采矿与安全工程学报

黄炳香, 赵兴龙, 韩晓克, 吴占伟, 袁国栋, 张青林

2024, 41(1): 1-14. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0482

摘要 ( 384 )

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煤系共伴生矿产的矿种多,量大面广,与煤层叠置;煤系矿产协同开发是国家的重大战略需求。采动岩层活动叠加与流体迁移规律是煤系共伴生矿产协调开采的核心共性科学问题。采动应力、岩层变形、断裂与运动等叠加是影响煤系共伴生矿产协调开采的关键因素,层间岩层稳定性、层间岩层裂隙贯通度、层间岩层渗流失稳和矿层(体)破断台阶错动量是评价能否协调开采的关键指标。煤系共伴生矿产通过分区错时开采方法、污染物源头阻隔等协调开采技术,实现环境影响的协同控制效应。由于煤系共伴生矿产赋存位置与赋存状态的差异性,其协同开发产业链中所涉及的核心产业环节也有所不同,考虑不同矿种开采工艺与设备的兼容性,相应形成了不同的协同开发模式。目前初步形成了煤-铝-铁-镓综合开发(兴县模式)、煤-铀协调开采(伊犁盆地)、水-煤-气协调开发(鄂尔多斯)等模式或场景,提出了煤矿井下钻井采铀、油气等共采工艺技术。协同开发技术可行,安全与环境有保障。叠置矿产分矿权开发,易导致相互影响,彼此不能正常开采,安全风险及环境影响增大。煤系共伴生矿产的矿权配置是产业发展核心问题,亟需产业政策支持,促进行业高质量发展。提出了矿权改革、综合勘探、协同开发等政策建议,煤系共伴生矿产协同开发企业可有各矿种企业签订互不影响协议、以主矿体为主的联合相关矿种开发企业共同开发、成立叠置资源综合开发公司进行协同开发等3种企业模式。

煤系共伴生矿产地质成因与成矿过程

韩晓克, 黄炳香, 王长申, 赵兴龙, 吴占伟, 陈大勇

2024, 41(1): 15-28. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0480

摘要 ( 288 )

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目前,关于煤系共伴生矿产地质成因与成矿过程的研究多分散针对单一矿产,系统化研究仍较为缺乏。文章系统性地总结论述煤系共伴生矿产的成矿有利条件、地质成因及成矿过程等。按照主控成矿作用,煤系共伴生矿产地质成因可以分为变质作用成矿、沉积作用成矿和后生作用成矿三大类。以聚煤盆地形成演化为主线,煤系形成前期,铝、铁率先在盆地基底沉积成矿。随后煤系油页岩、高岭土等沉积型矿床多因成煤环境改变而与煤层交替沉积成矿,镓、锗等金属元素多由含矿流体携带富集于成煤沼泽之内,煤成气、富油煤及煤系石墨则是煤系有机质在各种条件下的变质分化产物。在煤系演化后期,砂岩型铀矿和各种稀有金属元素则会后生成矿于煤系内。煤系共伴生矿产成矿的主控因素主要包括适当的地质构造活动、充足的物质来源、湿热的古地理气候以及煤系内丰富的有机质等,受这些因素影响,各大聚煤期内煤系矿产资源的成矿特征存在明显差异。

我国煤系共伴生矿产赋存特征及分布规律

吴占伟, 黄炳香, 赵兴龙, 韩晓克, 陈大勇, 王长申, 张清秋

2024, 41(1): 29-46. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0479

摘要 ( 329 )

