240 ℃内盐岩物理力学特性的实验研究

由于其有利的地质条件及优良的物理力学特性,盐岩被视为是核废料地质处置的理想场所。研究表明,核废料在地下埋置若干年后仍然具有很强的放射性,使得围岩温度升高。因此,为保证核废料地下处置的安全性,研究盐岩在一定温度条件下的物理力学特性十分重要。通过对无水芒硝盐岩试件在20℃～240℃不同温度下的超声波测试、单轴压缩实验、不同角度下的楔形剪切实验以及直接剪切实验研究发现,随温度的升高(1)盐岩试件的超声波速在降低,超声波速与温度的关系为v=3.38e-0.0032T;(2)盐岩的单轴抗压强度及轴向应变均在增大,而变形模量Eq则在降低,盐岩的塑性变形及应变软化的特征更趋于明显,经回归分析,得单轴抗压强度与温度的对数关系曲线sc=4.54ln(T)-3.04;(3)盐岩的粘聚力和内摩擦角均增大,尤其是内摩擦角增幅明显,在20℃,60℃及120℃时的强度曲线分别为t=6.11+stan22.5°,t=7.06+stan27.6°,t=7.09+stan33.9°;(4)盐岩的剪切强度增强,剪切峰值强度与温度呈线性关系tpeak=0.0097T+6.9609。     

钙芒硝盐岩溶解渗透力学特性研究

溶解是盐类矿物的基本特性，渗透是流体在溶质浓度梯度、压力梯度及二者共同作用下经过多孔介质的运动。由于矿物组分溶解特性的差异，在一定渗透压力作用下，钙芒硝盐岩体内会产生溶解渗透交互促进作用，从而由低渗透介质变为高渗透的多孔介质，其渗透及力学特性受其矿物组分硫酸钠溶解程度的影响极大，这种特性称之为溶解渗透力学特性。实验结果表明，钙芒硝盐岩的渗透率为溶解渗透时间及渗透压的函数。在围压为2.0MPa、初始渗透压为1．0MPa的溶解渗透作用下，获得不同溶解渗透时间时渗透率与渗透压的关系。由于溶解渗透使得矿物组成及其结构的变化，钙芒硝盐岩在溶解渗透前后三轴力学特性差异也很大，在2．0MPa围压的作用条件下，溶解渗透49h之后，钙芒硝盐岩的强度由未溶解渗透时的46．53MPa，降低为溶解渗透后的11．42MPa：与此同时，弹性模量也由43．700MPa降低为0．834MPa。因此，溶解渗透对钙芒硝盐岩的力学特性有着极大的影响。     

盐岩蠕变特性的试验研究

盐岩蠕变特性会因矿物组成成分、加载应力水平的不同而异。通过对钙芒硝盐岩及氯化钠盐岩在不同载荷作用下多于100 d的蠕变试验研究发现:(1)在相同载荷7.0 MPa作用下,不同矿物成分盐岩的蠕变特性不同,钙芒硝盐岩的蠕变速率仅为氯化钠盐岩的3.67%,分别为8.72×10-6和2.38×10-4 d-1,二者有2个数量级之差;(2)在不同载荷作用下,盐岩的蠕变特性不同。在7.0 MPa载荷作用下,盐岩试件的蠕变速率为2.38×10-4/d;而在4.0 MPa载荷作用下,试件的蠕变速率为3.77×10-5 d-1,仅为前者的15.87%,表现出盐岩蠕变明显的应力效应特征;(3)在7.0和12.0 MPa两种不同载荷作用下,钙芒硝盐岩的蠕变率分别为8.72×10-6 d-1和1.12×10-5 d-1,后者为前者的1.28倍,与变形量比例相一致。最后,通过分析建立盐岩瞬态蠕变和稳态蠕变的耦合本构方程,该方程拟合曲线与试验结果曲线吻合较好。所获试验结果及本构方程可对层状盐岩矿床内建造油气储库的稳定性分析提供一定的参考依据。     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。     

