原位改性采矿理论与技术 20111118

第33卷第5期硅酸盐学报Vol.33,No.5　2005年5月J OURNAL OF T H E CHIN ESE CERAMIC SOCIET Y May,2005简 报 超细水镁石的硅烷偶联剂表面改性杜高翔1,郑水林1,李　杨2(1.中国矿业大学化学与环境工程学院,北京　100083;2.北京工业大学,北京　100024)摘　要:超细活性水镁石是一种重要的环保型阻燃材料。

使用2种硅烷偶联剂对水镁石超细粉进行了表面改性试验。

将改性后的水镁石粉添加到聚丙烯(polypropylene,PP)中,研究了硅烷改性对PP/水镁石复合材料性能的影响。

通过对改性前后粉体的扫描电镜(scanning elec2 tron microscope,SEM),Fourier变换红外光谱以及PP/水镁石复合材料新鲜断面的SEM分析等手段,研究硅烷偶联剂对水镁石粉改性的效果和改性机理。

结果表明:偶联剂硅烷A174和硅烷FR693的最佳用量分别为水镁石粉质量的1.5%和1.0%,改性温度为80℃。

改性可以使PP/水镁石复合材料的悬臂梁缺口冲击强度提高0.3kJ/m2,弯曲模量提高30%以上,并使材料的阻燃性能提高。

使用偶联剂硅烷FR 693可以使复合材料的拉伸强度提高1MPa,2种偶联剂都不能提高断裂伸长率及弯曲强度。

关键词:水镁石;氢氧化镁;表面改性;硅烷偶联剂;聚丙烯中图分类号:T G985 文献标识码:A 文章编号:04545648(2005)05065906SURFACE MODIFICATION OF U LTRA2FINE BRUCITE POWDER B Y SI LANE COUPL ING AGENTDU Gaox iang1,Z H EN G S huilin1,L I Yang2(1.Department of Chemistry and Environment Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing　100083;2.Beijing University of Technology,Beijing　100024,China)Abstract:Surface2modified ultra2fine brucite powder is a kind of environment2f riendly fire2retardant of polymer.The ultra2fine brucite powder was surface2treated with two kinds of silane(A174and FR693),and then filled into polypropylene(PP)as a kind of fire2retardant aimed.The effect of modification by silane on the properties of PP/brucite composite material was stud2 ied.The effect and modification mechanism were investigated by means of Fourier transfer infrared analysis,scanning electron microscopy of brucite powder and the f resh new surface of PP/brucite.The results show that the optimal dosage of brucite powde for silane A174and silane FR693is1.5%and1.0%in mass respectively and the temperature of surface treatment is80℃.It indicates that the surface modification can enhance the izod impact strength of PP/Mg(O H)2composite material by 0.3kJ/m2,the bend modulus about30%,and the retardant degree is enhanced to V0f rom V 1.The tensile strength of the composite material surface modified with silane FR693can be increased1MPa.The bending strength and elongation at break of the material are not improved by both silane.K ey w ords:brucite;magnesium hydroxide;surface modification;silane coupling agent;polypropylene 水镁石的主要成分是氢氧化镁,是自然界含镁收稿日期:20040729。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910337737.5(22)申请日 2019.04.25(71)申请人 中国地质科学院矿产综合利用研究所地址 610041 四川省成都市武侯区二环路南三段5号申请人 四川共拓岩土科技股份有限公司(72)发明人 舒荣波　程蓉　李超　胡泽松　钟久安　李乔斌　(74)专利代理机构 成都天嘉专利事务所(普通合伙) 51211代理人 蒋斯琪(51)Int.Cl.C22B 3/04(2006.01)C22B 59/00(2006.01)(54)发明名称一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法(57)摘要为解决离子吸附型稀土矿山现有原位浸出工艺浸液渗漏、山体滑坡和生态破坏等问题，本发明公开了一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法，该方法是在现有原位浸出工艺中引入综合物探法进行基岩底板的断层、裂隙和破碎发育情况检测；在现有原位浸出工艺中引入注浆技术在发育不良的基岩底板构建防渗层，防止浸液通过基岩底板进入地下水造成稀土资源损失；在现有原位浸出工艺中引入由浸润线自动监测、自动注液和真空抽提构成的注提自控系统，实现浸液注入-抽提的精准控制，助力数字化矿山的建设。

本发明特别适合底板发育不良、渗透性较差的离子吸附型稀土矿山。

权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 110055414 A 2019.07.26C N 110055414A权　利　要　求　书1/1页CN 110055414 A1.一种离子型稀土的渗流控制原位开采方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，以拟开展原位浸出区域的地质和水文勘探资料为基础，结合遥感数据构建矿区三维地图，然后采取代表性的矿层样品，测试各矿层的物质组成与物性参数；S2，在所述矿区三维地图的基础上，运用综合物探方法对基岩底板的断层、裂隙和破碎的发育情况进行检测、验证与分析，圈定基岩底板中的浸液渗漏位置；S3，在圈定的浸液渗漏位置对应的地表位置，设计实施钻孔和注浆防渗操作，沿基岩底板的断层、裂隙和破碎带构建防渗层，并测试防渗层的防渗性能；S4，在防渗处理后的基岩底板和步骤S1中得到的物性参数的基础上，构建开采区三维渗流场，进而圈定矿体中的难渗透区、塑性区、渗流汇集区和积液区；S5，在拟开展原位浸出区域的矿体顶部按设计布置注液孔和自动注液装置，在难渗透区和塑性区放置浸润线监测传感器，在渗流汇集区和积液区安装真空抽提设备；S6，所述自动注液装置、浸润线监测传感器和真空抽提设备构成了注提自控系统，调试注提自控系统，开展原位“浸出-收液-浸出”循环操作，实现离子吸附型稀土资源的原位渗流控制开采。

