勘探技术与地质钻探学国家自然科学基金项目资助分析

2013年举行的地质工程(探矿工程方向)基础研究战略研讨会提出了应努力将探矿工程学科列入国家自然科学基金资助范畴。令人欣喜的是,2014年国家自然科学基金委员会正式将探矿工程学科纳入资助方向,并命名为"勘探技术与地质钻探学(D0219)",具有历史性意义。本文对2015年、2016年勘探技术与地质钻探学方向及相近学科资助项目情况进行了分析,获取了资助单位、经费、项目类型、立项内容等规律,指出今后一段时期申报数量总体上会逐年增加,特别是青年基金项目。同时,分析了本学科当前基金申请所面临的主要挑战。     

基于光滑有限单元法的土石坝无压渗流场数值模拟

获得自由面准确位置是无压渗流分析中最被关注的问题。采用光滑有限元法对土石坝无压渗流场进行数值模拟,对不同模型的自由面位置进行求解,研究了渗透异常体对自由面和渗流参数的影响。根据梯度光滑技术,建立了无压渗流问题的光滑有限元模型,该方法的优势在于将单元面积分优化为沿单元边界的线积分,简化了边界相交单元的内部积分过程,降低了单元畸形对计算结果的影响。通过将矩形均质坝和梯形均质坝的经典算例计算结果和其他数值方法的结果进行对比,说明了本文提出的方法的可行性。进一步研究了不同的渗透率异常体对水头分布、渗流速度和流体压力等渗流参数的具体影响,这些结果为利用渗流参数分布的变化反演渗透异常体位置,以及进行土石坝多场耦合提供了理论依据和可行策略。     

高抗硫酸盐水泥稳定浆液的研究与应用

以高抗硫酸盐水泥浆液为研究对象,研究了膨润土、羟丙基甲基纤维素、LA分散剂以及减水剂对浆液性能的影响,得出了漏斗粘度低、析水率小和结石体强度满足设计要求的高抗硫酸盐水泥稳定浆液配方。试验表明:通过添加膨润土和羟丙基甲基纤维素可以降低浆液的析水率、增加浆液的粘度,添加减水剂虽然降低了浆液的漏斗粘度,但是增大了浆液的析水率,而且伴有分层现象发生,而添加LA新型分散剂可以降低浆液的漏斗粘度,且不会增大浆液的析水率。     

直推钻进钻遇有机污染地层微观特征试验研究

直推钻进技术具有无冲洗介质、速度快、扰动小等优点,但是易受到有机污染场地土体工程性质差异等因素干扰,造成钻孔倾斜等现象。有机污染物会改变土体微观结构,导致土体工程性质发生变化,进而降低直推钻进取样点位精度。选取典型的有机污染物甲苯和四氯乙烯,制备不同污染浓度（甲苯浓度：75、120和672 mg/kg;四氯乙烯浓度：11、53和183 mg/kg）的土样来模拟钻遇的有机污染地层。通过XRD、扫描电镜、接触角和低温氮气吸附脱附试验探究土样在不同有机污染物浓度影响下微观结构的变化规律。SEM图像分析与氮气吸附脱附试验结果表明：甲苯、四氯乙烯对土样的包裹作用和化学破坏作用会让土颗粒团聚、比表面积减小、小孔隙数量明显增多、土体孔体积减小;其中粘粒含量最高为30.28%的2号土样在受672 mg/kg甲苯和183 mg/kg四氯乙烯污染后比表面积分别减小了30.70%和33.40%,Pearson相关系数r=0.382说明粘粒含量与比表面积减小率存在一定的正相关性。由于非极性分子甲苯、四氯乙烯对土颗粒的包裹作用,隔绝了土样的亲水性基团,导致土样亲水性变差、接触角增大。本研究表明有机污染物会导致土体微观特征的改变,最终会导致有机污染地层非均质性增强,进而会对直推钻进轨迹产生影响。     

