發(fā)布時(shí)間：2020-10-12 21:11

　　 泥質(zhì)軟巖普遍存在于礦山、水利、隧道、地鐵等巖土工程中,具有遇水易膨脹、泥化、崩解等特點(diǎn),嚴(yán)重威脅工程的安全穩(wěn)定性。針對(duì)泥質(zhì)軟巖巷道的掘進(jìn)與支護(hù)難題,本文從淮北礦區(qū)渦北礦8_1煤底板泥巖礦組成分、細(xì)微觀形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)、納米型漿材硅溶膠的注漿特性等基礎(chǔ)參數(shù)測試出發(fā),分析了泥質(zhì)軟巖軟化及困難防滲加固原因,對(duì)比了納米型漿液硅溶膠與水泥基材料的可注性差異。通過高分辨三維X射線顯微成像系統(tǒng)掃描了泥巖樣品,重構(gòu)得出了泥巖的真實(shí)三維孔裂隙結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了數(shù)字巖心物理實(shí)驗(yàn)。將泥巖的真實(shí)三維孔裂隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)入了COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件,模擬分析了硅溶膠注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律并通過人造巖心注漿實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。提出了泥質(zhì)軟巖巷道分區(qū)多粒度注漿防滲加固方法,并針對(duì)具體泥巖巷道,進(jìn)行了防滲加固與注漿效果監(jiān)測方案的設(shè)計(jì),得出的主要結(jié)論如下:(1)淮北8_1煤底板泥巖主要礦物為石英和粘土礦物高嶺石、伊利石,泥巖樣品孔隙度為2.2%,表面微裂隙發(fā)育,微納米級(jí)孔裂隙的存在是泥質(zhì)軟巖巷道難以防滲加固的癥結(jié)之一。硅溶膠在泥巖中理論最小可注寬度為188.01 nm,其理論上可注入47.68%的泥巖孔裂隙中,可注性能遠(yuǎn)高于水泥基材料。(2)使用矩量保持法確定了泥巖CT圖像的閾值并對(duì)樣品進(jìn)行了分割,提取出了孔裂隙。泥巖樣品中多為長條片狀的裂隙和零星分布的小孔裂隙,具有明顯非均質(zhì)性和空間異質(zhì)性,局部孔隙連通性和滲透率相差較大。(3)漿液流動(dòng)首先選擇孔隙半徑大、距離出口較短的途徑。不同注漿速度下,漿液的流動(dòng)半徑基本相同,均在截面縮小的似圓管狀的兩裂隙處停止流動(dòng),但隨著注漿速度的提高,入口處漿液壓力不斷提高,當(dāng)注漿速度高于0.05 mm/s,漿液壓力成直線上升,會(huì)給工程現(xiàn)場注漿設(shè)備帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。人造巖心的注漿擴(kuò)散過程表明,注入端會(huì)存在濾餅效應(yīng),注入過程存在漿液滯留效應(yīng),由于濾餅的存在,硅溶膠被堵塞在注入端,且注漿壓力越大越易形成濾餅,低壓慢滲注入低滲透巖石中具備一定可行性。根據(jù)上述研究成果,提出了一種泥質(zhì)軟巖巷道注漿防滲加固方法,該方法的核心是巷道開挖后表面及時(shí)噴射混凝土,復(fù)噴硅溶膠,淺孔注水泥漿,深孔低壓注硅溶膠。從而在巷道表面、巷道圍巖深部形成兩層防滲層及淺部水泥漿加固層,理論上可在一定程度上解決泥質(zhì)軟巖巷道軟化流變大變形支護(hù)難題。該論文有圖55幅,表6個(gè),參考文獻(xiàn)97篇。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD353
【部分圖文】：

82煤81煤里段：中砂巖，灰色-淺灰色，發(fā)育連續(xù)水平層理。外段：灰白色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，局部粒度稍粗硅質(zhì)為主，少量暗色礦物，平行層理，偶為脈狀層理，縱向斜向裂隙。粉砂巖～中砂巖灰色～深灰色，平坦?fàn)顢嗫�，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部含粉砂制質(zhì)，含較多植物化石碎片。黑色。條痕褐-褐黑色-黑色，粉末狀結(jié)構(gòu)，玻璃光澤-瀝青光澤，頂?shù)撞績?nèi)生裂隙稍發(fā)育,半亮煤為主,偶為光亮煤,參差狀-階梯狀斷口。淺灰～灰黑色，塊狀構(gòu)造。局部含粉砂，含較多植物化石碎片。黑色，粉末～碎塊狀，條痕褐色～黑色，瀝青玻璃光澤。屬半暗～半亮煤。0.92～3.042.081.53～4.373.351.87～4.753.29泥巖0.83～1.501.1915.59～29.2622.02泥巖