重点实验室名称依托单位计算智能与信号处理安徽大学光电信息获取与控制安徽大学冶金减排与资源综合利用安徽工业大学煤矿安全高效开采安徽理工大学茶叶生物化学与生物技术安徽农业大学重要遗传病基因资源利用安徽医科大学新安医学安徽中医学院生物有机分子工程北京大学数学及应用数学北京大学重离子物理北京大学地表过程分子与模拟北京大学细胞增值分化调控机理研究北京大学高可信软件技术北京大学恶性肿瘤发病机制及应用研究北京大学辅助生殖北京大学慢性肾脏病防治北京大学视觉损伤与修复北京大学分子心血管学北京大学高分子化学与物理北京大学纳米器件物理与化学北京大学神经科学北京大学水沙科学北京大学造山带与地壳演化北京大学量子计量北京大学量子信息与测量北京大学清华大学共建新型功能材料北京工业大学城市与工程减灾北京工业大学流体力学北京航空航天大学虚拟现实新技术北京航空航天大学精密光机电一体化技术北京航空航天大学空天材料与服役北京航空航天大学仿生智能界面科学与技术北京航空航天大学生物力学与力生物学北京航空航天大学可控化学反应科学与技术基础北京化工大学城市雨水系统与水环境北京建筑工程学院发光与光信息技术北京交通大学城市地下工程北京交通大学全光网络与现代通讯网北京交通大学交通运输智能技术与系统北京交通大学环境断裂北京科技大学生态与循环冶金北京科技大学复杂系统智能控制与决策北京理工大学作物杂种优势研究与决策北京理工大学仿生机器人与系统北京理工大学原子分子簇科学北京理工大学木材料科学与应用北京林业大学林木、花卉遗传育种北京林业大学水土保持与荒漠化防治北京林业大学环境演变与自然灾害北京师范大学射线束技术与材料改性北京师范大学细胞增殖及调控生物学北京师范大学认知科学与学习北京师范大学模糊信息处理与智能控制北京师范大学放射性药物北京师范大学生物多样性与生态工程北京师范大学运动与体质健康北京体育大学心血管病相关基因与临床研究北京协和医学院中草药物质基础与资源利用北京协和医学院泛网无线通信北京邮电大学可信分布式计算与服务北京邮电大学光通信与光波技术北京邮电大学信息管理与信息经济学北京邮电大学中医养生学北京中医药大学中医内科学北京中医药大学工业生态与环境工程大连理工大学海洋能源利用与节能大连理工大学提高油气采收率大庆石油学院分子神经生物学第二军医大学电磁辐射医学防护第三军医大学高原医学第三军医大学航空航天医学第四军医大学宽带光纤传输与通信系统技术电子科技大学新型传感器电子科技大学材料电磁过程研究东北大学材料各向异性设计与织构工程东北大学多金属共生矿生态利用东北大学流程工业综合自动化东北大学林木遗传育种与生物技术东北林业大学东北油田盐碱植被恢复与重建东北林业大学森林植物生态学东北林业大学生物质材料科学与技术东北林业大学乳品科学东北农业大学大豆生物学东北农业大学应用统计东北师范大学分子表观遗传学东北师范大学多酸科学东北师范大学植被生态科学东北师范大学纺织面料技术东华大学现代服装设计与技术东华大学生态纺织东华大学 江南大学核资源与环境东华理工学院计算机网络和信息集成东南大学洁净煤发电及燃烧技术东南大学混凝土及预应力混凝土结构东南大学儿童发展与学习科学东南大学复杂工程系统测量与控制东南大学环境医学工程东南大学发育与疾病相关基因东南大学微电子机械系统东南大学分子与生物分子电子学东南大学农药生物化学福建农林大学医学光电科学与技术福建师范大学消化道恶性肿瘤福建医科大学食品安全分析与检测技术福州大学数据挖掘与信息共享福州大学空间数据采掘与信息共享福州大学数据挖掘与信息共享福州大学食品安全分析与检测福州大学离散数学及其应用福州大学聚合物分子工程复旦大学应用离子束物理复旦大学生物多样性与生态工程复旦大学现代人类学复旦大学智能化递药复旦大学波散射与遥感信息复旦大学分子医学复旦大学公共卫生安全复旦大学医学分子病毒学复旦大学非线性数学模型与方法复旦大学癌变与侵袭原理复旦大学中南大学草原生态系统甘肃农业大学机械装备制造及控制技术广东工业大学微生物与植物遗传工程广西大学有色金属及材料加工新技术广西大学工程防灾与结构安全广西大学药用资源化学与药物分子工程广西师范大学北部湾环境演变与资源利用广西师范学院区域性高发肿瘤早期防治研究广西医科大学珠江三角洲水质安全与保护广州大学工程抗震减震与结构安全广州大学中药资源科学广州中医药大学高原山地动物遗传育种与繁殖贵州大学绿色农药与农业生物工程贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治贵州大学现代制造技术贵州大学有色金属及材料加工新技术桂林工学院光子/声子晶体国防科学技术大学水声通信哈尔滨工程大学超轻材料与表面技术哈尔滨工程大学微系统与微结构制造哈尔滨工业大学工程电介质及其应用技术哈尔滨理工大学肝脾外科哈尔滨医科大学生物医药工程哈尔滨医科大学热带生物资源海南大学热带海洋与陆生生物资源研究及利用海南大学热带药用植物化学海南师范大学射频电路与系统杭州电子科技大学有机硅化学及材料技术杭州师范学院特种显示技术合肥工业大学过程优化与智能决策合肥工业大学药物化学与分子诊断河北大学现代冶金技术河北理工大学华北作物种质资源研究与利用河北农业大学神经与血管生物学河北医科大学海岸灾害及防护河海大学岩土力学与堤坝工程河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发河海大学特种功能材料河南大学植物逆境河南大学粮食信息处理与控制河南工业大学煤矿灾害防治河南理工大学绿色化学介质与反应河南师范大学黄淮水环境与污染防治河南师范大学有机功能分子合成与应用湖北大学中药资源与中药复方湖北中医学院化学计量学与化学生物传感技术湖南大学环境生物与控制湖南大学建筑安全与节能湖南大学微纳光电器件及应用湖南大学现代车身技术湖南大学茶学湖南农业大学作物生理与分子生物学湖南农业大学高性能计算与随机信息处理湖南师范大学蛋白质化学及鱼类发育生物学湖南师范大学化学生物学及中药分析湖南师范大学量子结构与调控湖南师范大学区域能源系统优化华北电力大学电力系统保护与动态安全监控华北电力大学电站设备状态监测与控制华北电力大学载运工具与装备华东交通大学超细材料制备与应用华东理工大学系统承压安全科学华东理工大学煤气化华东理工大学光谱学与波谱学华东师范大学极化材料与器件华东师范大学青少年健康评价与运动干预华东师范大学地理信息科学华东师范大学脑功能基因组学华东师范大学聚合物成型加工工程华南理工大学亚热带建筑华南理工大学自主系统与网络控制华南理工大学特种功能材料华南理工大学传热强化与过程节能华南理工大学清华大学北京工业大学水稻育性发育与抗逆华南农业大学南方农业机械与装备关键技术华南农业大学激光生命科学华南师范大学生物医学光子学华中科技大学信息存储系统华中科技大学服务计算技术与系统华中科技大学分子生物物理华中科技大学神经系统重大疾病华中科技大学环境与健康华中科技大学基本物理量测量华中科技大学器官移植华中科技大学图象信息处理与智能控制华中科技大学智能制造技术华中科技大学智能制造技术华中理工大学图象信息处理与职能控制华中理工大学农业动物遗传育种与繁殖华中农业大学园艺植物生物学华中农业大学夸克与轻子物理华中师范大学青少年网络心理与行为华中师范大学超分子结构与材料吉林大学地面机械仿生技术吉林大学东北亚生物演化吉林大学人畜共患病研究吉林大学地下水资源与环境吉林大学病理生物学吉林大学地球信息探测仪器吉林大学汽车材料吉林大学符号计算与知识工程吉林大学分子酶学工程吉林大学无机合成与制备化学吉林大学动物生产及产品质量安全吉林农业大学环境友好材料制备与应用吉林师范大学功能材料物理与化学吉林师范大学组织移植与免疫暨南大学重大工程灾害与控制暨南大学再生医学暨南大学工业生物技术江南大学轻工过程先进控制江南大学糖化学与生物技术江南大学现代农业装备与技术江苏大学功能有机小分子江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究江西师范大学现代中药制剂江西中医学院肿瘤靶向治疗和抗体药物解放军军医进修学院非常规冶金省部共建室昆明理工大学稀贵及有色金属先进材料昆明理工大学磁学与磁性材料兰州大学西部环境兰州大学西部灾害与环境力学兰州大学干旱与草地生态兰州大学铁道车辆热工兰州交通大学光电技术与智能控制兰州交通大学有色金属合金及加工兰州理工大学数字制造技术与应用兰州理工大学医学电生理泸州医学院食品科学南昌大学无损检测技术南昌航空工业学院重大疾病的转录组与蛋白质组学南方医科大学海岸与海岛开发南京大学中尺度灾害性天气南京大学现代天文与天体物理南京大学模式动物与疾病研究南京大学表生地球化学南京大学介观化学南京大学生命分析化学南京大学材料化学工程南京工业大学飞行器结构力学与控制南京航空航天大学纳智能材料器件南京航空航天大学功能纳米晶南京理工大学林木遗传与生物技术南京林业大学做物遗传与特异种质创新南京农业大学肉品加工与质量控制南京农业大学农作物生物灾害综合治理南京农业大学虚拟地理环境南京师范