节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究

某高速铁路XHS隧道穿越节理化炭质页岩地层,在施工过程中围岩大变形、失稳坍塌现象显著,现场采用强支护和仰拱加深等措施后围岩变形控制效果不佳。针对XHS隧道节理化炭质页岩地层地质条件,结合现场监测手段、离散-连续耦合数值模拟分析围岩大变形及破坏特征,基于数值模拟提出以采取地层预加固为主的围岩变形控制措施,并通过现场试验探讨该控制措施的应用效果。研究结果表明:隧道开挖后,围岩变形具有变形量大、变形速率快的特点,围岩拱部沉降量大于水平收敛量且变形具有非对称的分布特征;受三台阶法多次开挖扰动影响,围岩卸荷范围动态发育并不断向全环扩展,松动区逐渐由浅部围岩向深部转移,并呈现出非对称的破坏特征,最终引发围岩大变形;采取地层预加固后,模型中围岩变形和松动区范围明显减小,围岩非对称变形破坏也得到了有效控制;在采用地层预加固、管棚超前支护、三台阶临时仰拱法开挖的控制措施后,围岩变形得到控制,施工效果良好,隧道恢复正常施工,保证了隧道的顺利贯通;以地层预加固为主的控制措施是此类节理化炭质页岩地层围岩变形控制的有效手段。

炭质页岩路基填料的路用性能研究

炭质页岩用于路基填筑不仅能缓解炭质页岩分布区路基填料的供应难题,也符合中国基础设施建设“资源集约、节约”和“绿色化”的战略要求。然而,此类岩石性质软弱、易风化崩解、遇水强度衰减显著,充分利用须建立在深入认知其性质的基础上。该文研究炭质页岩原岩的基本性质;设计填料级配;进行填料的击实特性及击实后颗粒破碎特征研究、干湿循环条件下的RCBR(加州承载比)变化特征研究、干燥及浸水状态下填料的压缩性能及压缩后颗粒破碎特征研究以及浸水过程中路基回弹模量的现场测试。研究发现:随风化程度增加,原岩趋于黏土化,微观结构变得疏松。填料颗粒越粗,击实过程中越难调整自身位置来寻求稳定密实状态,颗粒破碎越显著。遇水后填料表现出较强的软化、崩解特性:初始RCBR为54%,随干湿循环呈现先快后慢的减小趋势,最终稳定在26%左右;压缩试验中,填料浸水后的湿化附加变形极为显著,颗粒破碎率大幅增加,最佳含水率状态下未发生破碎的粒组在浸水饱和后也发生了破碎;未浸水路基的回弹模量为140.4 MPa,浸水6 h后衰减至82.1 MPa,之后随浸水时间延长回弹模量衰减不再明显。实际应用时建议优化填料级配、控制最大粒径,采用能有效防水、控湿的路基结构,并避免将炭质页岩填料用于地表水、地下水发育部位。

滇中引水香炉山隧洞炭质页岩强度特性试验研究

以滇中引水工程香炉山隧洞开挖揭露的炭质页岩为研究对象,开展了点荷载、单轴压缩和巴西劈裂试验,获得了该岩石的几种强度及强度转换系数,分析了试件破坏模式和岩石微观形貌。结果表明,炭质页岩平行层理面加载时强度低于垂直层理面加载时强度,具有强度各向异性;在平行和垂直层面加载条件下,炭质页岩的抗拉强度转换系数分别为1.40、0.90,与理论值接近;在平行和垂直层面加载条件下,炭质页岩的单轴抗压强度转换系数分别为7.19、8.03,换算的单轴抗压强度低于国际岩石力学学会和规范经验公式的结果,原因是弱层面和基质体内微观缺陷造成炭质页岩的单轴抗压强度较低。研究结果可为滇中引水工程香炉山隧洞炭质页岩强度的快速准确评价提供参考。

过热水蒸气作用下碳质页岩纳米孔隙结构演变规律研究

对流加热方式下碳质页岩纳米孔隙结构的演变是探明煤系烃源岩原位热解油气产出机理的关键。为此,基于烃源岩过热水蒸气热解平台,联合低温N2吸附技术,研究了不同过热水蒸气温度下页岩纳米孔隙结构的演变规律。结果表明:随着过热水蒸气温度的升高,碳质页岩纳米孔隙体积和比表面积呈现先降后升的变化规律,而平均孔径呈相反的变化趋势,300℃时孔体积和比表面积最低,550℃两者最高,小于10 nm孔隙数量的增多是高温段页岩比表面积和孔体积提高的主要原因。过热水蒸气热解作用下碳质页岩纳米孔隙的演变可划分为5个阶段。有机质热解生烃、无机矿物的溶蚀和分解、黏土矿物转化的综合作用控制了每个阶段纳米孔隙的演变特征。

