企业亟待解决的难题,也是资源高效利用的关键。石灰石质洗砂尾泥一般可直接用于水泥厂生料配料,花岗岩质洗砂尾泥因其钾、钠等元素含量较高,处置相对困难,主要处理方式为露天堆放、制作微晶玻璃、发泡陶瓷、免烧砖、加气板材等,相对石灰石质尾泥而言需要较高的处置成本。根据洗砂尾泥的物化特性,通过用于水泥生料配料以及替代混凝土中粉煤灰的方式处置洗砂尾泥,产品质量未见下降,生产成本有明显降低,有效地利用了花岗岩质洗砂尾泥资源,取得了一定的社会经济效益,对于花岗岩质洗砂尾泥无害化、资源化处置的进一步推广利用具有参考意义。

基于砾石母岩成分的火山碎屑岩储层评价方法

某盆地断裂系统复杂,具有“多物源、短物源、相变快”的断陷盆地特点,T组发育一套稳定的砂砾岩,具有较大的勘探潜力。受火山作用、水动力、物源等多方面影响,岩石中普遍含有凝灰质,火山碎屑岩广泛发育。通过岩石薄片实验分析可知,砾石母岩成分多样,主要为花岗岩、流纹岩、安山岩、粗面岩、泥质粉砂岩、玄武岩、凝灰岩等,且不同矿物组分骨架参数变化大。这导致储层孔隙度计算精度低、孔隙结构复杂、流体识别难等问题。以岩石薄片分析及钻井取心精细描述为基础,结合测井响应特征,建立不同砾石母岩成分类型的常规测井识别方法。以地质和电化学实验为基础,确定凝灰质基质部分(泥粒级以下)与黏土具有相似的附加导电性,几乎所有测井响应都在不同程度上受到这部分细粒物质的影响。因此,把凝灰质基质部分和沉积岩中的泥质含量统一,首次提出用“泥质+凝灰质”(下文简称“泥+灰”)含量替代泥质含量,并计算“泥+灰”的含量,消除凝灰质对火山碎屑沉积岩储层导电的影响。该方法可为储层评价、地质建模、压裂方案的制定提供技术支持。

泡沫陶瓷材料的制备及性能研究

以石英砂尾泥为主要原料采用发泡剂法制备泡沫陶瓷材料。主要研究了原料配方即石英砂尾泥、废玻璃粉、发泡剂、稳泡剂的用量对泡沫陶瓷的体积密度、吸水率和孔隙率的影响。结果表明:体积密度随石英砂尾泥和SiC用量的增加而降低,随稳泡剂用量的增加而升高。吸水率随石英砂尾泥用量的增加而增大,随SiC和稳泡剂用量的增加而降低。石英砂尾泥和废玻璃粉的最佳配比为55%和45%。发泡剂、稳泡剂最佳用量分别为2%和1%。