大学现代毒理学南京医科大学宽带无线通信与传感网技术南京邮电大学生物活性材料南开大学核心数学与组合数学南开大学功能高分子材料南开大学分子微生物与技术南开大学环境污染过程与基准南开大学高效微纳化学电源南开大学弱光非线性光子学材料及其先进制备技术南开大学光电信息技术科学南开大学天津大学神经再生南通大学哺乳动物生殖生物学及生物技术内蒙古大学牧草与特色作物生物技术内蒙古大学风能太阳能利用技术内蒙古工业大学白云鄂博矿稀土及铌资源高效利用内蒙古科技大学草业与草地资源内蒙古农业大学冲击与安全工程宁波大学应用海洋生物技术宁波大学西部特色生物资源保护与利用宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建宁夏大学生育力保持宁夏医科大学物理海洋青岛海洋大学橡塑材料与工程青岛科技大学生态化工青岛科技大学高原医学青海大学藏文信息处理青海师范大学青藏高原环境与资源青海师范大学结构工程与振动清华大学破坏力学清华大学生命有机磷化学及化学生物学清华大学先进材料清华大学蛋白质科学清华大学水沙科学与水利水电工程清华大学先进反映堆工程与安全清华大学热科学与动力工程清华大学先进成形制造清华大学信息系统安全清华大学生态规划与绿色建筑清华大学地球系统数值模拟清华大学粒子技术与辐射成像清华大学普适计算清华大学有机光电子与分子工程清华大学原子分子纳米科学清华大学生物信息学清华大学单原子分子测控清华大学三峡库区地质灾害三峡大学细胞生物学与肿瘤细胞厦门大学现代分析科学厦门大学水声通信与海洋信息技术厦门大学亚热带湿地生态系统研究厦门大学计量经济学厦门大学海洋环境科学厦门大学胶体与界面化学山东大学材料液态结构及其遗传性山东大学密码技术与信息安全山东大学植物细胞工程与种质创新山东大学电网智能化调度与控制山东大学粒子物理与粒子辐照山东大学生殖内分泌山东大学材料液固结构演变与加工山东大学实验畸形学山东大学心血管功能与重构研究山东大学可再生能源建筑利用技术山东建筑大学矿山灾害预防控制山东科技大学制浆造纸科学与技术山东轻工业学院分子与纳米探针山东师范大学中医药经典理论山东中医药大学量子光学山西大学化学生物学与分子工程山西大学计算智能与中文信息处理山西大学细胞生理学山西医科大学应用表面胶体化学陕西师范大学智能制造技术汕头大学特种光纤与光接入网上海大学功能基因组学和人类疾病相关基因研究上海第二医科大学动力机械与工程上海交通大学微生物代谢工程上海交通大学系统生物医学上海交通大学细胞分化与凋亡上海交通大学系统控制与信息处理上海交通大学环境与儿童健康上海交通大学人工结构及量子调控上海交通大学电力工程新技术上海交通大学薄膜与微细技术上海交通大学高温材料及高温测试上海交通大学水产种质资源发掘与利用上海水产大学筋骨理论与治法上海中医药大学中药标准化上海中医药大学肝肾疾病病证上海中医药大学污染环境的生态修复与资源化技术沈阳大学特种电机与高压电器 沈阳工业大学北方超级梗稻育种沈阳农业大学创新药物研究与设计沈阳药科大学新疆特种植物药资源石河子大学道路与铁道工程安全保障石家庄铁道学院太赫兹光电子学首都师范大学心血管重塑相关疾病首都医科大学神经变性病学首都医科大学耳鼻咽喉头颈科学首都医科大学皮革化学与工程四川大学靶向药物四川大学妇儿疾病与出生缺陷四川大学口腔生物医学工程四川大学绿色化学与技术四川大学生物资源与生态环境四川大学辐射物理及技术四川大学西南作物基因资源与遗传改良四川农业大学动物抗病营养四川农业大学现代光学技术苏州大学原位改性采矿太原理工大学煤科学与技术太原理工大学能源化学与化工太原理工大学新型传感器与智能控制太原理工大学新材料界面科学与工程太原理工大学港口与海洋工程天津大学定量系统生物工程天津大学滨海土木工程结构与安全天津大学机构理论与装备设计天津大学电力系统仿真控制天津大学绿色合成与转化天津大学先进陶瓷与加工技术天津大学高温加工陶瓷与工程陶瓷加工技术天津大学中空纤维膜材料与膜过程天津工业大学先进纺织复合材料天津工业大学食品营养与安全天津科技大学显示材料与光电器件天津理工大学中枢神经创伤修复与再生天津医科大学方剂学天津中医学院道路与交通工程同济大学嵌入式系统与服务计算同济大学先进土木工程材料同济大学岩土及地下工程同济大学高密度人居环境生态与节能同济大学长江水环境同济大学固体力学同济大学海洋地质同济大学检验医学温州医学院地球空间环境与大地测量武汉大学植物发育生物学武汉大学声光材料与器件武汉大学水力机械过渡过程武汉大学水工岩石力学武汉大学组合生物合成与新药发现武汉大学口腔生物医学工程武汉大学生物医用高分子材料武汉大学绿色化工过程武汉工程大学大宗粮油精深加工武汉工业学院钢铁冶金及资源利用武汉科技大学新型纺织材料绿色加工及其功能化武汉科技学院硅酸盐材料工程武汉理工大学高速船舶工程武汉理工大学电子装备结构设计西安电子科技大学智能感知与图像理解西安电子科技大学计算机网络与信息安全西安电子科技大学功能性纺织材料及制品西安工程大学结构工程与抗震西安建筑科技大学现代设计及转子轴承系统西安交通大学电子陶瓷与器件西安交通大学生物医学信息工程西安交通大学强度与振动西安交通大学智能网络与网络安全西安交通大学过程控制与效率工程西安交通大学热流科学与工程西安交通大学环境与疾病相关基因西安交通大学结构强度与振动西安交通大学电子物理与器件西安交通大学数控机床及机械制造装备集成西安理工大学光电油气测井与检测西安石油大学大陆动力学西北大学文化遗产研究与保护技术西北大学西部资源生物与现代生物技术西北大学合成与天然功能分子化学西北大学现代设计与集成制造技术西北工业大学空间应用物理与化学西北工业大学旱区农业水土工程西北农林科技大学植保资源与病虫害治理西北农林科技大学生态环境相关高分子材料西北师范大学宇宙线西藏大学藏医药基础西藏医学院流体及动力机械西华大学西南野生动植物保护西华师范大学人格与认知西南大学发光与实时分析西南大学南方山地园艺学西南大学三峡库区生态环境西南大学家蚕基因组学西南大学磁浮技术与磁浮列车西南交通大学制造过程测试技术西南科技大学固体废物处理与资源化西南科技大学石油天然气装备西南石油学院低维材料及其应用技术湘潭大学环境友好化学与应用湘潭大学清洁能源材料与技术新疆大学石油天然气精细化工新疆大学西部干旱荒漠区草地资源新疆农业大学新疆维吾尔族高发疾病研究新疆医科大学长白山生物功能因子延边大学禽类预防医学扬州大学植物功能基因组学扬州大学微生物资源开发研究云南大学自然资源药物化学云南大学微生物多样性可持续利用云南大学农业生物资源生物多样性与病害控制云南农业大学民族教育信息化云南师范大学西部地质资源与地质工程长安大学道路施工技术与装备长安大学特殊地区公路工程长安大学桥梁工程安全控制长沙理工大学公路工程长沙理工大学濒危野生动物保护遗传与繁殖浙江大学动物分子营养学浙江大学生物医学工程浙江大学高分子合成与功能构造浙江大学软弱土与环境土工浙江大学恶性肿瘤预警与干预浙江大学生殖遗传浙江大学污染环境修复与生态健康浙江大学能源洁净利用与环境工程浙江大学机械制造及自动化浙江工业大学制药工程浙江工业大学先进纺织材料与制备技术浙江理工大学材料物理郑州大学材料成型过程及模具郑州大学仪器科学与动态测试中北大学媒介音视频中国传媒大学岩石图构造、深部过程及探测技术中国地质大学构造与油气资源中国地质大学海相储层演化与油气富集机理中国地质大学（北京）生物地质与环境地质中国地质大学（武汉）海水养殖中国海洋大学海洋化学理论与工程技术中国海洋大学海底科学与探测技术中国海洋大学海洋环境与生态中国海洋大学海洋药物中国海洋大学物理海洋中国海洋大学海洋遥感信息处理中国海洋大学煤炭资源中国矿业大学煤炭加工与高效清洁利用中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治中国矿业大学教育部重点实验室中国矿业大学（北京）现代精细农业系统集成研究中国农业大学植物-土壤相互作用中国农业大学数据工程与知识工程中国人民大学石油天然气成藏机理中国石油大学石油工程中国石油大学药物质量与安全预警中国药科大学现代中药中国药科大学免疫皮肤病学中国医科大学细胞生物学中国医科大学证据科学中国政法大学有色金属材料科学与工程中南大学现代复杂装备设计与极端制造中南大学有色金属资源化学中南大学糖尿病免疫学中南大学重载铁路工程结构中南大学轨道交通安全中南大学生物冶金中南大学聚合物复合材料及功能材料中山大学基因工程中山大学生物无机与合成化学中山大学数字家庭中山大学干细胞与组织工程中山大学眼科学中山大学高电压技术与系统信息检测及新技术重庆大学西南咨询开发及环境灾害控制工程重庆大学山地城镇建设与新技术重庆大学低品位能源利用技术及系统重庆大学信息物理社会可信服务计算重庆大学高电压与电工新技术重庆大学三峡库区生态环境重庆大学生物力学与组织工程重庆大学光电技术及系统重庆大学汽车零部件制造及检测技术重庆工学院水利水运工程重庆交通大学最优化与控制重庆师范大学临床检验诊断学重庆医科大学。