高液限花岗岩残积土路用特性试验研究

取湖南某高速公路路基土样进行室内试验,研究花岗岩残积类高液限土的路用特性。通过XRF荧光光谱、XRD粉晶衍射和薄片鉴定实验,分析该类高液限土的成分及结构,发现细粒片状云母等矿物与细粒状的黏土矿物相互作用是其特殊性质的主因。研究击实功、含水率对高液限花岗岩残积土的击实指标、压实度、CBR强度的影响规律,并探究泡水4 d后土样状态参数的变化。结果表明：中、低含水率分别与大、小击实功组合,该类土更密实,适合直接填筑;击实功影响下的CBR曲线峰值变化与击实曲线相反;对比泡水4 d前后CBR强度变化,建立该类土CBR强度损失率与泡水前含水率的关系,为高液限花岗岩残积土工程应用提供借鉴。     

基于ANSYS的压密注浆桩半径与注浆压力关系的研究

采用ANSYS数值模拟软件和Drucker-Prager屈服准则,进行合理的假设并建立压密注浆桩在土体中的压密模型;在工程中常用的压力范围内,通过改变注浆压力的大小,模拟注浆压力对压密注浆桩半径的影响,研究压密半径随注浆压力的变化规律,并采用曲线拟合得到压密半径与注浆压力的关系式。结合现场压密注浆桩试验,得到与数值模拟基本一致的结论,所得的成果可为现场施工提供理论参考。     

复合膏浆渗透扩散的二维离散元模拟分析

针对现有注浆理论难以对岩土体中的浆液在空隙及裂隙通道网络中的真实扩散规律进行准确描述的问题,本文从连续性方程的角度出发,运用二维颗粒流程序(PFC2D)建立数值模型,模拟研究注浆压力、注浆时间及砂卵石层渗透系数对复合膏浆在砂卵石层渗透扩散过程中的扩散半径的影响,总结规律并利用非线性拟合得出各因素与复合膏浆渗透扩散半径间的关系式。结合现场注水试验及开挖结果,得到与模拟基本一致的结果,所得成果可为工程施工提供一定的理论支撑和指导。     

煤矿井下CO来源辨识与浓度超限原因研究——以内蒙古串草圪旦煤矿为例

为准确辨识井下CO来源,查明CO异常涌出与浓度超限原因,更好指导煤矿安全生产工作。以内蒙古串草圪旦煤矿为研究实例,统计了该矿井下6103、6104和6106工作面1059个气样组分测试数据,分析了采煤工作面、密闭采空区CO浓度变化特征,确定了井下CO主、次要来源,探讨了地质因素、工程因素对CO浓度超限的影响。研究结果表明:所有统计气样中,CO与O₂浓度具有较好的负相关性,CO浓度超限主要在工作面上隅角、支架、密闭采空区等通风条件较差的位置;CO主要来源于煤炭开采氧化自燃,局部存在煤天然氧化次生CO;开采煤层埋藏浅、小型逆断层发育及煤变质程度低是CO浓度超限的地质原因;工作面长度过大,通风方式不合理是CO浓度超限的工程原因;地质与工程因素共同作用下,煤炭开采氧化自燃CO与天然次生CO叠加涌出,导致在风流速度低的位置CO积聚而引起井下CO浓度超限。     

江东金矿床黄铁矿矿物学和微量元素特征对成矿过程的指示

江东金矿床位于湘东北地区万古金矿田,赋存于新元古代冷家溪群浅变质岩中,矿体受NW向断裂控制,金资源量约12.9 t,成矿规模大,能有效代表万古金矿田的成矿特征。目前,对于该矿床细致的矿相学、元素地球化学以及金的富集机制研究相对较少,限制了对其成矿过程的理解。本文在野外地质工作的基础上,对江东金矿床的成矿阶段进行了划分,通过背散射图像和LA-ICP-MS微区原位分析,获得江东金矿床不同世代黄铁矿的微量元素特征。研究表明,江东金矿床成矿阶段划分为：石英-白钨矿阶段（I）、石英-黄铁矿阶段（II）、石英-多金属硫化物-金阶段（III）和石英-方解石阶段（IV）。根据黄铁矿的结构和微量元素特征,识别出4种类型的黄铁矿：第II阶段的粗颗粒自形的Py1a（贫Co、Ni、As、Au）和多孔Py1b（富Co、Ni,贫As、Au）;第III阶段的Py2a（蚀变围岩中,富As、Au）以及Py2b（烟灰色石英脉中,富As、Au）。不可见金主要以固溶体金（Au⁺）的形式赋存于黄铁矿晶格中,且其富集和As关系密切。结合前人研究,推断溶解-再沉淀、围岩硫化作用是江东金矿床主要的金沉淀机制。