我国太阳能资源分析及利用潜力研究

实现碳达峰、碳中和目标是我国的重大战略部署,加快构建以新能源为主体的新型电力系统,构建清洁低碳、安全高效的能源体系,必须采取有力举措大力发展新能源。光伏发电作为清洁和可再生绿色能源,具备低碳和零排放的特点。大力发展光伏产业,对调整能源结构、推进能源转型具有重要意义。本文研究了当前电力市场下,全国各区域太阳能资源、光伏发电量,以及光伏发电的经济性。研究中充分考虑了全国各区域电力现货市场化交易降价、调峰辅助服务费“、两个细则”考核费用等对新能源上网电价的影响以及各地弃光限电情况等。采用典型工程设计方案对全国各区域光伏项目进行经济性分析和投资潜力的研究,并结合新能源发展的区域性、战略性、一体化、经济性四大原则,对当前投资建设光伏项目提出相关发展建议。

低浓度聚丙烯酰胺含量的检测及溶液离子的影响

处理后选矿废水中残余的聚丙烯酰胺(PAM)影响回水水质及其回用,本文为建立一种低检出限的低浓度PAM快速检测方法,在190~300 nm波长范围内建立了4种类型及分子量不同PAM的紫外吸收光谱,研究了不同浓度K^(+)和Ca^(2+)对PAM浓度检测的影响,并通过原子力显微镜(AFM)分析了PAM分子构象的变化.结果表明,4种类型的PAM峰值吸光度均在波长194 nm处测得,PAM浓度与吸光度之间具有强线性关系(R^(2)>0.98),检出限均低于0.1 mg·L^(-1),但PAM类型影响其浓度与吸光度的线性关系.随着K^(+)和Ca^(2+)浓度的增加,PAM溶液吸光度特征峰的强度逐渐降低并降速减缓,最大吸收波长不断红移,分别沉积在二氧化硅和金基底的APAM-3与CPAM-12的表面形貌粗糙度分别随K^(+)和Ca^(2+)浓度的增加而增大,说明PAM分子链在溶液中的构象逐渐变卷曲,使紫外光谱特征吸收峰的峰值降低,10、100 mmol·L^(-1) K^(+)与1、10 mmol·L^(-1) Ca^(2+)对PAM构象变化的影响程度基本相同.本研究实现聚丙烯酰胺的快速定量检测,对开展选矿水处理中聚丙烯酰胺的迁移规律研究具有重要意义.

煤矿覆岩裂隙地下水渗流特征的试验研究

覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素,特别是煤矿地下水库修建区,覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态,具有良好的储水和导水能力,也是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨条件下,地下水库形成垂向补给,分析地下水在覆岩裂隙中的渗流特征为煤矿地下水库安全运营及地下水资源保护提供科学依据。此次研究通过固−液耦合相似模型试验获得开采区覆岩裂隙发育稳定规律及导通含水层后地下水渗流特征,分析得出延伸远空间大的离层裂隙和微裂隙多以储水为主,贯穿多个岩层的垂向裂隙具有很强的导水能力,离层裂隙间的水力联系主要靠两侧区域的垂向裂隙形成。垂向补给条件下,地下水先以非饱和方式沿垂向裂隙进行入渗,由上及下覆岩裂隙逐渐区域饱和,最终形成稳定的饱和入渗形式。在此基础上建立饱和渗流状态的地下水渗流数学模型,并依靠数值法求解,与相似模拟试验相互验证得出垂向裂隙是主要的导水通道,其导水量占比最大可达到97%,与此同时垂向裂隙中地下水的运移速度也远超出离层裂隙中的多个数量级。最后通过敏感性分析得出垂向裂隙渗流量与裂隙发育程度和总涌水量成正相关,与岩石渗透性成负相关。覆岩裂隙中地下水的运移时间与裂隙发育程度、岩石渗透性和总涌水量均呈负相关。

