煤矿区地下水中溶解性有机质荧光特征Ⅰ——含水层之间垂向差异

通过检测有机质含量和三维荧光光谱研究了霍州煤矿区地下水中溶解性有机质的垂向分布特征.结果表明,硝酸盐质量浓度在地表水和第四系水中较高(＞ 37.41 mg/L),而在深部含水层(太灰和奥灰)基本未检出.地表水中TOC(总有机碳)质量浓度和UV254分别大于5.11 mg/L和0.146 cm-1;氧化还原作用下,第四系水中TOC质量浓度和UV254分别减小82.23％和97.96％,而深部含水层中TOC质量浓度也有降低.人类活动污水的大量排放导致地表水中Ⅱ区和Ⅳ区的荧光峰强度异常高,均大于等于8 245 QSU,Ⅲ区的荧光峰强度大于3 419 QSU;进入第四系含水层,Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区荧光峰强度均减少至216 QSU以下;太灰水和奥灰水中只Ⅱ区和Ⅳ区出现荧光峰,且荧光峰强度与TOC相关性不大;溶解性有机质(DOM)荧光峰强度与地下水流向呈负相关,同一煤矿区奥灰水中Ⅳ区的荧光峰强度比太灰水高.总体上,分析溶解性有机质含量和荧光特性、硝酸盐含量,可以从垂向上建立霍州矿区各含水层(体)的水化学特征.     

煤矿区地下水中溶解性有机质荧光特征Ⅱ——深部含水层分布特征

为研究霍州矿区深部含水层中溶解性有机质地层差异及其迁移转化机理,通过三维荧光光谱(3 DEEM)、TOC和硝酸盐质量浓度综合分析了溶解性有机质(DOM)的含量和分布特征.结果表明,深部含水层中溶解性有机质和硝酸盐质量浓度均较低,其中TOC(总有机碳)质量浓度小于0.6 mg/L、NO3--N质量浓度小于1.6 mg/L.太灰水和奥灰水中主要出现了Ⅱ区的色氨酸类荧光峰和Ⅳ区的溶解性微生物代谢产物荧光峰,其中色氨酸类荧光峰强度随着地下水流向而逐渐降低,溶解性微生物代谢产物荧光峰强度在李雅庄矿和辛置矿出现了一定异常.生物源指数(BIX)和腐殖化指数(HIX)表明深部含水层中DOM来源于生物或水生细菌,且具有较好的溯源一致性;荧光指数f470/520比f450/500更能说明DOM中腐殖质组分的来源,且f470/520较大(＞2.1),表明深部含水层中DOM来源于生物,且腐殖类物质芳香性较弱,含有的苯环结构较少.太灰水中TOC、色氨酸类荧光峰强度和溶解性微生物代谢产物荧光峰强度均与硝酸盐质量浓度呈负相关,且线性拟合的相关度较高;奥灰水中相关性则较差.     

上海化学工业区地下水环境质量评价

以上海化学工业区地下水水质监测资料为基础,结合实际情况选取22项评价因子,依据地下水质量标准,采用综合评价法对该地区的地下水环境质量进行评价分析.评价结果表明,化工区地下水环境质量状况较差,监测项目中无机物超标情况严重,某些金属离子和酸根离子含量较高; 而有机物指标含量均低于方法检出限.此外,该地区地下水水化学特征呈明显的水平分带性,由南至北宏量元素逐渐降低,酚类含量逐渐增高,而重金属含量则基本保持不变,水化学类型由咸水类型向淡水类型转变.     

深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区预测研

为了预测深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区范围,基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学特性,获得了基于Mohr-Coulomb理论的泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学模型及参数,构建了深部大跨度泥质巷道数值模型,提出了泥岩峰后各强度参数变化对巷道顶板剪切破坏区的影响范围。结果表明:泥岩在峰后剪切破坏过程中具有明显的黏聚力软化-内摩擦角硬化特性;基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算获得的巷道顶板剪切冒落高度小于黏聚力软化-内摩擦角软化的计算高度;巷道顶板潜在剪切破坏区位置及范围与泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算结果十分接近。     

深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区预测研究

为了预测深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区范围,基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学特性,获得了基于Mohr-Coulomb理论的泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学模型及参数,构建了深部大跨度泥质巷道数值模型,提出了泥岩峰后各强度参数变化对巷道顶板剪切破坏区的影响范围。结果表明:泥岩在峰后剪切破坏过程中具有明显的黏聚力软化-内摩擦角硬化特性;基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算获得的巷道顶板剪切冒落高度小于黏聚力软化-内摩擦角软化的计算高度;巷道顶板潜在剪切破坏区位置及范围与泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算结果十分接近。     