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我国煤系共伴生矿产有85种,种类多、分布广、储量大,具有很高的经济价值和战略价值,按工业属性和用途可分为煤系能源矿产、煤系金属矿产和煤系非金属矿产。系统性分析煤系能源矿产(煤系气、富油煤、油页岩、铀矿)、煤系金属矿产(铝土矿、铁矿、镓、锗、锂、稀土元素)及煤系非金属矿产(硫铁矿、高岭土、耐火黏土、膨润土、隐晶质石墨)的赋存特征和分布规律,总结论述我国14大煤炭基地煤系共伴生矿产赋存分布及开发利用状况。结果表明:煤系共伴生矿产主要赋存于煤层、顶底板中或在煤层附近岩层中单独成矿,分布规律与我国煤炭分布具有一定的相似性,呈现明显的时期性与区域性。我国煤系共伴生矿产形成时期主要集中在石炭-二叠纪、早中侏罗世和晚侏罗世-早白垩世3个成煤期,分布区域主要集中于华北的鄂尔多斯盆地、沁水盆地、华北南部盆地,西北的准噶尔盆地、伊犁盆地、吐哈盆地,东北的松辽盆地、二连盆地,西南的川南黔北地区,以及四川盆地等各大含煤盆地。我国神东基地、晋北基地、晋中基地、晋东基地、云贵基地和新疆基地煤系共伴生矿产种类储量丰富,具有广阔的综合开发利用前景。

微生物浸铀应力场-渗流场-化学场-生物场耦合模型及工程应用探讨

崔光磊, 杨道松, 罗嘉明, 陈天宇, 杨成祥

2024, 41(1): 47-57. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0467

摘要 ( 300 )

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为了研究微生物浸铀工艺过程中的微生物行为特征和工艺参数对铀地浸效果的影响,建立了同时考虑微生物生长的储层变形、物质运移传递和化学反应的微生物浸铀耦合模型,以新疆伊犁盆地某砂岩型铀矿为工程背景,采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件针对微生物浸铀过程进行了数值模拟。结果表明:微生物浸铀过程中浸出液铀浓度整体趋势为浸出开始后逐渐上升，400 d左右达到峰值,最后再缓慢下降;抽注单元尺度分析浸铀过程存在溶浸死角;抽注液流量越高,浸出液铀浓度所能达到的峰值也就越高;微生物数量与可逆解吸附速率和最大比生长速率呈正相关,与可逆吸附速率和比衰亡速率呈负相关;抽注液井附近由于流体压力的不同，渗透率的演化规律也不同。研究结果对于微生物浸铀工艺有一定的指导意义。

煤铝共采岩层运动与裂隙发育规律的颗粒离散元研究

杨玉贵, 尚润芃, 黄炳香, 赵兴龙, 刘旺, 娄坤

2024, 41(1): 58-66. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0472

摘要 ( 239 )

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通过建立“上煤下铝”资源共采颗粒离散元力学模型,研究了煤层长壁式与铝土矿房柱式共采下覆岩应力叠加规律,揭示了煤层顶板压力拱、煤铝层间压力拱及底板压力拱的成拱机制及叠加传递特征,提出了铝土矿柱稳定、部分矿柱失稳及整体性失稳下对应的覆岩运动模式,得到了煤铝共采叠加扰动下岩层运移破坏规律。结果表明：采空区两端铝土矿柱受组合应力拱叠加影响易承压过大而发生失效破坏,继而引发邻近矿柱的联动效应,导致铝土矿上覆岩层大范围切落滑移,覆岩矿压显现剧烈。通过分形几何方法对煤铝共采下覆岩裂隙发育规律进行定量表征,发现当铝土矿柱尺寸较小时,铝土矿房覆岩在采空区两端分形盒维数明显大于岩层未受扰动区,表明铝土矿房覆岩裂隙具有向煤层采空区发育贯通演化的特征。

真三轴应力下铝土矿力学特性及变形破坏特征

杜凯, 陈天宇, 杨成祥, 徐允哲, 张洪铭, 刘华, 崔光磊, 刘立民, 王守国

2024, 41(1): 67-73. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0478

摘要 ( 274 )