黄平麦巴露采铝土矿酸性水形成机制研究

以黄平麦巴铝土矿以及周围相对汇水单元为研究区,通过分析酸性淋溶水中铜、砷、镉、铬及铁、硫酸根、铝等元素离子的来源,确定污染源、污染介子、污染程度、污染迁移衰减程度等,得出露采型铝土矿山酸性淋溶水的形成机理。

炭质泥页岩剪切破坏声发射特性及其分形特征

为了探究炭质泥页岩损伤细观机制和破坏前兆特征,通过剪切破坏声发射试验,结合分形理论,采用G-P(Grassberger-Procaccia)算法对振铃计数、能量、振幅进行相空间重构和关联维数计算,分析关联维数在炭质泥页岩破坏全过程的演化规律。结果表明:声发射活动在岩石不同变形阶段活跃程度不同,且在破坏前存在平静期;振铃计数、能量、振幅都具有分形特征,三者的关联维数在破坏全过程呈现出“升维—动态波动—降维”的演化规律;关联维数的降维现象出现在岩样破坏前,可作为炭质泥页岩失稳破坏的前兆特征;综合对比发现,与振幅和振铃计数相比,能量关联维数的降维现象更显著,持续时间更长,更适合作为炭质泥页岩失稳破坏的前兆特征。

On the Stability of Carbon Shale Slope under Rainfall Infiltration

Carbonaceous shale is a sedimentary rock containing a large amount of dispersed carbonaceous organic material.It is easy to crack and soften when exposed to water.In the present work,the stability of such a rock and its sensitivity to the formation of infiltrations due to rainfall are analyzed numerically using the GeoStudio software.The slope stability coefficient is calculated and verified using the landslide thrust calculation method.The results show that under the action of heavy rainfall,water infiltrates into the slope layer by layer,and,accordingly,the soil volume water content is different with respect to that typical of a homogeneous soil.It is also shown that,although in an initial stage,rainfall infiltration leads to the decline of the slope stability coefficient,with the progress of rainfall,this coefficient can temporarily increase,that is,these phenomena can display a lag phase.

张吉怀铁路古阳隧道炭质页岩弃渣自燃机理及治理研究

张吉怀铁路古阳隧道渣场在初期堆积后发生了自燃现象,为研究其自燃机理并对渣场进行彻底整治,消除渣场自燃对周边环境的不良影响,通过现场勘查、实验测试、理论分析等方法,对古阳隧道渣场渣样的自燃倾向及矿物成分、渣场自燃形成机理进行分析,确定最终整治方案。数据表明,该渣场自燃等级为Ⅱ类,硫化铁硫Sp.ad为1.70%~3.88%,样品空气干燥基固定碳FCad为5.14%~9.61%,烧失量为10.04%~10.62%;黄铁矿通过表面吸氧氧化释放大量的热量,热量聚积温度持续升高达到着火温度T_s后渣场发生自燃。根据研究成果,确定了古阳隧道渣场“整平封闭、隔氧隔水”的治理思路。渣场整平后铺0.3 m厚生石灰,然后覆盖一层1.5 m厚黏土,最上层覆盖0.5 m种植土,渣场表面采用“撒草籽+栽植灌木”的方式防护。

张吉怀高速铁路深路堑边坡失稳机理及治理措施

张吉怀(张家界—吉首—怀化)高速铁路某深路堑施工过程中出现坡顶开裂错动、环形裂缝、桩孔护壁开裂等变形迹象,通过地质调绘、钻探、地表及深部位移监测等手段,查明坡体地质特征,获取滑面信息,并结合施工现状采取了针对性工程处理措施。结果表明:工程区为炭质页岩地层,风化层厚,受区域断裂带影响,岩体破碎,属劣质岩边坡;地质条件软弱、降雨影响、施工扰动是产生工程滑坡的主要诱因;边坡存在类均质体圆弧滑动和顺弱风化层顶面深层滑动两种破坏模式;通过采取刷方卸载+支挡加固+综合防排水综合处理措施,经评价边坡安全稳定。

刚果(金)高炭质页岩铜钴矿脱碳精矿回收铜钴试验研究

刚果(金)高炭质页岩铜钴矿脱碳精矿中由于炭质物及轻质脉石的存在,致使直接浮选处理精选富集比低,无法形成合格的铜钴精矿,所以现场将脱碳精矿排放至总尾矿中,导致铜钴金属流失严重。针对以上问题,开展了脱碳精矿样品性质研究及回收铜钴小型试验研究,确定了离心重选预处理—离心粗精矿浮选的工艺流程,有效解决了炭质物对浮选的干扰,采用该工艺处理脱碳精矿,小型闭路试验产出的铜精矿Cu品位18.45%、Co含量3.22%,达到了产品销售标准,铜、钴金属实际回收率分别提高了5.81、3.48个百分点。

