鄂尔多斯盆地煤铀协调开采扰动岩层多场耦合特征研究

发布时间：2020-11-11 08:38

　　 煤炭为国家重要的化石能源,铀矿为国家重要的战略资源,针对以鄂尔多斯盆地为代表的煤铀资源共生赋存状况,为安全、高效、绿色开采煤铀资源,降低煤铀资源开采间的相互扰动,减小环境的负外部性,需进行煤铀赋存环境探测,煤铀开采相互扰动机理及特征研究,提出煤铀协调开采安全等级初步评价标准及优化开采技术。砂岩型铀矿赋存于煤层上方铀矿含矿含水层中,其地浸开采涉及溶浸液与氧化铀的化学反应、溶质物理输运,基于水头压差,溶浸液在渗流、分子扩散及渗流弥散作用下进行水平、垂直运移扩散,整体地浸开采为溶质反应-输运耦合的动态过程,煤层开采为涉及应力场、裂隙场及渗流场多场动态耦合的过程,因此共生煤铀资源开采是应力-裂隙-渗流场及溶质化学反应-输运动态耦合过程。本文基于煤铀赋存环境,对煤、砂质泥岩及砾岩进行微观孔隙形态及物质成分分析,完整砂岩、砂质泥岩,裂隙砂岩、砂质泥岩岩样及大尺度砾岩含水层多孔介质进行室内应力-渗流试验;基于试验结果,进一步运用FLAC3D-CFD流固化耦合模拟器对松散砂岩含铀含水层铀矿地浸开采中溶质化学反应-输运过程及单、双裂隙介质应力-渗流-溶质输运耦合过程进行模拟;进一步研发煤铀协调开采试验台、构建数值模型,分别运用透明材料、FLAC3D-CFD模拟器进行煤铀共采、先铀后煤及先煤后铀开采情景模拟,探索煤铀开采扰动岩层中应力场、裂隙场、渗流场及溶浸液化学反应-溶质输运耦合特征,提出煤铀开采走廊及煤铀隔离走廊技术概念,制定煤铀协调开采安全等级初步评价标准。论文的主要研究结论如下:(1)砂质泥岩由羽片状基质叠加累积而成,孔隙裂隙基本不发育,渗透性极差,宏观裂隙及微观溶解作用对其渗透性具有重要影响;砾岩由基质及孔隙构成,孔隙稀疏分布、孔隙度小,渗透性差;砂质泥岩主要由石英及高领土构成,高岭土含量越高,砂质泥岩内部结构越致密,高龄土的存在说明砂质泥岩具有一定的吸水膨胀性;铀矿所处层位绿色砂岩、灰绿色砂岩和灰色砂岩相间分布,渗透性表现为各向异性。(2)砂岩、砂质泥岩及砾岩含水层多孔介质渗透性试验中,水力压力、围压大小对完整岩样、裂隙岩样及多孔介质均具有影响,随水头压力增大、围压减小,介质渗透性逐渐增大,反之则逐渐减小;相比完整岩体介质,裂隙及多孔介质对水力压力及围压变动更为敏感,其中双裂隙砂岩介质渗透性是单裂隙的2~4倍,多裂隙砂质泥岩介质高1到2个级别于单裂隙砂质泥岩;相比砂岩介质,砂质泥岩及多孔介质渗透性分别相关于膨胀性矿物含量及砂砾岩混合组分,砂质泥岩中裂隙膨胀效应及多孔介质中低应力作用下的输运效应和高应力作用下的破碎效应均显著影响流体状态及渗流特征,同时应力与组合成分影响砾岩含水层内部结构,引发墙体及楔形效应。(3)FLAC3D-CFD的多孔介质及裂隙介质数值模型准确性,通过试验数据比对得到了验证;地浸采铀速度正相关于溶浸液浓度,地浸采铀中氧化铀残余量与开采时间呈指数关系;铀矿品位对地浸采铀具有重要影响,铀品位越高,开采速度越大;应力扰动下,赋存铀矿的多孔介质渗透性增大,加速溶浸液对铀矿的化学溶解;粗糙裂隙面上出现应力、渗流非均匀分布,裂隙宽度以负指数形式相关于围压;裂隙导水性正相关于有效联通空隙,负相关于联通空隙曲折度、裂隙面凹凸值;裂隙溶质输运速度正相关于裂隙宽度及裂隙渗流速度,相比溶质输运速度,溶质浓度负相关于裂隙宽度及渗流速度,同时在较大裂隙面凹凸值及较小有效联通空隙下,溶质富集程度高,裂隙溶质以负指数形式随时间增加而降低;双裂隙岩体中,低浓度溶质集中在裂隙交叉处,高速渗流下,涡流、惯性流现象明显。(4)硅胶粉混合矿物油可配制一定强度的煤铀赋存岩层,在上覆岩层载荷作用下,自动析油吸气形成白色损伤区,可很好的模拟煤层开采扰动所形成的裂隙带,饱和油红O具有很好的染色效果,可有效追踪铀矿溶浸液在透明材料中运移状况;裂隙带高度最大值为90m左右,伴随出现“拱形”裂隙分界面;先铀后煤开采情景下,铀矿开采期间溶浸液不会下渗至煤层;煤铀共采开采情景下,短时间内铀矿溶浸液不会下渗至采煤工作面;先煤后铀开采情境下,短时间内溶浸液以水平运移为主,垂直下渗现象不明显,长时间内溶浸液在扩散作用下,可能穿过保护层,下渗至裂隙带内,并在裂隙带水体渗流作用下,加速下渗至煤层采场。