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铝土矿地下工程开采过程中岩体处于复杂的三向不等应力状态,中主应力对岩体力学强度特性、变形破坏特征具有重要影响。为研究真三轴应力状态下铝土矿岩石的力学特性及变形破坏特征,基于真三轴试验机对铝土矿岩石开展了不同应力条件下的真三轴压缩试验,分析了不同应力条件对岩石裂纹萌生扩展和破裂模式的影响。研究表明:随着中主应力的提高,岩石峰值强度得到显著强化,脆性特征更加明显,破坏模式随中主应力的提高发生转变,剪切破坏裂隙从沉积层理面扩展至中主应力面,同时岩石原生裂隙对破坏模式存在诱导作用,裂隙多沿着原生裂隙扩展贯通。研究成果增强了对铝土矿岩石力学特性的认识,为煤-铝共采工程中岩石的稳定性控制提供理论依据。

煤系共伴生矿产分区错时协调开采原理

赵兴龙, 黄炳香, 吴占伟, 魏志鹏, 韩晓克

2024, 41(1): 74-85. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0481

摘要 ( 243 )

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我国煤系共伴生矿产种类多、储量丰富、与煤层叠置,赋存状态与开发方式差异大,各矿产开采的岩层活动和流体迁移等影响彼此正常开采。针对煤系共伴生矿产开采存在的问题,提出并阐明了煤系共伴生矿产分区错时协调开采理念及内涵。基于分区协调开采理念,将煤与共伴生矿产开采区域划分为煤矿优先开采区和共伴生矿产优先开采区,根据采动岩层活动及流体迁移规律留设协调开采保护区作为煤与共伴生矿产开采的缓冲区域,使煤与共伴生矿产开采活动在空间上相互避开,互不影响。基于错时协调开采理念,将资源叠置区煤与共伴生矿产的开采时序错开,根据矿产资源的战略需求属性、经济价值等建立共伴生叠置矿产的优先开采度,从而确定共伴生叠置矿产的开采时序。待优先开采的矿产开采结束,并且其开采引起的岩层活动趋于稳定或流体迁移在可控范围内,再开采采空区上方或下方的叠置矿产。通过合理划分共伴生叠置资源的开采时序,实现叠置矿产资源的综合开发。给出了煤与共伴生矿产分区错时协调开采的关键参数和确定原则,并通过煤铝分区错时协调开采相似模拟试验,系统阐述了煤铝分区错时协调开采过程及现象,分析了煤铝分区错时协调开采规律及参数合理性。提出了煤与共伴生矿产同步／异步分区错时相向开采、同步／异步分区错时逆向开采及同步／异步分区错时同向开采等成套分区错时协调开采工艺。

地下矿山采场充填柔性封闭方法与应用

李宗楠, 郭利杰, 彭啸鹏, 赵越, 余斌

2024, 41(1): 86-94. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0485

摘要 ( 313 )

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地下矿山采用充填法进行开采需要在采空区充填之前构筑封闭挡墙,高质量安全封闭技术是充填采空区的重要环节。研制了装配式柔性脱水充填挡墙,墙体骨架呈弧形网格状曲面结构,采用装配式建构方式,能够适应巷道规格变化,密封层使用透水织物,具有全断面脱水特征。设计了3.5 m×4.0 m规格试验挡墙,并在阶段空场充填采矿法和进路式充填采矿法充填采场开展了工业试验。结果表明:试验挡墙在过墙期间具有较好的脱水效果,高浓度料浆多次充填试验测得的墙体变形量未超过10 mm,膏体料浆一次充全高,最大变形量为34 mm,均在允许变形范围内。扩大试验安装成本分析表明,挡墙的综合换算成本约为435元／m³,验证了装配式柔性脱水充填挡墙的技术经济综合优势。

煤下铝上行开采工艺控制覆岩均匀沉降研究

黄丹, 余斌, 王云昌, 王振宇, 吴姗

2024, 41(1): 95-106. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0466

摘要 ( 266 )