㊀第46卷第3期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.46㊀No.3㊀㊀2021年3月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMar.㊀2021㊀深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究李文洲1,2,3,4,康红普1,2,3,4,姜志云5,司林坡1,2,3,4,蔡瑞春5,郭罡业1,2,3,4(1.煤炭科学研究总院,北京㊀100013;2.中煤科工开采研究院有限公司,北京㊀100013;3.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京㊀100013;4.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验,北京㊀100013;5.中煤新集能源股份有限公司口孜东矿,安徽阜阳㊀236153)摘㊀要:为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究,首先采用小孔径水压致裂法对埋深500m 左右和1000m 左右的地应力分布特征进行现场实测研究,以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征㊁煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征,拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式㊂采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征㊂根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系,探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素㊂通过建立裂隙悬臂梁力学模型,采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系㊂基于现场实测及数值模拟研究结果,通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析,结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求,提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围㊂基于上述研究成果,在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线㊂通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析,最大注浆改性强化压力为30MPa ,一般为15~20MPa ,与提出的改性原则相符㊂通过现场取样表征分析㊁实验室扫描电镜对尺度2~20μm 浆液固结体特征进行对比分析,采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进行了分析,从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好㊂关键词:深部开采;裂隙煤岩体;变形破坏机理;高压注浆;改性强化试验;地应力中图分类号:TD322㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2021)03-0912-12移动阅读收稿日期:2020-11-29㊀㊀修回日期:2021-02-05㊀㊀责任编辑:黄小雨㊀㊀DOI :10.13225/ki.jccs.YT20.1859㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0603004);天地科技创新创业资金专项资助项目(2019-TD -QN003,2018-TD -QN027)㊀㊀作者简介:李文洲(1981 ),男,山西晋城人,副研究员㊂Tel:010-********,E -mail:liwenzhou@126．com㊀㊀引用格式:李文洲,康红普,姜志云,等.深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究[J].煤炭学报,2021,46(3):912-923.LI Wenzhou,KANG Hongpu,JIANG Zhiyun,et al.Deformation failure mechanism of fractured deep coal-rock massand high-pressure grouting modification strengthening testing[J].Journal of China Coal Society,2021,46(3):912-923.Deformation failure mechanism of fractured deep coal-rock mass andhigh-pressure grouting modification strengthening testingLI Wenzhou 1,2,3,4,KANG Hongpu 1,2,3,4,JIANG Zhiyun 5,SI Linpo 1,2,3,4,CAI Ruichun 5,GUO Gangye 1,2,3,4(1.China Coal Research Institute ,Beijing ㊀100013,China ;TEG Coal Mining Research Institute ,Beijing ㊀100013,China ;3.Coal Mining and Desig-ning Department ,Tiandi Science &Technology Co.,Ltd.,Beijing ㊀100013,China ;4.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization ,Beijing ㊀100013,China ;5.Kouzidong Mine ,Xinji Energy Co.,Ltd.,China National Coal Group Corp.,Fuyang ㊀236153,China )Abstract :In order to study the deformation failure characteristics of fractured deep coal-rock mass with high in-situstress and its modification strengthening mechanism,firstly,the in-situ stress distribution characteristics of coal-rockmass with buried depth about 500m and 1000m were tested by means of small borehole hydraulic fracturing method第3期李文洲等:深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究in field.The in-situ stress characteristics in different buried depths,coal-rock mass rupture strength and its typical fracture features were studied by comparative analysis.The Mohr envelopes formula of fractured coal-rock mass with different buried depths were put forward.The deformation characteristics of coal-rock mass fractures with different an-gles and different stress levels in different buried depths were studied through numerical simulation,and the main in-fluence factors for coal-rock modification strengthening with deep buried depth were discussed based on the relation-ship between the strain energy release rate of fracture development and specific absorption rate.The cantilever beam mechanical model was built,and then the relationship between fracture propagation critical load and different fracture angles was analyzed through Griffith fracture failure criterion.With field testing and numerical simulation results,based on the rupture strength statistic analysis of coal-rock mass with different buried depths and technology and equipment required,the modification strengthening principles of fractured deep coal-rock mass and its relevant modification pres-sure critical range were put forward.Based on the above-mentioned achievements,the underground testing was conduc-ted in working face roadway of1000m deep coal mine,and the fully process modification and strengthening grouting pressure curve was derived.The grouting diffusion in different modification and strengthening phases of fractured coal-rock mass were analyzed,the maximal grouting pressure was no less than30MPa,and its normal scope was15MPa to 20MPa.All of the results were accord with the criteria that put forward above.The grouting stone features from sizes2 to20μm were verified by field sampling and laboratory SEM testing,the elastic modulus effect of interface between coal-rock mass and grouting stone was analyzed by means Nano indentation test,the modification strengthen was veri-fied as good from macros to micro size.Key words:deep mining;fractured coal-rock mass;deformation and failure