台格庙矿区地下水水化学特征与演变规律研究

台格庙矿区煤炭资源丰富,但水资源匮乏、生态环境脆弱,利用水文地球化学方法,开展矿区全流域地下水化学特征与演变规律研究,能为矿区绿色开采提供科学支撑。利用Piper三线图分析白垩系地下水、侏罗系地下水、河水和湖水类型,其水化学特征满足湖水由河水和不断演变的地下水混合后形成的条件;通过Gibbs图分析得出,白垩系和侏罗系地下水在循环演变过程中受岩石和蒸发作用控制;离子比值端元法进一步表明,白垩系和侏罗系地下水受硅酸岩盐和岩盐控制为主,同时伴随离子交换;最后通过质量平衡模拟得出,白垩系地下水循环演变过程中溶解白云岩、石膏、岩盐矿物质,吸收CO_(2),析出方解石,伴随离子交换,可与不同比例河水混合形成湖水,但侏罗系地下水只能混合少量河水或不混合河水。河水占红碱淖湖水补给量83%,侏罗系地下水不能为其主要补给来源,红碱淖湖水主要来源白垩系地下水和河水。结合矿区水文地质条件,将矿区地下水流系统分为南侧白垩系地下水流系统、北侧的白垩系地下水流系统和深部的侏罗系地下水流系统,煤炭开采直接影响侏罗系地下水流系统,在保障两个白垩系地下水流系统不被破坏的前提下,当采煤排水只袭夺侏罗系边界流出水量或少量侏罗系补给红碱淖水量时,采煤对红碱淖及周边河流的影响降至最小。

基于Hough检测的节理岩体迹线信息快速识别方法与应用研究

工程岩体中结构面的存在直接影响其强度与变形特征及破坏模式,结构面分布信息调查和产状分析是开展工程岩体稳定性评价的基础。针对岩体光滑揭露面的节理分布,提出了一种基于Hough检测原理的节理岩体表面迹线信息快速识别方法。该方法主要通过图像边缘检测获得迹线图后进行自动识别迹线,实现了节理迹线的产状信息识别。研究结果表明,该方法能够有效地实现不同左/右倾、交叉直线图像的信息识别;以离散节理网络模型和工程岩体实例为对象进行算法分析对比,有效地识别出主要节理迹线的产状分布信息,探讨了Hough检测关键参数k值的敏感性,验证了Hough检测方法在节理岩体迹线信息识别的可行性。提出的Hough检测方法能够为岩体节理迹线识别和信息分析提供一种新的工程应用方法。

极浅埋近距离煤层群上覆岩层矿压规律的研究

针对鄂尔多斯凯达煤矿极浅埋近距离煤层群开采的问题,采用FLAC^(3D)有限元数值模拟软件并结合现场工作面实际情况,分析近距离煤层群上层煤层开采之后对下分层工作面回采时的影响,结果表明:在极浅埋煤层群开采的过程中,虽然顶板会出现直接切落的现象但并没有出现一般浅埋工作面顶板来压突然增大且动载系数较大的现象,而是出现来压平缓、动载不明显的现象,数值模拟结果与现场实际相吻合,该研究补充了浅埋煤层开采在极浅埋近距离的情况下覆岩的矿压规律。

剪切粗糙裂隙渗流多尺度分形表征

甘肃北山为高放废物深地质处置库场址的主预选区。针对场址区花岗岩受剪切破坏形成裂隙的渗流特性进行研究,具有重要的工程建设指导意义。为探究北山花岗岩多尺度粗糙裂隙几何特征对非线性渗流场演化的影响规律,对剪切条件下花岗岩裂隙断面的几何特征及渗流特性进行了分形建模研究。结果表明,粗糙裂隙的粗糙程度和开度在模型尺度变化过程中存在完全的自相似性,二者的分布特征在分布空间尺度变化过程中始终保持一致;渗流速度场、梯度场及散度场只存在局部特征的延续,尤其是不同尺度下对应的数量场均服从于正态分布;随着观察尺度的增大场内空间起伏逐渐减小,三场内的尖锐突变逐渐消失且向平滑过渡,这意味着观察尺度越大,粗糙裂隙渗流被误判为平行板渗流的概率越大,即粗糙断面渗流特性的精准描述依赖于几何尺度。

煤矿地下水库坝基层间岩体破坏及突渗力学模型

煤矿地下水库技术为西部矿区矿井水资源储存和利用提供了新的途径。煤矿地下水库安全稳定的科学问题之一是开采扰动下煤岩体渗透特性突变机理及量化表征。以陕西大柳塔煤矿为原型开展了煤矿地下水库层间岩体裂隙演化的物理相似模拟试验和三轴循环加卸载渗流耦合试验。结果表明:下煤层工作面朝上部水库推进过程中层间岩层发生拉伸剪切破坏,裂隙逐渐向水库坝体方向延伸,采用数字散斑方法观测到坝基岩体裂隙网络由离散局部变形连通形成宏观裂缝,并贯穿至煤柱坝体;从几何和拓扑角度定量地分析了裂隙网络的幂律分布特征,证实了裂隙演化在空间上存在连通概率,岩层的裂隙网络连通属于渐进式,区别于岩石试件裂隙激增式扩展过程。综合考虑原岩应力、初始采动应力、循环加卸载等作用,发现采动应力导致煤体的体胀作用远大于砂岩,砂岩作为硬岩关键层有利于抑制裂隙扩展和渗透增加;采用基于分数阶理论的非达西渗透率公式计算瞬态法测试的渗透率,相比常规计算方法具有更好的灵敏性,渗透率突变伴随着应力突降、体应变激增、破裂信号陡增等行为,揭示了渗透率的本质是裂隙网络的拓扑连接,提出了突渗的力学定义和拓扑定义。采用逾渗理论将裂隙网络连通视为连续相至非连续相的跳跃行为,建立了煤岩体突渗的逾渗模型,经应力渗流、蠕变渗流等试验验证模型有效且形式简单,为突渗力学行为的数学描述奠定了基础。