鄂西炭质页岩动态拉伸力学特性试验研究

为探索湖北省西部地区郑万高铁湖北段苏家岩隧道炭质页岩段围岩动态拉伸力学特性,从而为层状岩体地层隧道爆破破岩机理研究提供依据,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,同时借助高速摄像及数字图像相关技术(DIC),开展0°、30°、45°、60°和90°共5种不同冲击角度(冲击加载方向与试样层理面夹角)下鄂西炭质页岩动态巴西劈裂试验,每个冲击角度工况采用0.1 MPa、0.2 MPa及0.3 MPa共3种冲击气压进行动态加载来达到不同冲击速率,以研究冲击角度和冲击速度对炭质页岩动态抗拉强度及动态拉伸破坏模式的影响规律。研究结果表明:不同冲击速度下,随着冲击角度增加炭质页岩动态抗拉强度整体呈现出先减小后增大的趋势,且冲击角度为30°时最小,冲击角度为90°时最大,页岩动态抗拉强度呈现出显著的各向异性特征,且随着冲击速度增加页岩动态抗拉强度各向异性程度也随之降低;随着冲击速度增加,炭质页岩动态抗拉强度均相应增大,且动态抗拉强度与冲击速度具有显著的线性关系;此外,冲击角度和冲击速度均对页岩动态拉伸破坏模式有较大的影响。

临汾区块煤系地层泥页岩防塌钻井液技术研究

临汾区块煤系地层山西组泥页岩易发生井壁失稳,导致钻井非生产时效多,钻井周期长,是影响临汾区块致密气水平井钻井提速提效的主要原因之一。为解决泥页岩失稳问题,采用钻井岩心观察、扫描电镜、X射线衍射分析以及膨胀率和回收率测定等方法,分析了山西组泥页岩宏观、微观特征和理化特性,探讨了其对山西组泥页岩井壁稳定的影响。研究表明,山西组泥页岩在清水中浸泡7天后破裂,扫描电镜观察发现微裂缝宽度为0.32~7.69μm,黏土矿物中高岭石占比为37.2%、伊蒙混层占比为35.2%。为此,提出了强封堵、强抑制和低滤失量的防塌钻井液技术对策,形成了高性能防塌钻井液体系配方。评价表明,该体系老化后中压失水2.4 mL,高温高压失水8.8 mL,泥页岩膨胀率为0.73%,滚动回收率为99.3%。该体系已在临汾区块1口井进行了现场试验,应用效果良好,表明该技术能够有效解决脆性泥页岩的井壁失稳问题,具有推广应用价值。

千米深井锰矿炭质页岩顶板巷道围岩变形破坏特征

贵州省锰矿埋深普遍较深且巷道顶板以炭质页岩为主,层间节理、裂隙发育,导致该类巷道围岩变形破坏较为严重。为了揭示千米深井锰矿炭质页岩顶板巷道围岩变形破坏特征,以贵州铜仁某千米深井锰矿-75 m中段回风平巷为例,基于围岩力学试验及数值仿真试验方法,对不同炭质页岩厚度下中段回风平巷的变形破坏特征进行分析。结果表明:千米深井锰矿中段回风平巷炭质页岩顶板及锰矿层天然状态下抗压强度分别为70 MPa、60 MPa,炭质页岩坚固性系数为3.4~5.0;随着炭质页岩顶板厚度增加,巷道顶板及两帮位移量逐渐增大,顶板最大垂直位移量为96.7 mm,左、右两帮最大水平变形值分别为117 mm、104 mm,且两帮位移图像整体呈现出“倒V”字形分布,表现出显著差异性变形破坏特征;巷道顶板塑性区范围随着炭质页岩厚度增大而扩大,在炭质页岩厚度为3 m时,塑性区体积达到最大值,且巷道塑性区以剪切破坏为主,剪切破坏体积占塑性区总体积的93.82%。综合分析得出,随着炭质页岩厚度的增加,顶板破坏范围越大,围岩稳定性越差,故加强深井高应力锰矿炭质页岩顶板非对称冒落拱的控制是该类巷道围岩稳定性控制的关键。