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铝土矿空场开采会导致覆岩的不均匀沉降或塌陷,破坏上覆煤层的完整性。为实现煤铝资源的保护性开采,保障煤下铝开采时上覆煤层的完整性,在提出煤下铝开采方法的基础上,分析崩落散体性质对覆岩均匀沉降的影响规律和控制覆岩均匀沉降的基本原理。首先建立了煤下铝开采覆岩移动的非线性弹性地基梁力学模型,分析不同弹性地基系数条件下的力学模型,然后采用数值模拟方法研究崩落散体性质对覆岩移动的影响规律,最后提出煤下铝开采覆岩均匀沉降控制技术方案,并将其应用于工业试验。研究结果表明:较大的崩落散体弹性模量,能有效控制覆岩沉降量,弹性地基系数是控制覆岩均匀沉降的关键,矿块式采场放顶作业是控制覆岩均匀沉降的有效技术手段,密实的胶结充填更有利于控制覆岩的均匀沉降。

环状炮孔径向爆破能量增强效应试验研究

冯盼学, 汪旭光, 陈何, 余斌

2024, 41(1): 107-113. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0486

摘要 ( 226 )

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近距离共生矿产开拓延伸采动对周边工程及矿岩具有较强的影响,解决井巷开拓低损减震高效爆破开挖技术难题,可以缩短协调开采动压对井巷工程的影响时间。环状炮孔爆破是一种新型高效的低碳爆破方法,但目前针对环状炮孔径向爆破应力场、能量场等方面的定量研究较少。围绕爆破试验对环状炮孔径向爆破能量的增强效应，采用超动态应变测试系统对混凝土试验模型单层药包爆炸应力场进行测试、分析,相较等效单孔,环状炮孔在爆破中远区应力更大、能量更强、时间更久。研究成果定量揭示了环状炮孔单层药包径向爆破能量的增强效应,验证了环状炮孔高效率、低能耗的技术特征及环保优势,为环状炮孔装药爆破参数的优化设计提供了理论基础和技术支撑。

冲旋作用下随钻测量系统研发与应用

李杨, 王雁冰, 岳小磊, 岳中文, 李为

2024, 41(1): 114-122. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0471

摘要 ( 227 )

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硬岩巷道岩体性质是爆破参数设计的重要依据,快速获取岩体力学参数对提升巷道掘进效率至关重要。随钻参数与岩石性质有着密不可分的关系,随钻测量系统是监测钻机钻进过程中钻进参数的重要工具。通过随钻测量系统,可以实时掌握钻进过程中的钻压、转速、钻速等工程参数,进而分析实际钻进岩体性质,为爆破参数设计及优化提供参考。为了快速、准确地获取硬岩力学参数,在冲旋钻机基础上建立了具有冲击功能的智能随钻测量系统,该系统主要由智能钻进控制系统和智能感知系统组成,可对钻进速度、钻头转速、推进压力、旋转压力、冲击压力等多种随钻参数进行智能控制与实时监测。基于该系统开展了不同等级高强度岩石试样冲旋钻孔试验,讨论分析了不同钻进参数条件下钻具的响应性能以及各钻进参数之间的相互关系。试验结果表明:冲旋智能随钻测量系统控制性能稳定,智能感知系统监测数据有效可靠;随钻参数与岩石性质间响应关系具有显著规律性,不同强度岩石钻进参数响应最明显的是钻进速度,表明平均钻速与试件强度呈负相关。该系统可有效识别不同强度岩石,定量评价岩体力学参数,研究结果可为实时获取工程原位岩体力学参数提供一种新的方法。

考虑锚-岩界面相对滑移的圆形巷道全长锚固锚杆力学性能研究

李阿康, 岳中文, 王鹏, 任猛, 姚达

2024, 41(1): 123-133. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0477

摘要 ( 261 )

