基于煤系泥岩孔裂隙三维表征的纳米型浆液扩散规律研究

发布时间：2020-10-12 21:11

　　 泥质软岩普遍存在于矿山、水利、隧道、地铁等岩土工程中,具有遇水易膨胀、泥化、崩解等特点,严重威胁工程的安全稳定性。针对泥质软岩巷道的掘进与支护难题,本文从淮北矿区涡北矿8_1煤底板泥岩矿组成分、细微观形态、孔隙结构、纳米型浆材硅溶胶的注浆特性等基础参数测试出发,分析了泥质软岩软化及困难防渗加固原因,对比了纳米型浆液硅溶胶与水泥基材料的可注性差异。通过高分辨三维X射线显微成像系统扫描了泥岩样品,重构得出了泥岩的真实三维孔裂隙结构,并进行了数字岩心物理实验。将泥岩的真实三维孔裂隙结构导入了COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,模拟分析了硅溶胶注浆浆液扩散规律并通过人造岩心注浆实验进行了验证。提出了泥质软岩巷道分区多粒度注浆防渗加固方法,并针对具体泥岩巷道,进行了防渗加固与注浆效果监测方案的设计,得出的主要结论如下:(1)淮北8_1煤底板泥岩主要矿物为石英和粘土矿物高岭石、伊利石,泥岩样品孔隙度为2.2%,表面微裂隙发育,微纳米级孔裂隙的存在是泥质软岩巷道难以防渗加固的症结之一。硅溶胶在泥岩中理论最小可注宽度为188.01 nm,其理论上可注入47.68%的泥岩孔裂隙中,可注性能远高于水泥基材料。(2)使用矩量保持法确定了泥岩CT图像的阈值并对样品进行了分割,提取出了孔裂隙。泥岩样品中多为长条片状的裂隙和零星分布的小孔裂隙,具有明显非均质性和空间异质性,局部孔隙连通性和渗透率相差较大。(3)浆液流动首先选择孔隙半径大、距离出口较短的途径。不同注浆速度下,浆液的流动半径基本相同,均在截面缩小的似圆管状的两裂隙处停止流动,但随着注浆速度的提高,入口处浆液压力不断提高,当注浆速度高于0.05 mm/s,浆液压力成直线上升,会给工程现场注浆设备带来严重负担。人造岩心的注浆扩散过程表明,注入端会存在滤饼效应,注入过程存在浆液滞留效应,由于滤饼的存在,硅溶胶被堵塞在注入端,且注浆压力越大越易形成滤饼,低压慢渗注入低渗透岩石中具备一定可行性。根据上述研究成果,提出了一种泥质软岩巷道注浆防渗加固方法,该方法的核心是巷道开挖后表面及时喷射混凝土,复喷硅溶胶,浅孔注水泥浆,深孔低压注硅溶胶。从而在巷道表面、巷道围岩深部形成两层防渗层及浅部水泥浆加固层,理论上可在一定程度上解决泥质软岩巷道软化流变大变形支护难题。该论文有图55幅,表6个,参考文献97篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD353
【部分图文】：

82煤81煤里段：中砂岩，灰色-浅灰色，发育连续水平层理。外段：灰白色，细粒结构，局部粒度稍粗硅质为主，少量暗色矿物，平行层理，偶为脉状层理，纵向斜向裂隙。粉砂岩～中砂岩灰色～深灰色，平坦状断口，泥质结构，局部含粉砂制质，含较多植物化石碎片。黑色。条痕褐-褐黑色-黑色，粉末状结构，玻璃光泽-沥青光泽，顶底部内生裂隙稍发育,半亮煤为主,偶为光亮煤,参差状-阶梯状断口。浅灰～灰黑色，块状构造。局部含粉砂，含较多植物化石碎片。黑色，粉末～碎块状，条痕褐色～黑色，沥青玻璃光泽。属半暗～半亮煤。0.92～3.042.081.53～4.373.351.87～4.753.29泥岩0.83～1.501.1915.59～29.2622.02泥岩