真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明：真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。     

深部开采松软煤层抽采钻孔变形特性研究

为了研究深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳特性,基于有限元理论和统计损伤理论数值模拟了深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳整个过程,分析了钻孔周围煤体应力及形变分布、卸压区演化和渗透特性。研究表明:钻孔破坏形式为上方发生垮塌,形成垮塌区;左右侧发生破坏,形成破碎区;钻孔周围煤体均向钻孔移动,钻孔附近煤体位移量较大,远处煤体位移量相对较小;钻孔形状由开始的圆形逐渐变成“类橄榄球形”,然后钻孔“类橄榄球形”断面逐渐减小至坍塌。钻孔失稳过程中,钻孔附近煤体渗透率逐渐增大,钻孔周围煤体渗透率变化量及变化范围均不断增加;周围煤体渗透率分布均大致呈“V”字型变化规律,即煤体渗透率呈随着距钻孔距离的增加先减小后增加然后趋于稳定的趋势。研究结果可以为我国煤矿深部开采松软煤层瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

不同侧压力系数下圆形巷道变形破裂规律分析

为研究侧压力系数对巷道周边岩体稳定性的影响,以一条深埋圆形巷道工程为背景,采用离散颗粒元软件PFC3D分析了5种侧压力系数下巷道周边岩体的应力差、位移、破裂分布模式和微裂纹数等,得到了圆形巷道周边岩体应力、变形和破裂随侧压力系数的变化规律。结果表明,1)随侧压力系数增大,巷道顶底部浅部岩体主应力差先增大后减小,深部岩体主应力差逐渐增大;而巷道两帮浅部岩体主应力差变化较小,深部岩体主应力差先减小后增大。这表明在相同埋深情况下,高侧压力系数不一定会对帮部岩体造成更大的破坏,但更容易使顶板产生高剪应力,不利于顶板岩体的稳定。2)侧压力系数越大,巷道顶板岩体竖向位移就越小,且其由拱顶往外平滑递减的规律性也越不明显,而帮部岩体水平位移变化规律与顶板岩体相反。3)巷道顶底部围岩在侧压力系数较大的情况下较易发生破裂,并随侧压力系数增大,其破裂范围越来越大;巷道两帮岩体则在不同侧压力系数下均会发生破裂,且其破裂范围随侧压力系数增大而略减小。4)不同侧压力系数下,巷道岩体总裂纹数都随开挖时间呈指数增长;且当巷道开挖完成后,岩体总裂纹数与侧压力系数呈抛物线关系。     

含内热源松散煤体热湿迁移特性研究

为研究松散煤体内部热湿迁移规律,建立松散煤体多场-相变-扩散耦合数学模型,对热力驱动下的温、湿度场时空演变规律进行仿真研究;通过热湿迁移特性实验平台,对数值模拟结果的有效性与准确性进行验证。研究结果表明：温度相对误差小于5%,含湿量相对误差小于8%;松散煤体温度逐渐升高,温升速率逐渐减小,温度最终趋于稳定值,沿轴线方向温度呈指数性降低;松散煤体湿度场可分为煤体含水率和空气含湿量,在空间上可分为含水率减少区、含水率增大区和含水率不变区,随着计算进行,峰值含水率逐渐增大且向远离热源方向移动;含湿量相较于实验初期均有所增大,沿轴线方向先呈线性降低,后呈指数性降低且线性区域越来越大,指数性区域越来越小。     

长倾向矿体连续回采对采场稳定性的影响

为研究沿倾向延伸较长但不属于深部开采的一类矿体在连续回采时对采场稳定性的影响,采用数值模拟方法对云南某磷矿的地下开采进行了计算,系统分析了采场顶板、矿柱的位移、应力及塑性区等特征在矿体连续回采过程中的变化规律.结果表明,开采深度越大,当前作业采场的顶板沉降越大,而且随着其回采结束,采场顶板位移并不会停止,而是会随着后续采场的开采继续增大直至全部采场作业结束,即采场顶板的位移具有累积效应;另外,随着采场逐渐下移,顶板和矿柱所承受的应力越来越大,塑性区分布范围亦呈扩大态势,表明按照浅部结构参数设置的采场在开采下部矿体时已不能完全满足稳定性和安全性的要求.因此,对于非深部开采但倾向延伸较长的矿体回采,在开采下部矿体时不能简单照搬浅部的采场结构参数进行作业,而应适当增大矿柱尺寸或减小矿房和矿柱间距,以保证采场的持续稳定及矿山生产安全.     