mechanism;high-pressure grouting;modifi-cation and strengthening testing;in-situ stress㊀㊀随着煤炭资源的开发和利用,煤矿开采逐步向深部发展㊂相比浅部矿井,深部矿井地应力水平越来越大,煤岩体裂隙发育㊁在高应力作用下软岩特性也越来越突出[1-4],深部巷道掘进后,短期内围岩变形明显㊂煤岩体内部节理㊁层理㊁裂隙等结构面很大程度上决定着煤岩体的强度和变形特征,而煤岩体的应力环境又对煤岩体的结构及煤岩体中裂隙变形破坏起着决定性作用,煤岩体内部裂隙的扩展及破坏,将造成煤岩体整体强度下降,进而造成锚杆锚索锚固力急剧下降乃至失效,对矿井巷道安全造成严重影响;且工作面中煤岩体裂隙发育强度弱化及地质构造等也将对工作面智能化回采造成影响,将严重制约我国煤矿工作面回采及巷道掘进的智能化进程[5]㊂多年来矿井破碎煤岩体注浆试验,一定程度上解决了破碎煤岩体加固及锚杆锚索锚固力不足的问题,针对浅部矿井形成了较为完整的煤岩体加固的支护方式㊁注浆材料及相关工艺等,但浅部煤岩体注浆多为浅孔低压模式[6-8]㊂面对深部矿井地应力水平高㊁煤岩体裂隙开度较小㊁围岩大变形造成锚杆锚索失效等新问题,采用常规的锚杆锚索支护配合低压浅孔注浆,无法达到预期的围岩控制效果[9-13]㊂国内外学者对深部矿井裂隙煤岩体的诸多问题,如地应力分布特征㊁煤岩体体物理力学特性㊁变形特征及控制方法等进行了大量的实验研究[14-21]㊂但针对深部矿井高应力环境下煤岩体改性强化参数的确定及相关机理的研究较少,为更好地对深部矿井巷道围岩进行支护,康红普院士针对深部矿井高应力㊁大变形围岩与支护相互作用机理,提出了 支护-改性-卸压 协同控制原理,为深部矿井裂隙煤岩体改性强化研究提供了指导[5]㊂笔者在对不同埋深地应力分布特征实测及煤岩体裂隙发育特点对比分析的基础上,采用数值模拟对不同应力水平不同裂隙倾角煤岩对裂隙煤岩体变形破坏特征进行了详细研究;通过建立煤岩体裂隙悬臂梁理论模型,对煤岩体变形破坏影响因素及改性强化机理进行了分析研究;提出了深部高应力裂隙煤岩体高压注浆改性强化相关工艺参数和指导原则㊂通过现场试验,裂隙煤岩体改性强化效果良好,围岩控制效果得到明显提高,对煤矿巷道及工作面智能化的推进奠定较好的地质先决条件,也为我国深部煤炭资源开发提供强有力的理论与技术支撑㊂1㊀不同埋深地应力及裂隙分布特征1．1㊀不同埋深地应力分布特征煤岩体赋存的应力环境是决定煤岩体结构的主要因素,为了更好地对深部高应力水平裂隙煤岩体变319煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷形破坏特征及改性强化机理进行研究,采用小孔径水压致裂法对埋深500m左右和1000m左右裂隙煤岩体地应力分布特征进行了实测对比分析,不同测点地应力测试结果见表1㊂表1㊀不同测点地应力测试结果Table1㊀In-situ stress testing results of different testing points煤矿测点σH/MPaσh/MPaσV/MPa主应力方向破裂压力/MPa(σH-σh)/MPa(σH+σh)/σVσH/σh H/m第1测点20．7311．0022．21N17．3ʎW15．959．730．711．88905第2测点19．7710．3522．17N21．7ʎW12．109．420．681．91904第3测点20．5811．2723．85N35．8ʎW24．509．310．671．83970口孜东煤矿第4测点23．4512．8923．82N48．4ʎW16．0110．560．761．82970第5测点19．7010．6824．03N19．5ʎW24．609．020．631．84976第6测点21．8411．4224．00N41．5ʎW14．1710．420．691．91976第7测点21．4311．1523．89N20．9ʎW14．9110．280．681．92976第8测点35．6718．5431．28N39．9ʎW20．8417．130．871．921251孙村煤矿第9测点35．8219．0531．48N16．9ʎE24．6816．770．871．881259第10测点39．1321．0331．78N11．3ʎE24．8218．100．951．861271第11测点29．3414．7431．85N60．7ʎW19．0414．600．691．991274华丰煤矿第12测点30．1916．8231．85N46．8ʎE25．4613．370．741．791274第13测点31．1916．7431．78N67．7ʎW19．3214．450．751．861271第14测点13．277．4011．90N44．7ʎW16．505．870．871．79487常村煤矿第15测点12．937．1112．40N42．1ʎW22．565．820．811．82499第16测点13．176．8512．70N37．3ʎW9．036．320．791．92525第17测点12．826．9113．43N44ʎW14．405．910．731．86549㊀㊀注:σH,σh,σV分别为最大㊁最小和垂直主应力,MPa;H为埋深㊂㊀㊀其中,埋深500m左右实验地点选取山西潞安常村煤矿,共布置4个测站,分别布置在23采区运输巷300m处,埋深487m,23采区1号回风巷850,1400, 2000m处,埋深分别为499,525,549m㊂埋深1000m左右实验地点选取安徽口孜东矿㊁山东孙村矿和华丰矿,共布置13个测站,其中口孜东矿7个测站,布置在121304工作面回风巷,埋深905m; 121303工作面运输巷,埋深904m;西翼回风巷585, 690m处,埋深1050m;西翼运输巷500m处,埋深976m㊂西轨道大巷960和800m处,埋深976m;孙村矿3个测站,布置在-1100水平一采区轨道大巷,埋深1251m㊂-1100水平二采区轨道下山回风巷道,埋深1259m㊂-1100三采区轨道下山联络巷,埋深1271m㊂华丰矿3个测站,布置在-1180水平大巷左掘进工作面,埋深1274m;-1180水平胶带井硐室,埋深1274m;-1180水平大巷掘进工作面,埋深1271m㊂通过不同埋深共17个点地应力测试数据对比分析,得出地应力随深部变化规律曲线,如图1所示㊂通过图1可看出埋深1000m左右时,最大㊁最小水平主应力变化分别为19．70~39．13MPa, 10．35~21．03MPa,垂直主应力大小变化为22．17~图1㊀地应力随深度变化曲线Fig．1㊀Monitoring curves of in-situ stress with depth 31．85MPa㊂最大最小水平主应力与垂直主应力随深度基本呈线性增长关系㊂最大水平主应力随深度变化规律拟合公式为σH=0．0272H-2．5878,R2=0．8659(1)㊀㊀最小水平主应力随深度变化规律拟合公式为σh=0．0143H-1．1484,R2=0．8540(2)㊀㊀以上测点最大水平主应力优势方向为北偏西,通过不同深度地应力测试数据分析可为不同埋深煤岩体应力特点分析提供指导,而煤岩体中平均水平主应力与垂直主应力的比值及最大水平主应力与最小水419第3期李文洲等:深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究平主应力的比值也是煤岩体裂隙形成和扩展的主要影响因素㊂不同应力比值曲线如图2所示㊂图2㊀不同应力比值曲线Fig．2㊀Ratio curves of different stresses最大最小水平主应力差5．82~18．10MPa,深部最大水平主应力与最小水平主应力差值为5．82~18．10MPa,深部最大水平主应力与最小水平主应力差值为9．02~18．10MPa,最高18．10MPa,平均水平主应力与垂直主应力比为0．63~0．95,最大水平主应力与最小水平主应力比为1．79~1．99㊂通过浅部和深部矿井地应力测试数据分析,根据摩尔库伦准则,拟合得到了不同埋深煤岩体摩尔强度包络线公式为τ=0．1837σ+3．84,R 2=0．8763(3)其中,τ为剪应力,MPa;σ为正应力,MPa㊂深部煤岩体摩尔强度包络线如图3所示,其中红色为浅部煤岩体摩尔圆,蓝色为深部煤岩体摩尔圆㊂图3㊀不同埋深煤岩体摩尔强度包络线Fig．3㊀Mohr envelopes of coal-rock mass in different depth通过以上分析得出:我国深部矿井裂隙煤岩体最大水平主应力最大约为最小水平主应力的2倍,最大最小水平主应力最大差值达到了18MPa,较大的主应力差导致剪应力水平较大,造成煤岩体剪胀效应明显,更易造成裂隙的形成及扩展,且深部高应力条件下煤岩体软岩特性明显,受采动等叠加因素影响,煤岩体裂隙进一步扩展发育,造成裂隙煤岩体强度进一步下降,围岩强度弱化明显,进而诱发支护锚固失效,围岩大变形等㊂1．2㊀深部煤岩体典型裂隙特征煤岩体裂隙可根据宽度分为密闭裂隙(<1mm);微张裂隙(1~3mm);张开裂隙(3~5mm);宽张裂隙(>5mm)等,通过对深部裂隙煤岩体结构调查,其典型裂隙特征如图4所示㊂巷道围岩浅部主要以环状离层为主,深部主要为细小㊁封闭裂隙㊁微张裂隙为主㊂受高应力㊁采动等因素影响,煤岩体内部裂隙经历变形启动㊁变形扩张㊁贯通,形成裂隙网络,最终导致煤岩体扩容膨胀㊂图4㊀深部煤岩体裂隙典型特征Fig．4㊀Typical features of fractures in deep煤岩体裂隙率对煤岩体力学性能的控制要远大于材料本身,裂隙网络的形成将引起煤岩体完整性急剧降低,锚杆锚索预应力扩散效果差,造成围岩控制效果差㊂图5㊀不同倾角裂隙数值模型Fig．5㊀Number model with different angle fractures2㊀不同应力水平裂隙煤岩体变形特征2．1㊀不同倾角裂隙变形特征煤岩体中裂隙网络的形成是基于应力环境的随机系统,其中主应力差是主要影响因素,裂隙网络具备分形特征,裂隙网络的形成是多个不同倾角裂隙扩展贯通的相互叠加㊂为了对煤岩体中不同倾角裂隙变形特征进行分析,以煤岩体单一裂隙为例,在对不同埋深地应力分布特征及裂隙特点分析的基础上,采用UDEC6．0数值模拟软件研究了不同倾角裂隙煤岩体变形破坏特征,其数值模型如图5所示㊂519煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷图5(a)中数字为不同角度裂隙,图5(b)中α为裂隙倾角㊂模型宽度50mm,高度100mm㊂根据实测地应力数据,施加相关应力,量测施加梯度水平应力,底部垂直位移固定㊂以模型中点为圆心,按裂隙倾角15ʎ,30ʎ,45ʎ,60ʎ,75ʎ,90ʎ,105ʎ,120ʎ,135ʎ,150ʎ,165ʎ,180ʎ及不同埋深应力水平,共建立24个模型,对煤岩体裂隙变形特征及其影响因素进行研究㊂煤岩体物理力学参数见表2,其物理力学参数通过实验室单轴压缩试验并通过现场围岩结构GSI 分类折减后取得㊂不连续结构面力学参数见表3㊂表2㊀数值模型煤岩体力学参数Table 2㊀Coal and rock mechanical properties岩性E /GPa νUCS /MPa GSI M C /MPa φ/(ʎ)σt /MPa 砂质泥岩17．500．2547．105672．35290．24㊀㊀注:E 为弹性模量;ν为泊松比;UCS 为单轴抗压强度;GSI 为岩体表面质量指标;M 为岩石三轴常量;C 为黏聚力;φ为摩擦角;σt 为抗拉强度㊂表3㊀数值模型煤岩体结构面力学参数Table 3㊀Mechanical properties of coal and rock structural plane岩性K n /(GPa㊃m -2)K s /(GPa㊃m -2)φJ /(ʎ)C J /kPa σJ /kPa 砂质泥岩20．008．003838090㊀㊀注:K n 为节理法向刚度;K s 为节理剪切刚度;φJ 为节理内摩擦角;C J 为节理黏聚力;σJ 为节理抗拉强度,模型采用摩尔-库伦破坏准则进行描述㊂㊀㊀相同应力不同裂隙倾角最大水平主应力和裂隙周围塑性区分布如图6,7所示㊂图6㊀不同倾角裂隙煤岩体最大主应力Fig．6㊀Maximum principal stress under differentangles图7㊀不同裂隙倾角裂隙周围状态Fig．