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为了更好地揭示全长锚固锚杆与围岩的相互作用机制,基于圆形巷道弹塑性变形理论,通过考虑锚杆与围岩之间的相对运动,建立了全长锚固锚杆与围岩耦合作用的弹塑性力学模型。基于有限差分法(FDM)提出了一种求解耦合力学模型的简化数值程序,利用MATLAB软件编程得出了所提出模型的数值解。通过与现场监测数据的比较,验证了所提出模型的正确性。随后基于该模型分析了岩体的弹性模量、剪胀角以及托盘刚度对锚杆支护性能的影响。最后,为探究锚杆的最佳安装时间分析了不同应力释放率下锚杆的支护性能。结果表明,当应力释放率未超过60％之前,锚杆的支护效果随应力释放速率的增加而线性下降;之后,锚杆的支护效果迅速下降。因此,采用全长锚固锚杆支护时最好在巷道开挖后应力释放率未超过60％之前进行。

水耦合介质定向断裂爆破裂纹动态扩展机理研究

郭东明, 李杨, 宋耀, 王雁冰

2024, 41(1): 134-141. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0473

摘要 ( 281 )

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为研究水耦合介质在定向断裂爆破过程中对爆生裂纹动态扩展机理的力学影响,基于焦散线理论,采用数字激光动态焦散线试验系统,开展单炮孔切缝有机玻璃(PMMA)试件在3种不耦合系数(1.25,1.67,2)下水耦合及空气耦合定向爆破试验,对比研究水耦合装药下试件爆后分形计盒维数D的分布规律,及爆生裂纹在动态扩展过程中的动态应力强度因子K^d_Ⅰ与扩展速度v随时间的变化规律。结果表明:相较空气介质,水耦合装药试件爆后的次裂纹数目明显减少,定向致裂效果较好,爆生裂纹在扩展过程中的K^d_Ⅰ与v值随时间的波动程度明显减弱,该种装药模式下的爆破更易为试件爆生裂纹中后期动态扩展提供稳定、持续的能量;不耦合系数对水耦合装药试件裂纹尖端动态起裂韧度K^d_Ⅰc值的影响具有正相关性,较低的不耦合系数更易引起水耦合装药试件的动态起裂。

巷道开挖过程中围岩能量耗散特征

孟庆彬, 辛学奎, 宋子鸣, 宋洋, 程争民, 王昌

2024, 41(1): 142-150. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0475

摘要 ( 318 )

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巷道围岩的变形破坏本质上是能量积聚、耗散及释放综合作用的结果,是能量驱动下的一种状态失稳现象,揭示巷道围岩能量分布规律有利于岩石工程的安全评价和稳定性分析。基于经典弹塑性理论及能量守恒定律,分析了巷道围岩弹性变形能、耗散能和外力功之间的关系,揭示了外力功与能量的演化规律。采用FLAC^3D内嵌的Fish语言编程及二次开发,完成FLAC^3D能量计算的功能拓展,并通过算例验证了所开发的能量模块的准确性和合理性;将此能量模块应用于巷道工程,实现了对巷道围岩弹性能量场、耗散能量场的可视化分析,探究了不同断面形状、尺寸对巷道围岩能量场分布及演化规律的影响,且巷道围岩耗散能集中区与主破坏位置基本吻合。从能量角度分析巷道围岩的稳定性,对巷道吸能支护设计具有重要理论意义和应用价值。

CaCO₃／Fe(OH)₃修复单一裂隙岩样的降渗试验

鞠金峰, 李全生, 许家林, 李娟娟

2024, 41(1): 151-159. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0476

摘要 ( 213 )