(5)构建松散砾岩含水层,煤层充分采动及充分采动后裂隙带几何模型,运用FLAC3D-CFD模拟煤铀协调开采下应力场、渗流场、裂隙场、化学反应-溶质输运场时空动态耦合过程,工作面推进至160m时,裂隙带周边形成最大主应力壳,推进至280m时最大主应力壳发生破断,并与采场中部应力集中区形成新的应力壳,裂隙带以“拱形”形式发育于最大主应力壳下部,并在砾岩含水层与采场间水力压差下形成“马鞍”状渗流场;煤层开采对煤层应力分布扰动最大,砾岩含水层次之,铀矿层最小;溶浸液扩散深度以指数形式负相关于注液速度及抽注比,正相关于扩散系数,并在1×10~(-4) m~2/s后出现垂直扩散急增;对应采场通大气、工作面通大气情景,先铀后煤开采情景中残余溶浸液在一定时间段内分别以“漏斗状”、“非对称马鞍状”形式下渗至采场,先煤后铀开采情景中,地浸采铀较小抽注比下,溶浸液在一定时间段内分别以“马鞍状”、“倾斜漏斗”状下渗至采场,煤铀共采开采情景中煤层回采期间短时间内溶浸液无明显下渗现象;采场完全密封下,溶浸液无下渗现象。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD82;TD868
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 选题背景及意义
    1.2 国内外研究概况
        1.2.1 SEM及XRD研究现状
        1.2.2 应力水力裂隙研究现状
        1.2.3 多孔介质渗透性研究
        1.2.4 孔隙介质溶质化学反应-输运研究现状
        1.2.5 含水层下煤炭开采研究现状
        1.2.6 物理相似模拟
        1.2.7 数值模拟
    1.3 研究内容
    1.4 研究方法及技术路线
2 岩体微观结构形态
    2.1 引言
    2.2 岩样孔隙裂隙特征
    2.3 岩样微观孔隙、裂隙形态测试
    2.4 岩样的成分性分析
    2.5 小结
3 载荷岩样渗透特性试验
    3.1 引言
    3.2 覆岩多孔介质、裂隙介质渗透性试验
        3.2.1 试验样品
        3.2.2 试验设备
        3.2.3 试验方案及操作
        3.2.4 试验原理及方法
    3.3 试验结果及分析
        3.3.1 砂岩渗透性演化规律
        3.3.2 砂质泥岩渗透性演化规律
        3.3.3 膨胀性矿物对裂隙岩体渗透性影响
        3.3.4 多孔介质渗流试验结果及分析
    3.4 小结
4 多场耦合模型及数值模拟
    4.1 引言
    4.2 载荷与非达西流渗透率系数关系
    4.3 载荷与孔隙度关系
    4.4 裂隙介质及多孔介质渗透率模型
        4.4.1 达西流模型
        4.4.2 非达西流模型
    4.5 非达西流多孔介质模型验证
    4.6 加载破坏过程及组分压实过程渗流-溶质输运模拟
        4.6.1 输运方程
        4.6.2 数值模拟及结果分析
        4.6.3 多场耦合模型可行性验证
        4.6.4 结果及分析
    4.7 裂隙岩体渗流-溶质反应输送特征
        4.7.1 等效裂隙模型
        4.7.2 FLAC3D-CFD等效裂隙介质模拟
    4.8 小结
5 煤铀协调开采物理透视化相似模拟
    5.1 引言
    5.2 工程现场地质赋存状况
    5.3 研究手段及方式
    5.4 试验台结构
    5.5 流固耦合材料相似比计算
    5.6 试验方案及操作步骤
    5.7 物理模拟结果及分析
        5.7.1 煤铀共采开采演化特征
        5.7.2 不同煤铀开采情景对比
    5.8 小结
6 煤铀协调开采数值模拟及安全评价
    6.1 引言
    6.2 理论模型
        6.2.1 充分采动下裂隙带几何模型
        6.2.2 充分采动后裂隙带几何模型
    6.3 煤铀协调开采模拟方案
    6.4 结果分析
        6.4.1 煤铀协调开采时空耦合效应
        6.4.2 地浸采铀参数敏感性分析
        6.4.3 煤铀不同开采情景下裂隙-渗流-化学场时空耦合关系
        6.4.4 煤铀协调开采安全评价
    6.5 小结
7 结论
    7.1 主要结论
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2878985