为查明人类活动对木里冻土区水文环境造成的影响，选取高寒冻土区人类活动最为显著的木里煤田聚乎更矿区，以区内大通河支流水系河水为研究对象，基于水化学组成空间特征，利用氢、氧、碳、氮、硫、锶等多元同位素开展示踪研究.研究表明：（1）冻结层上水是河水的主要补给来源，煤矿开采、天然气水合物钻探等人类活动破坏原有冻土结构，增加了冻结层上水对河水的贡献比例；（2）河水中主要溶解性营养物质(SO42-、NO3-和DOC)浓度的增加源于人类活动的影响：硫氧同位素揭示了大规模的煤矿露天开采促进还原硫氧化，是导致冻结层上水和河水中SO42-升高的主要原因；氮氧同位素表明河水中高浓度的NO3-来源于散养式放牧的牲畜粪便；DOC主要来源于高寒草甸植物降解产生的土壤有机质，人类活动影响下增加了DOC和DIC的输出，增强了源区河水中的微生物活动；（3）除H2CO3风化碳酸盐岩外，受人类活动煤矿开采影...

为了充分利用边坡临空面土体的季节性冻融强度差异以提高端帮残煤回收率,采用剪切面微观结构模型分析了冻土抗剪强度的提升机理,提出了在冻结期进行二次靠帮开采的2种条带式开采方法,设计了最佳条带宽度分析流程;对胜利西一号露天矿南端帮进行了实例研究。结果表明:南端帮非冻期和冻结期的稳定系数分别为1.06和1.14,可在冻结期进行二次靠帮开采,最佳条带宽度为60 m;二次靠帮开采实现了南端帮边坡角从30°提升到33°,回收端帮残煤17.15万t;季节性冻土区实施条带式二次靠帮开采,可以在保证边坡安全的同时进一步提高资源回采率。

针对多年冻土区冻融循环作用下露天矿边坡开挖关键参数(开挖时间、开挖速度、开挖深度和开挖坡角等)的确定,以保证边坡安全、延长边坡使用年限为目标,基于木里露天矿边坡理想模型,采用含相变三场耦合简化算法,借助局部损伤度的分析方法,结合边坡开挖变形等系统地研究了边坡开挖的几个关键参数。结果表明:冻岩土体边坡主要为局部破坏且每年5—7月为危险月份;虽暖季开挖安全性略低但利于施工;同时一定程度上减缓开挖速度也有利于边坡后期的安全性;边坡开挖深度达到多年冻土下限时,局部损伤破坏最严重,可作为损伤和变形模式的转折点,而当开挖深度超过该限值后其破坏将与普通边坡相似,且坡高每加10 m开挖15年后变形平均增加170 mm;坡角增大虽变形有所增加但损伤度减小,则可适当地提高坡角来减少采剥比。研究结果对认识冻融循环作用下多年冻岩土区边坡安全、经济、有效开挖具有一定的参考意义。

在多年冻土区进行煤矿井工开采,冻土稳定性是影响煤矿开采的制约性因素。采用数值模拟方法分析煤矿井工开采对冻土环境的影响。研究结果表明,最大融深随时间呈增大趋势;沿井壁深度,最大融深逐年增加,在多年冻土与季节冻土的交界附近,最大融深增加较快。由于开采巷道横截面较小,在有效的冻土保护措施下,井壁周围多年冻土温度升高幅度不会太大,因而井工开采会对井壁周围多年冻土造成一定影响,但不会造成大面积冻土的融化变形。

作为一种非常规能源,天然气水合物,俗称"可燃冰",是一种重要的能源载体。国外在海底和永久冻土层都发现了天然气水合物藏,我国也在神狐海域和祁连山冻土区获得了含天然气水合物的岩芯。然而,天然气水合物资源的安全高效开采方式已成为天然气水合物藏开发利用的"瓶颈",也是天然气水合物开采研究的热点和难点问题。本文在全面综述国内外天然气水合物开采研究的基础上,重点关注了CO2置换开采天然气水合物的研究进展,提出了采用CO2置换开多年采冻土区天然气水合物中CH4的设想,并分析了该方法的热力学和动力学可行性;最后,指出了CO2置换开采冻土区天然气水合物尚存在的问题和今后的发展方向。

试开采研究是天然气水合物从理论研究走向商业化开采的必经之路。提出的注蒸汽开采是一种综合开采方法,是在降压开采的基础上,往孔内注入热蒸汽对水合物目标开采层进行激振往复式热激发。注蒸汽开采能够避免"自保护效应",促进水合物进一步分解,理论上能够扩大开采范围、提高产气量。利用FLUENT数值模拟软件对蒸汽加热水合物层动态过程进行数值计算,通过模拟计算结果对比分析,在满足开采要求的前提下确定最佳的注蒸汽功率为20 kW,注热时长为38 h。在青海木里盆地天然气水合物试采项目中,注蒸汽开采进行了5.2 h开采试验,产气量为3.25 m3。

冻土区矿产资源的开发,对多年冻土的影响速度快、范围广、最直接,是其他人为活动无法比拟的。特别是煤矿开采,它对多年冻土影响剧烈,使得煤矿区冻土环境更加脆弱。青海木里煤田矿区处于青藏高原阿尔金山—祁连山高寒带山地多年冻土区,是大通河上游水源涵养生态功能区,冻土生态环境较为敏感。在分析青海木里煤田矿区多年冻土分布状况与特征的基础上,从多年冻土变化和多年冻土区自然环境变化两个方面,探讨了煤矿开采过程中的冻土环境问题,并提出避免和减缓煤矿开采对冻土环境造成影响的建议与对策,以期为寒区资源合理开发利用保护提供科学依据。

矿床开采技术条件主要是对矿区的水文地质、工程地质和环境地质三个方面而进行的勘探工作和评述,水文地质矿区地处多年冻土层,作为特殊的大厚度的区域性隔水层,将同一个含水岩(层)组分隔成上下两部分,隔断了上下间的直接水力联系,形成了性质完全不同的两大含水系统。

多年冻土区蕴藏着丰富的矿产资源,矿业开发已成为多年冻土区经济发展的主要产业之一.但是,在其开采过程将不可避免地受到冻土的影响,也造成多年冻土区生态环境恶化的影响.在西部大开发的进程中,能源需求量逐渐增加,而多年冻土区矿山露天开采量逐渐减少,开展多年冻土区矿山地下开采相关的研究工作显得尤为迫切.在分析和总结前人研究成果的基础上,综述了近年来国内外有关多年冻土区矿山开采问题的研究现状,并详细介绍了多年冻土区矿山开采过程中围岩热力学性质的变化规律及其施工技术以及冻土环境保护的定性定量评价,最后概述了多年冻土区类似工程的研究方法的借鉴性,并在此基础上提出了今后的研究方向.