复合盐钙芒硝溶解性分析

基于钙芒硝是一种强碱盐,以四川同庆钙芒硝为例,研究其在不同种碱溶液和酸溶液下的溶解速率及溶解速度,实验发现温度越高溶解速率及溶解速度下降越迅速,使钙芒硝溶解变慢;通过化学溶解机理分析得出,其溶解后硫酸钙结晶会形成一层膜覆盖在矿物表面,减少溶解表面面积,对硫酸钠的溶解有抑制作用。     

钙芒硝单轴压缩力学特性的试验研究

利用高精度μCT225KVFCB显微CT试验系统和JL型微机控制电液伺服万能试验机,对钙芒硝单轴压缩力学特性进行了研究。研究表明:钙芒硝压密阶段不明显,且存在刚性阶段;钙芒硝单轴抗压强度平均为7.54 MPa,属于软岩,其单轴抗压强度随着物质密度的增大而增大,随物质密度不均匀程度增大而减小,且与X射线衰减系数、衰减系数方差呈线性拟合关系。     

钙芒硝溶解渗透试验研究

对钙芒硝矿床开采的主要目的是提取其所含的硫酸钠成分,不管采用哪种开采方法,从钙芒硝中提取硫酸钠都会涉及钙芒硝的溶解与渗透。利用高精度μCT225KVFCB显微CT试验系统和MDS-200型三轴渗透试验系统,对在孔隙压出水口敞口状态下的钙芒硝进行了溶解渗透试验的进一步研究。研究表明:在溶解渗透试验过程中,钙芒硝固体骨架由致密不渗透的结构变成了可渗透的多孔介质,其固体骨架一直保持完整;随着溶解渗透时间的不断持续,由于结构的致密程度和矿物成分不断的发生变化,致使其力学性质和有效应力也在不断的发生变化;在轴压、围压不变的情况下,试件溶解贯通所需的时间随着注水压的增大减小,渗透系数随着注水压的增大而增大,随着时间的持续而增大。     

石灰岩单轴压缩尺度效应试验研究

选取河北省井陉坚硬致密的石灰岩,加工成截面为50mm×50mm,长度分别为50, 100, 150, 200, 250, 350, 400mm的方柱,进行单轴压缩试验,得出了一些统计规律: ( 1 )长细比在1~3倍范围内,长细比对岩柱单轴抗压强度没有显著影响,而弹性模量近似呈直线增大,变形模量变化与弹性模量类似,其值约为弹性模量的83%; ( 2 )随着岩柱长细比的增大,岩柱脆性增强,岩柱对应力集中的敏感程度增大,长细比大于3以后,岩柱单轴抗压强度随长细比增加呈幂函数关系减小; (3)岩柱泊松比随长细比增加呈幂函数增大,长细比大于3以后,岩柱表面破损严重,其泊松比变化在0.4左右; (4)岩柱轴向极限应变随长细比增加呈幂函数减小,其吸收能量的性能减弱。     

盐矿群井致裂控制水溶开采技术及应用

分析了现有盐类矿床水溶开采技术优缺。阐述了盐类矿床群井致裂控制水溶开采技术的原理和实施步骤,详细介绍了该技术在运城盐湖芒硝矿床开采中的应用。实践结果表明,盐类矿床群井致裂控制水溶开采技术是一项技术上可行的新方法,运用该技术可以有效控制岩盐的溶解,保证岩盐溶腔的均匀发展;同时,可以极大提高资源回采率、降低生产成本、提高生产效益。     

薄直接顶下大采高综放采场支架工作阻力研究

为提出适用于薄直接顶下大采高综放开采工作面支架-围岩力学关系,并推导出液压支架工作阻力计算公式,以斜沟煤矿13~#煤层开采为工程背景,采用理论分析方法进行研究,并采用数值模拟及现场观测方式进行验证。使用推等的公式计算得出13~#煤层开采时工作面最大支护阻力为16 978.3 kN,支护强度约1.39 MPa。3DEC模拟结果显示:支护强度为0.8 MPa时,工作面有压架危险,支护强度为1.2 MPa时,采取合理卸压方式可较好控制顶板,支护强度为1.6 MPa时,顶板可被安全控制;现场矿压观测结果显示:工作面开采过程中支架承受最大载荷为16 182 kN。