7㊀Simulated block state patterns of fractures随着裂隙倾角增加,裂隙倾角为90ʎ时,最大水平主应力和裂隙周围塑性破坏区呈现对称状态㊂裂隙倾角逐渐增大时,裂隙周围拉应力集中区由裂隙两端较小区域逐渐扩展到中部较大面积区域,随后逐渐减小;而主压应力集中区则相反㊂裂隙倾角为45ʎ时,裂隙端部同时存在拉应力和剪应力集中区,裂隙倾角<60ʎ和>120ʎ时,裂隙周边主应力逐渐减小;裂隙倾角为90ʎ时,裂隙两端应力差较大,易造成裂隙张开或顺向错动,从而造成煤岩体破坏㊂相同裂隙倾角不同应力水平裂隙长度方向垂直应力曲线如图8所示㊂以裂隙倾角45ʎ为例,当倾角相同时,随着应力水平增大,深部煤岩体裂隙周边应力区明显大于浅部,裂隙端部应力集中区也更大,更易发生剪切扩容,形成剪胀效应,裂隙扩展两翼成对称分布,以主应力方向为渐近线朝轴力方向延伸线㊂当地应力水平一定时,裂隙扩展后,将保持稳定㊂裂隙倾角为90ʎ时,最大最小水平主应力差对裂隙扩展至关重要,深部最大最小水平主应力差高达18．1MPa,最大水平主应力最大约为最小水平主应力的2倍,受主应力差影响,裂隙剪胀效应导致围岩弱化特性明显㊂2．2㊀不同应力水平裂隙改性机理分析通过对深部煤岩体裂隙发育情况的调查,为了探讨深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素,取厚度为T 受均匀拉应力σ1的煤岩体进行分析,假设煤岩体在拉应力作用下生成长度为L 的裂隙,则煤岩体释619第3期李文洲等:深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究图8㊀不同应力状态相同裂隙倾角垂直应力曲线Fig．8㊀Vertical stresses curves with different dip angles放的应变能为U =πσ21L 2T 4E(4)式中,U 为生成长度L 裂隙释放的应变能,J;σ1为拉应力,MPa;L 为裂隙长度,m;T 为煤岩样厚度,m㊂裂隙扩展需吸收的能量为S =2LTr(5)式中,S 为生成长度L 裂隙吸收的应变能,J;r 为表面能,J /m 2;2LT 为裂隙上下两表面面积和,m 2㊂根据应变能释放率与能量吸收率间的关系,可以确定裂隙是否处于稳定状态,即可得裂隙扩展临界应力σcr 表达式为σcr =4Er πL(6)㊀㊀根据剪切模量和弹性模量关系E =2G τ(1+ν),可得σcr =8G τ(1+ν)rπL(7)式中,G τ为剪切模量,GPa㊂通过上述分析,可以得知当裂隙长度一定时,其泊松比㊁表面能是不变的,裂隙扩展临界载荷和剪切模量G τ相关,而煤岩体变形和裂隙闭合程度和表面粗糙度又进一步影响其剪切刚度,因此煤岩体改性机理应主要从裂隙剪切刚度㊁垂直刚度㊁内摩擦角㊁黏聚力等进行分析㊂(1)只改变裂隙的剪切刚度和垂直刚度,将其减小到接近为0,裂隙周边应力分布及塑性区状态如图9所示㊂图9㊀裂隙周边应力分布及状态Fig．9㊀Simulated different stresses and block state改性前后裂隙周边主应力水平及区域变化较大,应力集中区大小显著降低,两端主应力水平明显降低,裂隙周边应力状态明显得到改善㊂裂隙煤岩体改性前后裂隙长度方向垂直应力曲线如图10所示,改性后裂隙长度范围承载力大小提高为改性前的1．30~12．20倍㊂图10㊀改性前后裂隙长度垂直应力曲线Fig．10㊀Vertical stress curves before and after modification(2)只改变裂隙内摩擦角,将其减小到接近为0,裂隙周边应力分布及塑性区状态如图11所示㊂改性前后裂隙周边最大主应力状态变化不大,裂隙两端及裂隙中部应力分布范围变化也较小㊂改性前后裂隙719煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷长度方向垂直应力曲线如图12所示,改性后裂隙长度范围承载力提高为改性前1．04~1．66倍㊂图11㊀裂隙周边应力分布及状态Fig．11㊀Simulated different stresses and block state图12㊀改性前后裂隙长度垂直应力曲线Fig．12㊀Vertical stress curves before and after modification(3)只改变裂隙参数黏聚力和拉应力,将其减小到接近为0,最大水平主应力和塑性区状态如图13所示,改性后裂隙长度范围承载能力提高较小,改性前后裂隙周围主应力水平及分布区域变化不大,裂隙两端煤岩体应力状态没有得到明显改善㊂改性前后裂隙长度垂直应力曲线如图14所示㊂改性后煤岩体裂隙长度范围承载能力提高为改性前的1．04~1．16倍㊂通过以上分析可以得知,对裂隙煤岩体改性影响最大的为裂隙剪切刚度和垂直刚度,其次为内摩擦角,最后为黏聚力和拉应力,即深部裂隙煤岩体改性强化的重点是提高煤岩体内部裂隙的垂直刚度和剪切刚度,但裂隙内摩擦角和黏聚力又直接影响裂隙的剪切刚度和垂直刚度,而剪切刚度随裂隙闭合度及围图13㊀裂隙周边应力分布及状态Fig．13㊀Simulated different stresses and block state图14㊀裂隙煤岩体改性前后垂直应力曲线Fig．14㊀Vertical stress curves before and after modification岩性质变化而变化㊂对深部裂隙煤岩体进行改性强化,则需要相对浅部更高的注浆改性强化压力,因此深部高应力裂隙煤岩体改性强化机理应是通过高压力配合注浆材料对裂隙煤岩体进行原位力学性能强化,消除裂隙端部应力集中,改变裂隙周围的应力状态,提高裂隙煤岩体的完整性,贯通作用范围内封闭半封闭裂隙,实现裂隙煤岩体结构重塑,转换破坏机制,进而达到提高煤岩体整体控制效果的要求㊂3　煤岩体裂隙模型及力学特征为了对煤岩体裂隙变形破坏特征进行分析,建立煤岩体裂隙理论模型,如图15所示㊂为了对裂隙扩展进行分析,将裂隙简化为悬臂梁,裂隙长度为2L ,则悬臂梁长度等于此裂隙长度的一半L ,受力示意如图16所示㊂通过材料力学可得819第3期李文洲等:深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究l 2=FL 3cos α3EI (8)I =BH 3g12(9)式中,F 为模型竖直方向受力,kN;α为裂隙与水平方向夹角,(ʎ);L 为一半裂隙长度,m;I 为惯性距,m 4;B 为悬臂梁宽度;H g 为悬臂梁高度,m;l 为裂隙总位移,m㊂图15㊀裂隙理论模型Fig．15㊀Fracture theoretical model图16㊀裂隙悬臂梁模型及受力示意Fig．16㊀Fracture mechanics model当裂隙的长度由L 增加到L +d L 时,系统刚度会随之降低㊂因此,裂隙宽度l 也会增至l +d l ㊂此时拉力和位移的关系如图16(b)所示㊂这里OA 和OB 分别为裂隙一半长度L 和L +d L ㊂F cos α与l 成正比,在恒拉力F cos α的作用下,释放的能量d(W -U )即为图中ΔOAB 的面积(阴影部分)㊂即d(W -U )=F cos α2d l(10)式中,W 为外力所做的功;U 为应变能㊂㊀㊀对式(8)进行微分可得d l =2FL 2cos αEId L(11)㊀㊀将式(11)代入式(10)可得d(W -U )=F 2L 2cos 2αEId L (12)㊀㊀根据Griffith 判据G =2r s ,在裂纹扩展的过程中,能量在裂端区释放出来,释放的能量将用来形成新的裂纹㊂G =1B d(W -U )d L =L 2F 2cos 2αEBI =L 212F 2cos 2αEB 2H3=2r s(13)式中,G 为能量释放率,N /m;r s 为表面自由能,J /m 2㊂G =12F 2L 2cos 2αEB 2H 3(14)即裂隙扩展临界拉力F cr 为F cr =EB 2H 3r s 6L 2æèöø1/21cos 2αæèöø1/2(15)㊀㊀通过上式可得深井裂隙煤岩体裂隙扩展临界载荷,除与煤岩体的性质相关外,还与裂隙的倾角相关,当裂隙确定时,令EB 2H 3r s 6L 2æèöø1/2=n (16)㊀㊀则裂隙扩展临界拉力F cr 可表示为F cr =n 1cos 2αæèöø1/2(17)㊀㊀裂隙不同倾角临界载荷变化趋势曲线如图17所示㊂图17㊀裂隙临界载荷随角度变化趋势Fig．17㊀Critical load curves with different fracture angle通过以上分析可得,当拉力不变时,裂隙扩展为失稳扩展㊂当裂隙角度为90ʎ时,即裂隙方向和垂直应力方向相同,函数存在奇异性,煤岩体在裂隙贯通后表现为未切冒效应,因此煤岩体改性强化前需对围岩裂隙结构及其优势方向进行详细调查,以确定相关改性强化参数㊂919煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷4㊀煤岩体改性强化参数及现场试验4．1㊀裂隙煤岩体改性强化原则为了提出深部裂隙煤岩体的改性强化原则,在前期地应力测试基础上,对埋深1000m 左右共13个测点煤岩体破裂压力进行了统计分析,其中口孜东矿7个测点,破裂压力分别为15．95,12．10,24．50,16．01,24．60,14．17,14．91MPa,平均值17．50MPa;孙村矿3个测点,破裂压力分别为20．84,24．68,24．82MPa,平均值23．40MPa;华丰矿3个测点,破裂压力分别为19．04,25．46,19．32MPa,平均21．30MPa㊂最大25．46MPa,最小12．10MPa,不同埋深煤岩体地应力测试压力曲线如图18所示,曲线中首次达到的峰值为破裂压力㊂通过以上分析,深部裂隙煤岩体改性强化既要保证浆液的有效扩散,对煤岩体浅部裂隙进行有效充填,又要对深部封闭㊁半封闭裂隙进行贯通扩展,形成有效的煤岩体浆液固结体支撑网络,尽量恢复煤岩体的完整性,又要防止对煤岩体造成进一步破坏,因此裂隙煤岩体改性强化压力取值最大应为25~30MPa㊂图18㊀不同埋深煤岩体地应力测试压力曲线Fig．18㊀In-site stress testing curves in different buried depth在对不同埋深煤岩体应力状态及裂隙变形破坏特征分析的基础上,提出采用分段分压高压注浆的方式对深部裂隙煤岩体进行改性强化处理,其改性强化工艺及装备应符合以下原则:①要对深部高应力裂隙煤岩体进行有效改性强化,首先必须考虑深部煤岩体的应力结构特征,包含地应力特征及相应应力环境下裂隙分布特征,并对优势裂隙方向进行调查分析;②在对煤岩体内部裂隙的分布特征开度㊁尺寸等调查的基础上,确定合适的注浆压力,保证微张裂隙的扩展扩充劈裂贯通及充分加固,以形成有效的浆液固结体承载网络结构;③根据现场施工条件,确定系统压力损失,改性强化压力最高不宜超过30MPa;④考虑现场地质构造等因素,根据注浆孔钻进变形情况,确定相应封孔及卸压工艺,以确保改性强化工艺装备的安全性和可靠性㊂4．2㊀现场试验4．2．1㊀试验点概况试验地点选取千米深井工作面巷道,试验工作面巷道布置如图19所示㊂该试验工作面东部边界为断层,西部边界为采区准备巷道,北部边界为未布置工作面,南部边界为上一工作面采空区,工作面煤柱宽度25m,该工作面回采期间巷道变形严重,巷道宽度4．5m,高度4．1m,埋深超过1000m,直接顶为泥岩及煤线组成复合顶板,厚度4．5~9．3m,平均厚度7．3m,普氏系数4．2㊂基本顶为细砂岩,厚度3．0~5．2m,平均厚度4．3m,普氏系数8．3㊂图19㊀试验点布置Fig．19㊀Layout of testing position该试验工作面区域煤层顶板上方100m 范围内未发现厚度超过10m 的坚硬砂岩层㊂直接底由泥岩及煤线组成的复合底板,厚度1．9~7．4m,平均厚度5．5m,普氏系数3．2㊂基本底为砂质泥岩,厚度1．2~4．2m,平均厚度2．7m,普氏系数7．3㊂4．2．2㊀现场试验及效果分析现场试验注浆孔采用9个㊁6个隔排布置,每排9个注浆孔时,煤柱侧注浆孔长度18m,两帮侧底角侧注浆孔距离底板0．31m,垂直帮部往下偏转5ʎ,中部孔垂直帮部打设,上部孔垂直帮部往上偏转8ʎ,顶板及工作面侧帮注浆孔深部10m,工作面注浆孔角度同煤柱帮㊂每排6个注浆孔时,煤柱侧孔深18m,帮部注浆孔垂直帮部分别向上向下偏转4ʎ,顶板及工作面侧帮部注浆孔深10m㊂通过现场试验获得了裂隙煤岩体改性强化全过程压力曲线,如图20所示㊂裂隙煤岩体改性过程中部分位置峰值改性压力达到了30MPa,结合煤岩体29。