积石山Ms 6.2级地震区大沙沟泥土流灾害链成因分析

2023年12月18日23时59分,甘肃省积石山县发生Ms6.2级地震,最大地面加速度达到1.0 g。距震中20 km的青海省民和县中川乡大沙沟上游台地出现约15×10^(4)m^(2)液化陷落,活动水土体积约60×10^(4)m^(3),约45×10^(4)m^(3)侧流进入沟道,自北向南顺沟冲击形成灾害链,在草滩—金田村堆积约30×10^(4)m^(3),造成20人遇难。笔者等采用现场调查访问、卫星遥感和无人机图像解译、含水量测定、分析描述和量化计算等方法,对泥土流灾害链的形成因素、动力学机理和运动特征等进行了研究。大沙沟泥土流灾害链分布长度约3.1 km,可以划分为土体液化流失区、泥土流壅堵回淤区、路基堵溃冲击区、泥土堆积压埋区和泥水漫流区五部分,从上游到下游依次造成耕地损毁、电塔倒塌、灌渠破坏、摧毁村路、埋压乡道、压埋人员房屋和淤埋黄河引水灌渠等。泥土流具有过渡性三元分层结构,包括底部的冰水层、中间泥流层和上部的湿土层。液化土体从启动进入沟道到金田村被埋压的运动时间不足10 min,泥土流启动到美一村路基堵溃的时间约为4.38 min,到达到草滩村牌坊的时间约为6.15 min,在随后的3.50 min内酿成了草滩—金田村灾难。泥土流灾害链的形成是地质、水源、动力、地形和承灾体等诸多因素遭遇叠加的结果,包括厚层粉砂土、高位地下水、强烈的地震动、平缓地形倾向沟谷出口、路基阻挡蓄能溃决和沿途遭遇多处承灾体等要素。泥土流在平缓沟道实现远程运动的动力学效应包括启动区土体液化、入沟“闸门”束流、跨沟路基堵溃、沟道冰水润滑、水土“列车”接续入村堆积和灾民地震应激惊恐等多种效应的接续传递、叠加耦合。农村社区建于大沙沟冲积滩地上,无形中增大了成灾风险和自主防范的难度。笔者等提出的防范对策包括开展防灾减灾培训、农田灌溉改为渗灌滴灌、民居选址建设避开河沟洪泛冲积滩地、疏浚河道拓宽过流断面和上游开展水土保持等。

水热碳化联合化学清洗技术处理油泥砂中总石油烃(C10-C40)

油泥砂是在油气勘探开发过程中使用油基钻井泥浆产生的含油岩屑,具有处理难度大、环境风险高的特点,对生态环境和人体健康构成潜在威胁,亟需探索出一种油泥砂资源化的处理方法。文章以天津大港油田油泥砂为样品,通过水热碳化联合化学清洗技术的方法,探索出了一种油泥砂资源化处理的新配方。在实验装置设定为最高温度250℃、压力3~4 MPa,恒温2~3 h时,探究出实验的最佳固液比[油泥砂(g)/清洗液体积(L)]=50∶3,第一脱油催化剂X+第一破乳催化剂Y+复配剂Z(第二脱油催化剂A+第二破乳催化剂B+碱性清洗剂C)=16.7 g·L^(-1)+16.7 mL·L^(-1)+2 g·L^(-1),此新配方作为中试实验结果,可将油泥砂含油率由6.31%左右降低至0.30%以下,总石油烃含量符合GB4284-2018《农用污泥污染物控制标准》,油泥砂固体由危险废物转化为一般固体废物,为实际工程场地中油田油泥砂的大规模处理提供了参考。

富水砂层长距离顶管减阻泥浆性能研究

结合富水砂层顶管摩阻力特性以及高分子聚合物的作用机理,通过实验得到了如下优选泥浆配方:8%安信AX一级钠基膨润土+0.3%纯碱+0.25%聚丙烯酸钠+91.45%水。实验结果表明,该配比的泥浆在具有高黏度的同时,还具有很好的流动性和分散性,并且滤失量较小,综合性能最优。泥浆的表观黏度相比优化前提高了65%,滤失量相比现场取样泥浆降低了57%,满足现场砂土地层顶管的减阻泥浆性能要求。

细集料对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响研究

细集料的品质稳定性直接影响着自密实混凝土的填充性和力学性能,本文以河砂为研究对象,重点研究细度模数、含泥量和砂率的波动对自密实混凝土工作性和力学性能的影响。结果表明,河砂细度模数、含泥量和砂率的波动对自密实混凝土的工作性能有显著影响,当河砂细度模数控制在2.4~2.9、含泥量控制在小于1.5%、砂率控制在47%~52%范围内时,自密实混凝土工作性能和力学性能良好,能够满足设计及现场施工要求。

超厚特细砂层中超深地下连续墙的沉渣控制方法研究

针对在超厚砂层中进行地下连续墙施工时沉渣过厚的问题,以上海轨道交通市域线机场联络线上海浦东国际机场站工程为依托,对超深地下连续墙成槽施工过程中的沉渣控制方法进行研究。通过对沉槽施工过程中的新拌泥浆配比、成槽用时、清基换浆用时等各项施工数据进行全过程总结研究,探索出一套超深地下连续墙在超厚砂层中槽段施工沉渣效果控制比较好的方法,以期为后续类似项目提供借鉴。