（c）不同區(qū)域放大 500 倍 （d）放大 2000 倍圖 2-4 不同放大倍數(shù)下泥巖表面形態(tài)Figure 2-4 Surface morphology of mudstone at different magnifications通過掃描電鏡觀察泥巖樣品，如圖 2-4 所示，當(dāng)放大倍數(shù)為 40 倍時(shí)，可見樣品全貌，樣品整體較光滑，繼續(xù)放大至 500 時(shí)，可見細(xì)微裂隙，不同區(qū)域繼續(xù)放大 500 倍，又見另一細(xì)微裂隙，說明泥巖樣品裂隙較發(fā)育，如圖中（b）和（c）所示，除了塊狀礦物，其表面還粘著細(xì)小礦物片。圖（d）所示為對(duì)微裂隙放大后，放大至 2000 倍，可見明顯裂隙發(fā)育，該微裂隙隙寬約為 3 μm，但因泥巖孔隙孔徑級(jí)別較小，該放大倍數(shù)下仍未見明顯孔隙發(fā)育。對(duì)放大 1000 倍的泥巖表面進(jìn)行能譜分析，測試表面所含元素及元素的分布狀態(tài)，結(jié)果如圖 2-5 所示，可以看出樣品表面元素含量較多的主要為氧、碳、硅、鋁、鐵，這些元素為構(gòu)成石英、高嶺石、伊利石的主要元素，也從側(cè)面說明了樣品的主要成分為石英、高嶺石及伊利石。樣品表面的這些元素多為隨機(jī)均勻分布，即泥巖中的礦物組分多為隨機(jī)均勻分布。

（c）脈沖幅度的分布曲線圖 2-5 泥巖樣品能譜分析結(jié)果Figure 2-5 Analysis results of mudstone sample energy spectrum孔隙結(jié)構(gòu)特征淮北 81煤底板泥巖表面微觀形態(tài)可以看出，81煤底板泥巖表面微在掃描電鏡最大放大倍數(shù)下未看到納米級(jí)孔隙，需要其它方法測壓汞實(shí)驗(yàn)測試來獲取這部分的孔隙直徑和孔隙度。將現(xiàn)場采集的品中取出 5 mm 左右的碎塊 2-3 g。測試儀器采用 Micromerities汞儀。9510 型壓汞儀測量的孔徑范圍為 2 nm-0.40 mm，最高進(jìn)a，退汞壓力 0.1 MPa。觸角 θ 大于 90°的汞在無外界壓力的條件下不能自發(fā)進(jìn)入測試樣施加外力可以克服由于汞的表面張力帶來的阻力。這樣，可建立所需壓力與孔徑大小間的函數(shù)關(guān)系，即公式 2-2，Washburn 方程r＝ -2 cos /p
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王振;沈明榮;劉昂;;鈣質(zhì)泥巖水巖作用特征及遇水軟化機(jī)理[J];西南交通大學(xué)學(xué)報(bào);2015年06期

2 楊成祥;宋磊博;王剛;龔彥華;;CT實(shí)時(shí)觀察下泥巖遇水軟化過程的機(jī)理[J];東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年10期

3 黃耀光;王連國;陸銀龍;;巷道圍巖全斷面錨注漿液滲透擴(kuò)散規(guī)律研究[J];采礦與安全工程學(xué)報(bào);2015年02期

4 張慶松;張連震;張霄;劉人太;朱明聽;鄭東柱;;基于漿液黏度時(shí)空變化的水平裂隙巖體注漿擴(kuò)散機(jī)制[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年06期

5 楊建林;王來貴;李喜林;趙國超;;遇水–風(fēng)干循環(huán)作用下泥巖斷裂的微觀機(jī)制研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2014年S2期

6 俞文生;李鵬;張霄;王倩;;可變傾角單裂隙動(dòng)水注漿模型試驗(yàn)研究[J];巖土力學(xué);2014年08期

7 李偉;要惠芳;劉鴻福;康志勤;宋曉夏;馮增朝;;基于顯微CT的不同煤體結(jié)構(gòu)煤三維孔隙精細(xì)表征[J];煤炭學(xué)報(bào);2014年06期

8 郭晨;秦勇;楊兆彪;盧玲玲;顏青;;黔西比德-三塘盆地煤儲(chǔ)層NMR T_2譜及氣水相滲特征與控制因素[J];中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2014年05期

9 劉向君;朱洪林;梁利喜;;基于微CT技術(shù)的砂巖數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)[J];地球物理學(xué)報(bào);2014年04期

10 吳愛祥;于少峰;韓斌;王貽明;黃明清;王勇;;超細(xì)水泥注漿溶液配比優(yōu)化及擴(kuò)散規(guī)律研究[J];采礦與安全工程學(xué)報(bào);2014年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 潘東江;松散煤體的硅溶膠注漿滲透規(guī)律及長期固結(jié)穩(wěn)定性研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2838284