湿地植物芦苇根系分泌物的三维荧光光谱表征分析

针对湿地植物芦苇根系分泌物特性不明确的问题,于北京建筑大学大兴校区人工湖实地采集湿地植物芦苇,在实验室水培后采用三维荧光光谱技术考察了芦苇根系分泌溶解性有机物组成随时间的变化规律。结果表明:芦苇根系可分泌溶解性有机物,使根系周围水体有机碳含量增加;芦苇根系分泌物主要为含芳环结构类色氨酸蛋白物质;随时间延长,三维荧光光谱图出现代表微生物代谢物的荧光峰,推测根系周围出现微生物活动,微生物利用根系分泌物生长繁殖,并将类蛋白物质转化为类腐殖酸物质,产生代谢物,使根际周围溶解性有机物组成发生改变。     

淮北桃园煤矿北八采区煤系砂岩水水化学特征及其水源判别

桃园煤矿北八采区在开拓掘进过程中煤系砂岩多处出现涌水现象,且涌水量大、水温高、水质异常。为了判断北八采区砂岩水的水源,对矿井各含水层及北八采区砂岩水进行了系统采样,并对常规水化学指标进行了测试和分析。结果表明:北八采区煤系砂岩水与井田南部采区砂岩水水化学指标存在较大差异,而与奥灰水的水化学指标基本一致,该区"砂岩水"已不具有正常砂岩裂隙水的水质特征,具有奥灰水的水质特征,接受奥灰含水层水的补给。研究成果为该区"砂岩水"的防治提出了可靠的地质依据。     

太湖水动力扰动对有机物释放影响的试验

为了解浅水湖泊在不同水动力扰动下水体营养盐及有机物释放量的变化,在实验室进行了连续长时间的不同风浪条件下水土界面扰动试验,以确定不同风速引起的沉积物再悬浮对水体有机物的影响。结果表明,扰动促进了沉积物中颗粒态有机质(POM)的再悬浮,但随扰动强度加大,颗粒物中有机质的比例反而降低,而溶解态营养盐及有机质并未受到明显影响。利用三维荧光光谱(EEMS)并结合平行因子分析法(PARAFAC)解析有机物(DOM)的荧光特征,共识别出2类5个荧光组分,分别为类蛋白荧光组分C1(280 nm,322 nm)、C3(235 nm,353 nm)、C5(270 nm,300 nm)和类腐殖质荧光组分C2(275 nm,383 nm)、C4(260 nm/335 nm,443 nm)。在试验过程中类蛋白组分所占比重接近80%,表现出明显的内源释放特征。同时,a355在对照组和试验组也无显著差异。研究表明,不同水动力扰动促进颗粒态有机物再悬浮,但对溶解态有机质的浓度和组分变化影响并不显著。此次室内模拟试验是水体有机物对水动力扰动响应的初步研究,原位观测需考虑更多影响因子。     

杨柳街矿区地下水水化学特征及矿井涌水来源分析

杨柳街矿区随意排放的酸性废水对当地生态环境带来严重破坏,为查明矿区地下水水化学特征及矿井出水的来源,系统采集了20个水样。综合运用Piper三线图、相关性分析、离子比值法和系统聚类对常规水化学组分进行了分析。结果表明:煤系地层含硫矿物的氧化作用是矿井酸性废水形成的主要原因;岩溶区碳酸盐岩的溶解作用是形成低总溶解性固体的HCO_3型地下水的主要水文地球化学过程;煤系砂岩水和岩溶水在石炭系含水层发生了混合作用,对茶园水库构成潜在威胁。矿井渗水的直接补给来源为煤系基岩含水层和上覆泥质灰岩含水层,间接来源为地表河水入渗,潜在来源为西部岩溶含水层沿断层补给。     

瓦斯压力对卸荷原煤力学特性及能量特征的影响

运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以原煤煤样作为研究对象,进行了含瓦斯煤固定轴向压力、卸围压的渗流试验,研究了卸围压过程中瓦斯压力对煤样力学特性和能量特征的影响。结果表明:在轴压加载阶段,煤样的变形模量基本不变,泊松比逐渐减小;在定轴压卸围压阶段,煤样的变形模量先小幅度增加,然后逐渐减小,泊松比则逐渐增大。瓦斯压力越高,煤样的承载能力越低,煤样发生破坏时相应的轴向应变和围压卸荷量百分比越小,而煤样破坏时的径向变形和扩容量越大。各应变围压柔量Δεi与瓦斯压力呈线性关系且线性相关性良好。随瓦斯压力升高,轴向应变的围压敏感性降低,径向应变和体积应变的围压敏感性显著升高。随瓦斯压力升高,煤样发生破坏时存储的弹性应变能Ue减小,而总能量U、耗散能Ud和耗散能比例Ud/U都增大。     