（c）不同区域放大 500 倍 （d）放大 2000 倍图 2-4 不同放大倍数下泥岩表面形态Figure 2-4 Surface morphology of mudstone at different magnifications通过扫描电镜观察泥岩样品，如图 2-4 所示，当放大倍数为 40 倍时，可见样品全貌，样品整体较光滑，继续放大至 500 时，可见细微裂隙，不同区域继续放大 500 倍，又见另一细微裂隙，说明泥岩样品裂隙较发育，如图中（b）和（c）所示，除了块状矿物，其表面还粘着细小矿物片。图（d）所示为对微裂隙放大后，放大至 2000 倍，可见明显裂隙发育，该微裂隙隙宽约为 3 μm，但因泥岩孔隙孔径级别较小，该放大倍数下仍未见明显孔隙发育。对放大 1000 倍的泥岩表面进行能谱分析，测试表面所含元素及元素的分布状态，结果如图 2-5 所示，可以看出样品表面元素含量较多的主要为氧、碳、硅、铝、铁，这些元素为构成石英、高岭石、伊利石的主要元素，也从侧面说明了样品的主要成分为石英、高岭石及伊利石。样品表面的这些元素多为随机均匀分布，即泥岩中的矿物组分多为随机均匀分布。

（c）脉冲幅度的分布曲线图 2-5 泥岩样品能谱分析结果Figure 2-5 Analysis results of mudstone sample energy spectrum孔隙结构特征淮北 81煤底板泥岩表面微观形态可以看出，81煤底板泥岩表面微在扫描电镜最大放大倍数下未看到纳米级孔隙，需要其它方法测压汞实验测试来获取这部分的孔隙直径和孔隙度。将现场采集的品中取出 5 mm 左右的碎块 2-3 g。测试仪器采用 Micromerities汞仪。9510 型压汞仪测量的孔径范围为 2 nm-0.40 mm，最高进a，退汞压力 0.1 MPa。触角 θ 大于 90°的汞在无外界压力的条件下不能自发进入测试样施加外力可以克服由于汞的表面张力带来的阻力。这样，可建立所需压力与孔径大小间的函数关系，即公式 2-2，Washburn 方程r＝ -2 cos /p
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 王振;沈明荣;刘昂;;钙质泥岩水岩作用特征及遇水软化机理[J];西南交通大学学报;2015年06期

2 杨成祥;宋磊博;王刚;龚彦华;;CT实时观察下泥岩遇水软化过程的机理[J];东北大学学报(自然科学版);2015年10期

3 黄耀光;王连国;陆银龙;;巷道围岩全断面锚注浆液渗透扩散规律研究[J];采矿与安全工程学报;2015年02期

4 张庆松;张连震;张霄;刘人太;朱明听;郑东柱;;基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制[J];岩石力学与工程学报;2015年06期

5 杨建林;王来贵;李喜林;赵国超;;遇水–风干循环作用下泥岩断裂的微观机制研究[J];岩石力学与工程学报;2014年S2期

6 俞文生;李鹏;张霄;王倩;;可变倾角单裂隙动水注浆模型试验研究[J];岩土力学;2014年08期

7 李伟;要惠芳;刘鸿福;康志勤;宋晓夏;冯增朝;;基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征[J];煤炭学报;2014年06期

8 郭晨;秦勇;杨兆彪;卢玲玲;颜青;;黔西比德-三塘盆地煤储层NMR T_2谱及气水相渗特征与控制因素[J];中国矿业大学学报;2014年05期

9 刘向君;朱洪林;梁利喜;;基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验[J];地球物理学报;2014年04期

10 吴爱祥;于少峰;韩斌;王贻明;黄明清;王勇;;超细水泥注浆溶液配比优化及扩散规律研究[J];采矿与安全工程学报;2014年02期

相关博士学位论文 前1条

1 潘东江;松散煤体的硅溶胶注浆渗透规律及长期固结稳定性研究[D];中国矿业大学;2018年

本文编号：2838284