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采煤引起的覆岩导水裂隙广泛发育是导致地下水流失与生态损伤的重要原因,科学实施导水裂隙的修复降渗对于实现采损含水层生态功能修复与煤矿绿色开采意义重大。利用化学沉淀易发生吸附-固结而形成封堵降渗作用的特性,开展了CaCO₃／Fe(OH)₃修复单一裂隙岩样的降渗试验。以Na₂CO₃水溶液作为模拟地下水,CaCl₂水溶液和FeSO₄水溶液分别作为修复试剂,模拟裂隙岩体的导水渗流条件,将模拟地下水和修复试剂以恒流方式同时注入单一裂隙岩样中,最终得到了两种沉淀物分别对两个不同裂隙发育岩样的修复降渗规律。试验结果表明,两种沉淀物对岩样裂隙均起到明显降渗作用,但由于两者微观结构及固结成垢机制的差异,造成对裂隙修复降渗效果的不同。CaCO₃沉淀属典型晶态沉淀,依靠晶种吸附和晶体生长固结成核,形成的固结体结构紧密、稳定性好,对裂隙易产生良好的修复降渗效果;两个岩样分别历经400 min和208 min后的降渗幅度即达到220倍和175倍。而Fe(OH)₃沉淀属典型非晶态沉淀,单纯依靠沉淀胶体的范德华力吸附于裂隙面并积聚固结,水温偏高易降低范德华力造成沉淀固结体结构疏松,难以抵抗高水压冲蚀作用,修复过程易出现降渗曲线频繁“反弹”现象;将试验水温由28 ℃降至8 ℃时,裂隙降渗幅度即由35倍提升至106倍,修复降渗效果显著提高。表明Fe(OH)₃沉淀适宜用于浅部相对低温条件的裂隙岩体修复降渗,而CaCO₃沉淀修复裂隙适宜的水温区间更广。研究结果可为化学沉淀修复导水裂隙的含水层生态功能修复实践提供参考。

伊南煤田伊犁一矿侏罗纪煤系地下水化学特征与水循环演化

王长申, 黄炳香, 赵兴龙, 任冬冬, 李奎水, 赵国宏, 刘家丞, 李丽华

2024, 41(1): 160-170. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0519

摘要 ( 216 )

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伊犁盆地伊南煤田是我国较早发现的重要含砂岩铀矿煤田,侏罗纪煤系裂隙-孔隙承压水是伊犁一矿和周边铀矿共同扰动和影响的主要地下水系统,煤铀协调开采的重点问题是如何协调煤矿和铀矿对侏罗纪煤系含水层的影响。及时研究和预测煤矿对侏罗纪煤系含水层已有影响对于煤铀协调开采重要且必要。伊犁一矿是目前投产的伊南煤田唯一的大型煤炭生产矿井。在伊犁一矿自上而下取煤系第四系水、3煤顶板水、5煤顶板水、5煤底板水和矿井混合水水样,做水质全分析、D／¹⁸O、T和¹⁴C测年,运用水文地球化学分析方法研究伊犁一矿现状条件下煤系地下水质特征和水循环演化状态。结果表明:矿井地下水为近中性、低矿化的HCO₃·SO₄型或HCO₃·SO₄型淡水;δD和δ¹⁸O分别为-91‰～-118‰和-12.7‰～-16.0‰;除5煤底板水(铀含量11.1 μg／L)外,煤系水铀含量仅约0.8 μg／L;煤系地下水平均年龄为5 000～6 000 a,而3煤顶板水和5煤顶板水年龄为1.25万～2.5万a。伊犁一矿侏罗纪煤系地下水具有显著的“三低、一老、一少”即低矿化、低氘、低铀、较老和少污染特征。由于煤矿疏放5煤底板水,围绕伊犁一矿已形成侏罗纪煤系深层裂隙-孔隙水的疏干式局部水文循环,5煤底板含水子系统水位漏斗已顺层扩展和水循环已顺层局部加速;3煤顶板和5煤顶板含水子系统仍相对独立和封闭,疏干后难以恢复。3煤顶板水和5煤顶板水属于理想的低氘和水质优良地下水。

砂岩铀矿孔隙尺度铀污染微生物修复过程模拟

扶海鹰, 连檬, 张辉, 马建洪, 贺桂成

2024, 41(1): 171-178. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0468

摘要 ( 229 )