水平应力对半圆拱形巷道围岩应力分布及变形特征影响

水平应力是影响巷道围岩应力分布及变形破坏特征的重要因素,通过数值模拟方法研究了水平应力对直墙半圆拱形巷道围岩应力场、塑性区、位移场分布规律的影响,进而为确定巷道支护形式提供一定的理论依据。研究表明:影响巷道稳定性的关键因素是巷道周边的环向应力集中,随侧压力系数λ的增大,帮部围岩的竖向应力集中向顶、底板转移,从而引起塑性区向顶、底板转移,塑性区范围向顶、底板围岩内部扩展,巷道稳定性降低。当λ取值不同时,在巷道顶底板会产生相应的环向或径向拉应力区域,在拉伸作用下围岩整体性能降低,易发生压拉破坏。随λ增大,巷道帮部变形量逐渐增大,顶板下沉量先减小后增大最后减小,底鼓量先减小后增大。     

碳纳米管对不同分区溶解有机物的吸附研究

选用单壁碳纳米管、多壁碳纳米管两种吸附剂,对广州市3种地表水体(城市径流、农田径流、森林径流)中不同分区溶解性有机物(DOM)进行吸附研究,并以腐殖酸溶液作为标准对照组。以UV254、荧光激发-发射矩阵光谱、溶解性有机碳质量浓度作为吸附效果的评价指标。结果表明,在UV254上,单壁碳纳米管比多壁碳纳米管平均多吸附11%的DOM。3种地表水样中均无Ⅰ区荧光峰,而有明显的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区荧光峰。水样中II区、III区、IV区、Ⅴ区荧光峰的位置分别为Ex230/Em345、Ex245/Em445、Ex275/Em320、Ex335/Em380,误差在40 nm内。多壁碳纳米管吸附溶解性有机物的动力学模式符合准二级动力学方程,决定系数高达0.994 7。Langmuir方程相对于Freundlich方程更适合描述MWNT-1030对DOM的吸附过程。     

考虑动态施工超长管棚预支护力学特性及参数影响分析*

为研究复杂地层超长管棚随动态施工的力学特性和管棚合理化参数,依托某下穿高速公路浅埋暗挖隧道工程,采用数值法进行三维动态建模分析。研究结果表明:管棚挠度曲线呈鱼腹形,拱顶部和拱腰管棚最终稳定在10.7,2.9 mm;管棚各测点轴力经历由受拉到受压的变化过程,通过各测点后受压区轴力逐渐减小,拱顶部动态响应更明显;管棚弯矩集中于掌子面前后方区域,随开挖面推进,弯矩作用范围逐渐向前扩张,最大弯矩发生在洞口套拱处;通过参数影响分析,当采用短进尺开挖时,管棚直径取129~159 mm、间距为0.4~0.5 m、注浆区厚度为0.4~0.5 m时可确保上方高速公路安全。研究结果可为类似工程施工和设计提供参考。     

渗透压力作用下岩石三轴压缩过程变形特性分析

为研究渗透压力作用下岩石承载过程中的变形特性,采用GDS-VIS三轴流变仪对红砂岩开展渗透压力作用下的三轴压缩试验,研究各渗透压力作用下偏应力加载过程中岩石轴向应变、径向应变和变形模量的变化规律。结果表明:随渗压增大,岩石峰值应力减小,岩石破坏时对应的轴向应变的变化幅度较小,而径向应变的变化幅度则较大;随渗压增加,岩石对应的各承载阶段的变形模量相对减小,最大变形模量也出现不同程度的降低,同时最大变形模量对应的轴向应变有后移趋势;随偏应力增加,变形模量逐渐增大,并在弹性变形阶段后期出现最大值,整个过程中轴向应变逐渐增加,径向应变则在变形模量最大值出现后才明显增大,说明与轴向应变相比径向应变更能够反映出岩石承载过程变形模量的减小和强度的降低。研究结果为探讨类似岩石渗透压力作用下的变形和强度特性提供参考。     

基于主成分分析与Fisher判别分析法的矿井突水水源识别方法

为有效地预防矿井突水事故,及早识别突水水源是关键工作之一。根据矿井各含水层水化学成分的差异性,选取7种水化学成分指标作为突水水源识别的样本变量。在此基础上,采用主成分分析(PCA)与Fisher判别分析相结合的方法建立突水水源判别模型。以新庄孜煤矿不同水层的水化学特征资料中的33个为学习样本,12个为预测样本,对该模型进行检验和应用,并与传统Fisher判别分析模型的结果进行比较。研究结果表明:利用PCA与Fisher突水水源判别模型能够有效地消除样本变量指标间的相互影响,使突水水源判别结果更加准确。