农业土壤重金属污染原位修复技术牛明芬;胡思雨;史奕;马建【摘要】农业土壤重金属污染是土壤环境安全研究的热点问题之一,它影响食品安全,威胁人类健康.农业重金属土壤污染以中低浓度污染为主,对其修复的要求不同于一般重金属修复,需满足农用条件的要求.本文从农业土壤重金属污染特点入手,综述了国内外农业土壤重金属防治技术上已有的一些方法与实践,对以土壤原位修复为主的各类农业土壤原位修复技术的优势和局限性进行了比较,分析了物理修复、化学修复、生物修复和联合修复等几类农业土壤原位修复方法的优缺点,对农业土壤原位修复技术发展进行了展望.【期刊名称】《土壤与作物》【年(卷),期】2018(007)004【总页数】10页(P439-448)【关键词】农业土壤;重金属污染;原位修复技术【作者】牛明芬;胡思雨;史奕;马建【作者单位】沈阳建筑大学市政与环境工程学院, 辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学市政与环境工程学院, 辽宁沈阳110168;中国科学院沈阳应用生态研究所, 辽宁沈阳110016;中国科学院沈阳应用生态研究所, 辽宁沈阳110016【正文语种】中文【中图分类】S155.40 引言土壤环境安全已成为不容忽视的生态环境问题，其中农业土壤重金属污染是土壤环境安全的重要问题之一。