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地浸开采砂岩铀矿造成的地下水铀污染通常可采用微生物原位还原固定的方法进行修复。关于铀污染微生物修复的试验研究较多,但采用数值模拟方法进行孔隙尺度建模的研究则较少。针对砂岩铀矿中铀污染微生物原位固定修复模拟,建立多孔介质孔隙尺度模拟的二维概念模型;通过注液孔将功能微生物和碳源注入多孔介质中,微生物在碳源刺激下生长繁殖,其生长代谢过程可将溶液中的U(Ⅵ)还原成U(Ⅳ)而固定,同时考虑地下水中溶解O₂和NO₃^-等具有氧化性的物质对U(Ⅳ)的再氧化作用;建立以上过程的数学模型,并采用LBM(Lattice Boltzmann Method)方法实现模型的耦合模拟;模拟研究多孔介质渗透率和迂曲度、注液速度、微生物浓度等因素对铀污染迁移范围及修复效果的影响。结果表明:建立的模型可模拟砂岩铀矿孔隙尺度中铀污染微生物修复及再氧化释放过程,增大渗透率、注液速度及微生物浓度可以加快铀污染修复,而地下水中溶解的O₂和NO₃^-会影响修复效果的长期有效性。研究可为发展地浸采铀退役治理过程中铀污染微生物修复理论和数值模拟方法提供参考,并可提供一种新方法来评估和预测微生物修复技术对地下水铀污染的有效性。

CO₂+O₂地浸采铀采区含铀砂岩孔隙演化试验研究

贺桂成, 张沈平, 扶海鹰, 崔佳欣, 张辉

2024, 41(1): 179-189. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0470

摘要 ( 254 )

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CO₂+O₂地浸采铀采区含铀砂岩孔隙结构演化影响了铀矿的高效浸出,已成为制约地浸采铀技术发展的瓶颈。为此,采用自制的CO₂+O₂地浸采铀试验装置,模拟了某砂岩型铀矿地浸采铀过程;并采用高压压汞仪、CT扫描仪和X射线衍射分析仪等设备表征了含铀砂岩岩芯在试验前后的孔隙演化特征;同时,运用Avizo软件构建了三维数字岩芯及其渗流模型,分析了溶浸液渗流规律。研究结果表明:试验后含铀砂岩岩芯总孔隙度和连通孔隙度与试验前相比分别增加了5.03％和5.53％;且试验后数字岩芯的逐层面孔率分布范围更广、孔喉等效半径和喉道面积急剧增大;试验后岩芯孔隙数量随孔隙配位数增大而减小,但当孔隙配位数C≥4时,试验后孔隙数量与试验前相比成倍数增长,最高达到了试验前的21.63倍,此时岩芯中连通孔隙非常显著,渗透率增大;含铀砂岩岩芯中大孔喉相互连接形成的孔隙网络为溶浸液提供了主要的渗流通道,且溶浸液的渗流速度由岩芯中心沿径向方向呈现出由大变小的规律。研究结果可为后续CO₂+O₂地浸采铀中分析溶质迁移演化规律提供有意义的参考。

鼠李糖脂改性纳米零价铁去除地浸采铀矿山#br# 污染地下水中U(Ⅵ)的试验研究#br#

李峰, 丁德馨, 周函, 杨迎春, 贺桂成, 马建洪, 丁洋, 胡南, 张辉, 蒋国清, 谭韬

2024, 41(1): 190-199. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0474

摘要 ( 287 )