一步固相反应制备铝改性活性炭对矿井水中氟化物的超快去除

矿井水中(F^(−))超标已成为制约我国西部矿区煤炭绿色开发的主要挑战之一。针对该问题,开发了机械化学法一步固相反应制备Al改性活性炭(AC-Al)的方法,解决了常规水热法改性活性炭产生废液废渣、制备周期长的问题,并实现了矿井水中F^(−)的快速、高效去除。研究了Al添加量、pH、共存阴离子和有机物、吸附剂投加量及反应时间等对除氟性能的影响。AC-Al除氟性能与Al添加量成正比,添加量为0.32 g,吸附反应30 s时,水中F^(−)去除率达到80%以上。pH在3~10范围内,F^(−)去除率均大于80%,具有良好的水质适应性。吸附过程更符合Langmuir模型,即为单层吸附,理论饱和吸附量为1.47 mg/g。吸附过程符合准一级动力学模型。硫酸根离子、氯离子和碳酸氢根离子(1000 mg/L时)、腐殖酸对F^(−)去除没有影响,氯离子和碳酸氢根离子质量浓度为3000 mg/L时,除氟率分别降低约21%和11%。AC-Al投加量为10 g/L时,矿井水中F^(−)去除率达84.9%(30 s内),质量浓度从4.85 mg/L降低至0.73 mg/L,满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中F^(−)浓度限值(I、II、III类),矿井水中F^(−)吸附过程同样符合准一级动力学模型。元素面分布表明,Al均匀地负载于活性炭表面;F^(−)均匀吸附在AC-Al上,与Al分布特征相似,证明Al是F^(−)吸附潜在活性位点。X射线光电子能谱结果表明,F^(−)吸附前后,AC-Al表面的Al元素结合能从74.20 eV升高至74.28、77.80 eV等2种状态,说明Al与F结合形成了Al-FOH、Al-F化学键,是快速稳定除氟的直接原因。同时,AC-Al吸附剂上的Al溶出量很低(0.34μg/g)。机械化学法制备的Al改性活性炭除氟效果良好,可为除氟吸附剂制备提供新的普适性技术路径,同时为解决矿井水除氟问题提供技术支撑。

我国海上风电发展面临的挑战和相关建议

海上风电具有风资源稳定、不占用土地、消纳条件好、技术先进、稳定性好、发电利用小时数高等优势,大力发展海上风电,对我国调整能源结构、推动能源转型、实现“双碳”目标具有重要意义。截至2021年底,全球海上风电新增并网装机21.1GW,累计装机达57.2GW,其中中国新增装机占全球新增装机的80.02%,累计装机占全球总装机的48%,超过英国跃居世界第一位。在全球“碳中和”目标的推动以及我国相关产业政策的引导下,“十四五”期间我国海上风电规划总装机量超过100GW。未来海上风电的发展将趋于大型化、深远海化、基地化、规模化以及一体化综合应用。针对当前我国海上风电发展面临的项目投资经济性较差、可靠性和安全性较低、关键核心技术尚未突破、体制机制不健全等问题,建议应坚持“立足国情、科学发展、科技创新、政策支持、务求实效”的方针,努力提升系统安全性和可靠性,加大科技创新力度,健全相关政策和体制机制,聚焦“多能互补”,推动海洋经济一体化融合。

