粘土岩物理力学及工程特性研究综述

本文较为系统的梳理了国内外学者在粘土岩研究领域所取得的成果,主要包括粘土岩的矿物组成、粘土矿物的微观结构、历史成因及其物理力学性质等四个方面,其中对其物理力学性质的综述涵盖了粘土岩的结构、构造和颜色、粘土岩的密度及可塑性、粘土岩的强度特征、粘土岩的膨胀特性、粘土岩的水理性质和粘土岩的流变性能等六个子项。因近年来将粘土岩作为高放废物地质处置库的潜在围岩成为学术界研究的热点课题,本文还专门论述了国内外学者在该领域实施的开拓性工作。在此基础上,本文对部分研究成果进行了讨论,并提出了继续开展粘土岩区域性成因调查、多类型粘土岩物理力学性质对比研究和粘土岩作为地下工程构筑物潜在围岩的长期服役效能研究等三个前沿课题。     

塔木素地区粘土岩吸附特性研究

通过BET氮吸附法研究塔木素地区粘土岩的比表面积以及吸附能力,再通过SEM分析其粘土颗粒呈现层状分布,得到其比表面积介于10.24~39.78 m2/g,平均为21.78 m2/g;该粘土岩的吸附特性常数介于6.21~23.84之间,平均值为13.53,发现其比表面积会随着粘土矿物的增多而增大。再综合对比瑞士Mont-Terri高放废物地质处置库实验室选用的Oplinus泥岩,发现塔木素地区略小于Oplinus泥岩的比表面积。     

饱和粘土渗透特性的试验研究

通过饱和粘土渗透特性的试验结果，分析其在结构扰动和有荷条件下渗透的变化规律。     

贵州早、中三叠世间绿豆岩粘土矿物学研究

运用Ｘ射线衍射、红外光谱、差热分析、扫描电镜等分析方法，对贵州绿豆岩进行了系统的粘土矿物学研究。确定了贵州绿豆岩中粘土矿物主要有伊利石、蒙脱石、高岭石和伊利石／蒙脱石混层矿物，为贵州绿豆岩的成因研究和开发利用提供了依据。     

龙口矿区2号煤层顶板粘土岩特征及研究意义

本文在详实调查和实验分析基础上，论述了2号煤层顶板粘土岩的特征，并指出了此研究在矿产综合利用和巷道工程管理中的实用意义。     

粘土岩对铀(Ⅵ)的吸附特征研究

以内蒙古阿拉善粘土岩为研究对象,通过静态吸附实验,探讨接触时间、U(Ⅵ)初始浓度、固液比、pH值、离子类型以及离子浓度等因素对U(Ⅵ)吸附特征的影响.研究结果表明:粘土岩对U(Ⅵ)的吸附速率较快,24h即可达到吸附平衡,最佳吸附固液比为1∶200,最佳吸附初始浓度为160μg·mL-1;随着pH值的增大,粘土岩对U(Ⅵ)的吸附能力不断增强,pH为8时,吸附能力达到最大;溶液中Ca~(2+)、CO_3~(2-)和HCO_3~-对U(Ⅵ)吸附有很强的抑制作用,不利于U(Ⅵ)的吸附,K~+、Na~+、Cl~-、NO_3~-、SO_4~(2-)对U(Ⅵ)的吸附影响较弱,U(Ⅵ)在粘土岩表面吸附主要以内层络合作用为主.因此,开展粘土岩对U(Ⅵ)的吸附研究,对我国高放废物的处置工作开展起到了极其关键的作用.     

欧拉反褶积方法在内蒙古塔木素粘土岩预选区的应用

内蒙古塔木素地区是我国高放废物粘土岩处置库选址的重点研究区域,断裂是处置库选址的主要调查内容之一。为快速查明处置库预选区内深部断裂空间展布,依据区域航磁资料为基础,对塔木素预选区开展了欧拉反褶积反演研究,结合研究区地质资料对研究区断裂分布进行了解释,同时为处置库选址推荐提供了有效参考。     

成都二级阶地粘土的工程地质特性

对分布范围及代表性均不如三级阶地的成都二级阶地粘土的工程地质特性进行了研究,并比较了二、三级阶地粘土性质的异同。     

华蓥山矿区煤系底部粘土岩的矿物岩石学

运用偏光显微镜、化学分析、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等分析方法,对四川华蓥山矿区煤系底部的粘土岩进行了矿物岩石学研究。结果表明,该层粘土岩高岭石含量高达90%以上,粘土岩中的高岭石呈结晶鳞片状,粒度为0.5~10μm,结晶程度较好,晶格内杂质元素混入物较少,具有较高的资源化开发利用价值。粘土岩中的杂质元素Fe和S以独立矿物黄铁矿赋存在粘土岩中,这对粘土岩资源化利用过程的分选富集是有利的。     

煤层中粘土岩类夹矸的结构

作者根据对我国主要含煤地层500余件煤层夹矸标本和薄片的观察研究,较系统地提出了煤层中粘土岩类夹矸的结构分类和命名。主要依据煤层夹矸中粘土矿物的形态、大小和混入物的成分,将粘土岩类夹矸的宏观和中观结构划分为六大类,30余种结构类型,其中数种是作者新提出的。这一分类不仅丰富了粘土岩类的结构类型,而且也为煤田地质工作者提供了一种认识手段。煤层中粘土岩类夹矸的结构是地质历史的产物,反映了物源、沉积环境和成岩后生作用的特点,因而地质成因是结构研究的基础。依据煤层夹矸中粘土矿物的形态、产状、石英,长石、锆石等矿物、火山玻璃碎屑的组合和标型特征以及地球化学特征的综合分析,简要论述了各种结构类型的成因,试图通过结构—成因的分析方法,为恢复地质历史提供有价值的资料。     