炭质页岩填料利用与路堤结构设计研究

针对某公路炭质页岩填料利用与处治难题,开展炭质页岩崩解软化机理分析与路用性能试验,分析填料强度的湿化衰减特性。试验结果表明:炭质页岩的微观结构、亲水矿物、含硫矿物是造成其易崩解软化、植物难以生长的主要原因;经历2次干湿循环后炭质页岩崩解已大部完成,随着干湿循环次数的增加,炭质页岩崩解率逐渐稳定在12%左右;炭质页岩填料中石料含量对密实度的提高影响不大,但对填料承载比CBR值的提升非常显著,CBR值随含石率的增加近似呈线性增长;中风化炭质页岩填料浸水前的工程性质较好,受水浸泡6小时后填料回弹模量衰减41.5%,受水浸泡24小时后填料回弹模量衰减47.0%。并探讨公路路基炭质页岩利用部位及其典型结构形式。

基于β-屈服函数的炭质泥页岩统一硬化模型

炭质泥页岩普遍存在于中国西南地区矿山高边坡的软弱夹层中,在雨水浸润作用下容易发生劣化,进而对矿山高边坡的稳定性产生不利影响。在复杂加载条件下,炭质泥页岩会发生弹塑性破坏,表现出应变软化和剪胀等特点。将炭质泥页岩视作超固结黏土,基于β-屈服函数建立了相应的修正统一硬化模型。与修正剑桥模型的应力—剪胀方程相比,该模型能够更为准确地描述炭质泥页岩的剪胀特性。此外,借助β-屈服函数,该模型能考虑屈服面几何形状对模型计算结果的影响,从而提高模型的计算精度。将模型计算结果与炭质泥页岩等材料的排水三轴压缩试验结果进行对比发现,拟合效果较好,表明模型能准确描述炭质泥页岩的力学特性。

干湿循环作用下炭质页岩声发射特征试验研究

为研究干湿循环对炭质页岩力学特性的影响,开展了在不同干湿循环作用下的炭质页岩单轴压缩试验,并采用声发射技术监测其受载过程中的声发射信号。研究结果表明:干湿循环会加速岩石的初始损伤,随着干湿循环次数的增加,岩样的峰值强度和弹性模量呈递减趋势,声发射峰值振铃计数和累计振铃计数逐渐减小;声发射振铃计数呈现平静期、发展期、爆发期和跌落期四个阶段,与应力-应变特征具有较好的一致性。因此,可以将声发射峰值振铃计数作为岩石破坏前兆的依据。

我国石煤提钒研究现状及发展

综述了近年来我国在石煤选矿富钒、提钒主体工艺(包括焙烧、浸出、浸出液处理等)以及提钒尾渣和废水综合利用等方面开展的研究工作和取得的最新进展,同时展望了今后石煤提钒的发展。

潍北凹陷深层致密砂岩气成藏特征

综合研究认为潍北凹陷已具备致密砂岩气成藏条件,即有利于形成致密砂岩气藏的构造条件,气源条件,低孔、低渗储层物性特征及良好的圈闭保存条件。国内外典型致密砂岩气成藏要素对比表明,潍北凹陷致密砂岩气藏具有以下特点:①深部典型的储盖组合,即第三系孔店组二段暗色泥岩、碳质泥页岩及煤层既为致密砂岩气藏提供充足的气源,又使天然气在孔二段的致密砂岩中富集成藏,形成下生上储上盖型和自生自储自盖型两种组合;②致密砂岩普遍含气;③气层具有低压异常。储层物性、构造活动及封闭条件等是影响该区致密砂岩气成藏的地质因素,其中储层非均质性、致密性和良好的封闭条件是最直接因素。

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。

湖南雪峰山前陆盆地沉积特征及页岩气勘探潜力

雪峰山志留系前陆盆地分布在湘中-湘西北-四川盆地,是上扬子板块主要的盆地类型,但目前针对该前陆盆地沉积特征和页岩气勘探潜力的研究少见。根据野外资料、测井资料和分析测试资料分析了湘西北和湘中地区前陆盆地沉积建造过程和页岩气勘探潜力。结果表明,湘中前陆盆地前渊带以浊积扇和浅海陆棚相沉积为主,而湘西北隆后盆地沉积相类型丰富,包括潮坪相、浅海陆棚相、滨岸相、三角洲相和碳酸盐岩台地相等。虽然前渊带和隆后盆地沉积相类型和沉积厚度差异较大,但沉积旋回的划分却一致,因此,前渊带和隆后盆地相互连通,雪峰山对其两侧盆地的遮挡作用有限。大量的地球化学测试分析表明,研究区隆后盆地页岩的有机碳含量、有机质类型均较四川盆地的焦石坝差。湖南地区志留系页岩各项地化指标较差的主要原因是其缺少龙马溪组第一旋回的黑色碳质页岩。