我国受重金属污染耕地面积占总耕地面积的1/5，每年因土壤重金属污染造成的粮食损失达200亿元[1]。

农业土壤重金属污染来源多样，重污染厂矿生产活动、农业污水灌溉、农药的不合理使用和电子垃圾等均能造成农业土壤重金属污染。

重金属污染物进入土壤后难降解、难迁移、易累积，这使重金属污染的土壤具有明显区域性，并具有隐蔽、不可逆和不易发觉的特点。

重金属对土壤的微生物种类、群落结构均能产生有害影响，导致土壤肥力下降[2]，干扰农作物的正常生长进度，引起农作物减产。

重金属污染物还能通过食物链的传导，在动物和人体内积累，对生态环境、食品安全和人体健康构成严重威胁[3]。

项目名称：深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论首席科学家：谢和平四川大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部二、预期目标（一）总体目标针对我国煤炭开采的“深部（高应力、高瓦斯、强吸附性）、高强、低渗”的三大突出特征，揭示深部采动含瓦斯煤岩体宏、细观表征及裂隙演化规律、瓦斯吸附、解吸、运移及物质流动规律，发展和完善深部应力场-裂隙场-瓦斯场耦合的时空演化规律及分布规律，建立深部强卸荷条件下瓦斯富集和导向流动的形成机制及深部煤与瓦斯共采的时空协同机制，形成我国科学性、有效性、针对性的深部煤与瓦斯共采理论体系和技术方法，为深部煤炭资源的安全、高效、洁净开发和可持续发展提供科学依据和理论基础，促进相关学科的发展。

在国内外核心学术期刊发表论文150 篇以上，其中SCI、EI 收录论文120篇以上，有重要国际影响的论文30 篇以上，出版著作6～7 部。

申请专利8～10项。

在深部煤与瓦斯共采研究领域，取得一批具有国际影响的研究成果。

培养博士后、博士生和硕士生70～90 名，凝聚和培育国内一批高水平研究队伍，培养本领域的优秀科学家及创新团队。

建立国内一流深部煤矿煤与瓦斯共采理论和工程实践的研究平台，完成1～2 个深部煤矿煤与瓦斯共采的示范工程，为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。

（二）五年预期目标（1）揭示深部开采下破断煤岩体的结构特征及联通性规律揭示深部高强集约化生产条件下含瓦斯煤岩体在实验室尺度下的破断结构特征、深部采动煤岩体裂隙网络的尺度特征；获得采动煤岩体块度分布、裂隙网络的尺度特征及演化机制、不同工作面推进度条件下采动煤岩体块度分布、裂隙网络尺度律的时空演化规律；建立采动煤岩体块度与裂隙网络演化模型、深部煤岩体采动裂隙场的生成理论，并发展相应的反演方法。

（2）建立深部裂隙煤岩体瓦斯吸附、解吸及物质流动理论揭示不同破断煤岩体内瓦斯的变压吸附特性和瓦斯在不同破断程度煤岩体中的解吸扩散规律；建立描述高压瓦斯平衡状态与吸附解吸过程的平衡模型和动力学模型；建立破断煤岩体中瓦斯非稳态流动数学模型；应用密度泛函理论(DFT)等分子模拟技术，从分子尺度和介观尺度揭示多级孔隙结构深部破断煤岩体中高压瓦斯的吸附解吸机理。