岩石注浆中的压裂效应研究

发布时间：2020-04-16 08:33

【摘要】：围岩注浆加固是采矿工程、岩土工程等普遍采用的技术手段。随着浅部煤炭资源的逐渐匮乏,煤炭资源的开采利用逐渐向“三深”发展,深部矿井大量出现。本文基于高地应力与强采动应力作用下低渗透性深部软岩的注浆活动中,不产生劈裂的常规注浆方式由于浆液渗透范围有限无法实现有效加固,而对于真三轴应力条件下高压劈裂注浆机理又鲜有研究的现状,采用物理实验、理论分析等方法对岩石注浆中的压裂效应这一核心科学问题进行研究。在4000 kN真三轴实验框架的基础上,自主设计加工了“水-浆”转换装置构成真三轴注浆实验系统。在深部高应力软岩注浆的工程背景下,采用合理配比的氯丁胶乳水泥砂浆作为相似材料模拟深部软岩,并进行标样的基本力学性能测试,从基本力学性能方面论证了其相似性。利用真三轴注浆实验系统进行了给定应力环境下常规注浆与劈裂注浆的实验研究。实验表明:真三轴应力条件下常规注浆并不会有劈裂裂缝产生,浆液渗透扩散范围为椭球体,在平行于最大主应力平面上呈现以裸孔段的中心为中心,分别以封孔器的轴向和径向为长短轴的椭圆形。劈裂注浆实验中,根据注浆压力变化规律,劈裂注浆过程分为劈裂的产生扩展阶段以及劈裂裂缝扩展完成后随浆液不断注入劈裂裂缝循环开闭的渗流平衡阶段。在劈裂注浆中的劈裂产生扩展阶段,随着劈裂裂缝的不断扩展,每次主要劈裂产生时的注浆压力逐次升高。真三轴应力条件下的劈裂注浆中,仍垂直于最小主应力s_3方向的单一劈裂。根据浆液的扩散形态及其在劈裂裂缝平面的分布,将劈裂裂缝平面分为宏观劈裂区、微劈裂区、渗透压力区以及未湿润区共四个区域。其中劈裂裂缝由宏观劈裂区和微劈裂区构成,两者通过宏观劈裂前沿相隔。根据真三轴应力条件下劈裂注浆的劈裂裂缝空间形态及劈裂裂缝平面内的浆液渗透扩散形态,结合地应力场作用下注浆钻孔周边的应力状态分析,建立了二维平面(垂直于中间主应力)内的岩石钻孔注浆劈裂的力学模型。根据能量守恒定律,从能量耗散角度分析岩石注浆劈裂扩展过程中的能量转化,求解得到岩石注浆过程中启劈压力、扩展压力的计算方法。采用正交实验方法,在改变主应力差、泵注排量、浆液水灰比等主要影响因素时,研究其对岩石注浆中压裂效应的影响。得到了改变上述因素情况下,劈裂压力、扩展压力的变化规律,声发射事件数及能量的变化规律,劈裂裂缝平面扩展以及浆液扩散形态的变化规律。
【图文】：

结构图,声发射AE,注浆,分油器

真三轴注浆实验系统

转换装置

放大器增益 40 dB。为达到注浆的目的，在原有实验系统基础上，增加了“水-浆”转换装置如图2-2，，装置整体采用碳钢制作，壁厚 20 mm，设计可承受注浆压力 60 MPa 以上，可满足煤岩体注浆要求。浆料腔体内径 110mm，采用与油水转换器内径 1：1 设计，根据水的不可压缩性，间接对注浆参数实时控制；同时，此设计也有利于数据的直接读取，减小后期实验数据分析的工作量。腔体长度为 500 mm，容积为5 dm3，足以满足 300×300×300 mm3规格的立方体试块的注浆实验。腔体内壁采用电镀硬铬层处理
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD353

【参考文献】