基于非线性流变理论的煤岩体强时效特征

深部资源赋存环境具有高地应力、高渗透压和高地温的本真特征,而强扰动和强时效的附属特性对深部多场多相耦合的渗流理论具有重要意义。深部岩体力学理论研究经常涉及时效特征,因此需要对强时效进行科学定义。结合深部岩体赋存特征及资源开采流程给出了深部强时效的含义,并提出强时效包含3个方面内容,分别为加速蠕变、脆延转换和物理力学参数弱化。通过非线性流变理论确定蠕变加速阶段发生条件,从而对深部岩体强时效特征进行研究。根据已有流变理论归纳出岩体发生加速蠕变需达到临界损伤阈值的结论,而临界损伤阈值可以由非弹性体积应变、孔隙率变化或声发射数据确定。岩石单轴或三向应力条件下蠕变实验可从应变加速度判别强时效起始点。针对岩石流变本构模型可通过流变微分方程稳定性判别强时效条件。在分析岩石非线性流变微分方程的基础上提出强时效特征下岩石应变加速度与应变率符合一定的幂率关系,具体参数可由实验数据确定。对岩体应变、应变率及应变加速度曲线分析可知,应变加速度曲线出现的2个拐点即可作为蠕变衰减-稳态和稳态-非稳态阶段转换的临界值。通过深部煤体三轴流变实验数据确定强时效发生的起始位置,并对强时效条件下应变加速度与应变率相关方程中参数进行拟合。依据深部煤体采动应力路径进行了卸围压蠕变-渗流实验,进而分析出强时效阶段煤体渗透率会急剧增大的特点。

卵泡液中全氟及多氟化合物的非靶向筛查及其跨血-卵屏障传递

全氟及多氟化合物(per-and polyfluoroalkyl substances,PFAS)是一类受到全球关注的重要污染物,除传统PFAS外,越来越多的新型PFAS得到广泛应用,然而对其环境存在、人体暴露及健康风险缺乏足够的研究.鉴定新型PFAS并阐述其环境与健康风险,成为PFAS研究的重要趋势.本研究基于高效液相色谱-高分辨率质谱技术非靶向筛查鉴定了卵泡液中的新型PFAS.通过对一级离子精确质量数、质量亏损、特征碎片离子、保留时间等信息进行定性确证,本研究在99名寻求辅助生殖技术治疗女性的卵泡液中,共筛查出2种新型氯取代全氟烷基醚磺酸(Cl-PFESAs)和7种氢取代全氟烷基羧酸(H-PFCAs),其中4:2 Cl-PFESAs和5:2 Cl-PFESA的检出率高于90%,HPFHpA、H-PFOA、H-PFNA和H-PFUdA的检出率高于50%.通过对同一人群配套的血液样本进行分析,确定了这些新型PFAS的跨血-卵屏障传递系数介于0.56~1.02,其中H-PFCAs的传递系数呈现随化合物的碳数增大而下降的趋势.本研究为进一步筛查新型未知PFAS及探索PFAS对女性生殖健康的潜在影响提供了研究基础.

综放工作面区段煤柱采动应力全周期时空演化分析

三向采动应力的大小、方向演化过程是揭示煤柱损伤破坏机制的关键。将综放工作面区段煤柱分为上部与下部2个区域,采用3DEC数值模拟方法,分析巷道开挖–右侧工作面回采–左侧工作面回采–回采稳定4个阶段煤柱三向采动应力全周期时空演化规律,揭示煤柱上覆岩层断裂结构–采动应力–位移的映射关系。基于模拟分析结果,采用莫尔–库仑强度准则分析煤柱莫尔应力圆的变换形式及莫尔圆与强度包络线的关系,确定煤柱的破坏深度约为8 m。研究结果表明:工作面煤层开采导致煤柱的三向主应力方向发生了大幅旋转,煤柱三向主应力数据呈现明显的两簇或三簇的规律,数据簇的分割点为右侧工作面推进至测线位置及右侧工作面回采完毕。工作面推进顺序不同导致煤柱上覆岩层的断裂结构呈现明显的非对称性,上覆岩层的断裂线向后开采的工作面进行偏移,导致煤柱左侧测点的水平位移量明显大于煤柱右侧测点。煤柱采动应力全周期时空演化规律及覆岩断裂结构–采动应力–位移的映射关系为揭示煤柱损伤破坏机制奠定了基础。

采动应力分布逾渗模型

采动应力重分布的理论求解是深地工程安全开挖和稳定性维护的力学基石。在全面回顾国内外采动力学模型的基础上,发现依赖弹塑性力学的采动力学理论解优点和缺点共存,优势在于力学单元的普适性严格保证了理论解的严谨性,缺点在于力学单元的连续性定义限制了采动应力模型获得非连续解。引入概率模型或可为采动应力分布求解提供新思路,但单纯引入概率模型获得的采动应力分布解并不能保证解的唯一性。通过对比验证基于Weibull函数、Gumbel函数和Gamma函数3种概率的采动应力分布结果,概率解和实测值之间存在偏差,这种偏差性是概率模型的非唯一性引起的。最后,以裂隙场描述参数连通概率密度为桥梁,通过平行杆模型引入逾渗理论求解采动应力分布,建立了逾渗模型,多个矿区的实测结果和逾渗模型预测值交叉验证,证实采动应力分布逾渗模型可靠且形式简洁。