高放废物黏土岩地质处置库预选区围岩物理特性及力学性质

为了探究内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷高放废物粘土岩预选区围岩的基础物理特征和力学性质。通过物理实验、组分分析、力学实验对预选区8个的钻井不同深度的64个样品进行分析研究,。结果表明预选区围岩以泥质、白云石为主,且岩石内部结构致密,抗拉强度平均可达10MPa,相比瑞士Opalinus粘土岩和法国Callovo-Oxfordian泥岩抗拉力学性能优良。可见塔木素巴音戈壁盆地因格井坳陷作为高放废物粘土岩处置预选区在工程力学上的可行性。     

甘肃北山预选区地质处置系统初步FEPs分析

特征、事件和过程(简称FEPs)分析是高放废物地质处置性能评价中的一个至关重要的步骤,基于瑞典SKB FEPs数据库,论文利用特征、事件和过程分析方法,结合我国甘肃北山地区实际情况,修正、排除和增加了FEPs,列举了适合于北山高放废物处置库系统的FEPs,对我国高放废物处置系统性能评价具有重要参考意义.     

高放废物处置北山预选区地表岩体质量评价及其应用

在利用测线法对地表节理调查统计的基础上,提出了基于JSR(jointing structure rating)指标的地表岩体质量评价方法.以高放废物地质处置北山预选区地表岩体为研究对象,利用JSR指标对芨芨槽、算井子和新场地段地表岩体进行节理发育程度和地表岩体质量评价.结果表明:芨芨槽地段地表岩体比算井子地段节理发育程度低,地表岩体质量等级高,从而为高放废物地质处置场址比选提供依据.同时研究了JSR指标与传统Q指标的定量关系,并修正了JSR指标的分级范围.     

结晶岩作为放射性废物地下处置场所的安全性研究

分析了地下处置放射性废物的几个关键问题．通过对处置场所的选择、岩石渗流及放射性核素与岩石的化学反应等问题的论述，揭示了放射性废物地下处置室的安全性取决于对岩石中地下水渗流的有效阻滞．     

高放废物地质处置天然类比研究综述

简要介绍了我国高放废物地质处置天然类比研究的现状,论述了目前在铀矿床地下水方面所进行的天然类比研究,为高放废物地质处置的安全性评价提供依据。     

离散裂隙网络模拟在地下硐室稳定性中的应用——以甘肃北山地下实验室为例

以甘肃北山地下实验室为研究对象,开展了离散裂隙网络-离散元（DFN-DEM）耦合方法在花岗岩地下硐室围岩稳定性分析方面的探索研究。选取地下实验室工程勘察范围内代表性勘察钻孔和地表露头裂隙数据进行统计分析,利用三维离散单元软件3DEC构建离散裂隙网络（DFN）和等效岩体模型,模拟分析了地下实验室-560 m水平试验巷道的硐室的稳定性。结果表明：硐室开挖引起硐室围岩应力重分布,裂隙与硐室开挖面相交部位发生应力集中现象,硐室围岩出现位移变形;在现有条件下,硐室围岩变形量较小,应力集中程度不高,地下硐室稳定性较好。     

花岗岩高放废物地质处置库选址与安全评价

安全评价是建立放射性废物地质处置安全信心的关键,也是处置库阶段性发展的重要支撑.针对花岗岩处置库,综述了高放废物地质处置库选址及其安全评价的特性,阐述了安全评价在场址比选及后续发展中的重要作用;以瑞典、芬兰的处置实践为例说明了选址阶段安全评价应用方式,并对我国选址阶段安全评价的需求进行了介绍.     

算井子地段地表岩体结构面发育程度评价

为了探讨结构面发育程度对高放废物地质处置库选址的影响,以甘肃北山算井子地段岩体为研究对象,通过调查地表岩体节理和断层几何特征,采用数理统计方法获得节理产状、密度、间距、迹长和断层产状、断裂带宽度和断层泥厚度等统计数据,提出多尺度结构面综合评价指标来评价岩体结构面发育程度。结果表明:BS22和BS23钻孔周围分别发育4个和5个节理优势组,节理产状服从正态分布;BS22和BS23钻孔周围岩体节理平均中点面密度分别为0.037 m^-2和0.035 m^-2,平均迹长分别为20.38 m和17.39 m;解译出断层F1产状为35°∠85°,延伸长度为4.49 km; BS22钻孔周围岩体结构面发育程度更低,更适合作为我国高放废物处置库建造场址。     

高放废物处置库非饱和多场耦合数值模拟与参数分析

为对高放废物处置库进行安全评估,建立了岩土材料饱和非饱和的渗流温度应力(THM)多场耦合数值模型,对处置库(处置容器、缓冲材料和围岩)进行非饱和THM多场耦合数值模拟。基于COMSOL Multiphysics软件平台,以北山花岗岩高放废物处置库和内蒙古高庙子膨润土为研究对象,对高放废物处置库进行长达500a的数值模拟,对比分析耦合与非耦合的模拟结果,并对渗透率、导热系数和地下水深度等参数进行敏感性分析。结果表明:耦合模拟的温度比非耦合模拟的温度低13℃;地下潜水面由0m上升到1000m的时候,缓冲材料完全饱和的时间由703a下降到了28a;围岩的固有渗透率下降5个数量级时,缓冲材料的饱和时间由28a上升到了250a;各个物理场相互耦合,共同影响处置库的长期稳定性。