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采用液相还原法制备了鼠李糖脂改性纳米零价铁(RL@nZVI),并利用X射线衍射、透射电子显微镜、傅立叶红外光谱等方法对其进行表征;研究pH值、反应时间、干扰离子等因素对纳米材料除铀效果的影响;运用吸附动力学模型及表征等手段,对其修复机理进行解释说明。研究结果表明:鼠李糖脂成功负载于Fe⁰表面,可以有效提高纳米材料的抗氧化性和分散性,比表面积提高约2.5倍,达到12.30 m²／g;当pH=5,反应时间为30 min时,RL_0.1@nZVI与RL_0.2@nZVI试验组中铀浓度分别降至33.8,24.4 μg／L,达到国家排放标准;不同浓度的金属离子对改性纳米材料去除铀效果有不同程度的影响,Cu²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺各试验组平衡铀去除率分别为28.26％,95.82％,93.39％,96.28％;吸附动力学结果表明,准二级动力学方程更适合描述nZVI(R²=0.999)和RL_0.1@nZVI(R²=0.998)的吸附过程,该过程中存在化学吸附反应;对吸附后的RL_0.1@nZVI进行表征,反应物中U(Ⅳ)与U(Ⅵ)的比例为7∶1,Fe²⁺与Fe³⁺的比例约为2∶1,这表明在RL_0.1@nZVI修复铀污染地下水过程中发生了氧化还原、吸附及共沉淀反应;RL@nZVI是处理铀污染地下水的理想材料。

煤系共伴生矿产协调开采完全成本内涵、构成要素和挑战

王茗可, 黄炳香, 陈大勇

2024, 41(1): 200-211. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0483

摘要 ( 220 )

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煤系共伴生矿产协调开采是国家的重大战略需求,实行采矿完全成本有利于矿产资源的合理开发利用,促进矿产企业安全高质量生产和可持续发展。目前,完全成本主要基于煤矿进行研究,在其他矿产开采方面的研究相对较少;对单一矿产开采的完全成本问题研究较多,而对多矿产协调开采的完全成本问题研究则较少,煤系共伴生矿产协调开采缺少完全成本方面的理论指导。对比分析各矿产独立开采完全成本构成及协调开采特点,提出协调开采运行成本的概念,分析得出协调开采完全成本由传统的5类成本和协调开采运行成本共同构成,即协调开采完全成本不但包含各矿产独立开采的完全成本,还应该考虑因建立和维护协调开采系统以及应对协调开采对外部产生的效应采取应对措施所产生的费用。结合煤系共伴生铝土矿、铀矿、煤层气的协调开采具体案例,获得不同情况下协调开采运行成本产生的原因及构成要素,并指出系统内部不同矿产开采活动的相互影响是导致协调开采运行成本产生的关键因素。基于协调开采相关技术进展,分析协调开采完全成本在成本量化、协调开采关键理论技术、实施难度和人才需求等方面所面临的挑战。

煤下铝土矿逐巷充填护顶与置换开采方法

陈勇, 黄炳香, 姚达, 吴占伟, 陈大勇, 韩晓克, 王昌, 张清秋, 王云昌, 王乐

2024, 41(1): 212-220. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0508

摘要 ( 229 )

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我国煤下铝土矿资源储量极其丰富,约占全国铝土矿储量的50％以上,随着国内浅地表铝土矿资源逐渐消耗殆尽,地下铝土矿特别是煤下铝开采将成为铝资源开发的发展趋势和必然选择。针对目前煤铝共采过程中存在的岩层活动相互影响问题,提出煤下铝土矿逐巷充填护顶与置换开采方法:将每个铝土矿柱划分为多条采巷,采巷开采完毕后立即充填以达到及时护顶与控制岩层活动的目的,每条采巷按设计顺序依次进行开采与充填作业,实现铝土矿柱与充填体的置换开采,最终保障铝土矿与上部煤层均正常开采。研究成果成功应用于山西华兴铝业有限公司奥家湾铝土矿,充填接顶效果良好,顶底板位移量控制在20 mm以内,可有效控制铝土矿采后的岩层活动,保障上覆煤层连续性,实现煤下铝土矿对上覆煤层的保护性开采;充填后能及时有效护顶,提高采场整体稳定性,解决常规铝土矿软弱直接顶控顶的技术难题;铝土矿采出率由45％提高至78％,矿石贫化率控制在5.06％,且充填设备小型化、便携化,安装在井下,占地面积小,成本低,整体技术经济效益显著。形成了一套适应于现场的完整的逐巷充填护顶与置换开采技术体系,技术可行、经济性好,可为实现煤铝共采提供技术支持,具有较大的推广应用前景。

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