多物料协同胶结充填系统工艺及应用研究

目的:为了减少矿山固废堆存,降低处置成本,同时提高井下矿石回采率,针对矿山极细滤泥充填存在浓度低、絮凝沉降困难、溢流跑混等问题,以河南某铅银矿为例,提出了滤泥、米石协同处置精准制备充填系统工艺。方法:开展了滤泥、米石基本物理性质、流动性及强度试验,通过理论分析研究,结合现场实际情况,提出了该铅银矿多物料协同胶结充填工艺,并进行了充填系统的建设及工业试验。结果:1)滤泥粒径小于74μm颗粒占比达94%,滤泥∶米石为5∶5时,充填骨料中-20μm以下含量占比超过20%,能够满足充填料浆长距离输送;2)采用静态计量周期制备工艺,滤泥采用黏性配料机进行给料计量,米石采用常规配料机进行给料计量,能够实现黏性滤泥的均质打散及精准给料,保障充填系统稳定连续运行;3)现场工业试验时,充填浓度为64%,充填料浆均质化程度高,充填系统运转连续,制备能力达60 m^(3)/h,充填料浆自流至井下空区,泌水率小于3%。结论:多物料协同胶结充填系统的建成使用,提高了矿石回采率,提升了矿山经济效益,同时也为矿山安全开采提供了保障。

大庆泥页岩储层支撑剂嵌入导流能力实验研究

大庆纳米级孔隙泥页岩储层中,支撑剂易发生嵌入,使人工裂缝导流能力变差,为此,开展不同闭合压力、不同粒径及组合、不同铺砂浓度的支撑剂对导流能力的影响实验,分析泥页岩储层支撑剂嵌入影响导流能力的变化规律。实验结果表明:嵌入情况和导流能力随闭合压力的增大均有不同程度的降低,在0~10 h内导流值降低快,超过30 h后,导流能力基本达到稳态,颗粒间形态稳固,流动通道变化较小;在闭合压力较低时,支撑剂导流能力随粒径变大而升高;当闭合压力升高时,大粒径支撑剂更易发生破碎,粒径对支撑剂导流能力的影响也逐渐缩小,同时,增大铺砂浓度能够显著地降低支撑剂的嵌入程度。通过量化支撑剂嵌入对压裂裂缝导流能力的影响程度,可为页岩储层压裂方案优化及参数设计提供一定依据。

高效处理河道黑臭淤泥施工技术研究

针对河道水质发臭、淤泥堆积的问题,文章提出一种有效处理河道黑臭淤泥的施工技术,通过筛分除杂、砂水分离、泥水分离模块,结合采用PLC+GPRS控制系统实行远程监控。施工过程中严格把控操作要点,包括施工前准备工作、场地清理基础铺垫和河底清淤、设备组装和进泥调试、杂质分离、砂分离、泥水分离等,通过把控进泥量控制淤泥处理速率,确定絮凝剂的添加量、搅拌速率参数等控制质量,进而实现项目的输出与收益最大化目标。

基于泥沙沉降特性的砂含泥量快速检测技术

砂是生产混凝土的重要原材料之一,砂的含泥量检测是砂的质量检测的重点。砂的含泥量对混凝土工作性能、强度及耐久性有重要影响,含泥量增加,混凝土坍落度减小,塌落度损失明显,混凝土强度降低,碳化深度增长较快。基于此背景,利用泥沙沉降特性,探索一种快速检测砂中含泥量的方法。泥沙在静水中沉降速度不同,沉降后会形成泥砂界面,用黑箱理论,含泥量作为输入值,泥沙沉降体积之比作为输出值,建立数学模型,得到数学公式,用快速得到的泥沙沉降体积之比推算出砂的含泥量。