基于水化学溶液的含黏土矿物泥岩吸水过程实验研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zxd19811219
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煤炭开采的主要环境是多种泥质岩层赋存的沉积岩层。高矿化度矿井水对含黏土矿物泥质巷道的侵蚀常常诱发支护结构破坏,严重影响矿井支护安全,正确预测泥岩吸水动态过程是解决泥质巷道围岩安全控制的根本保障。论文通过XRD 测试、吸水实验、正交实验、模型构建、理论分析等研究了典型泥岩吸水规律、吸水模型及阶段性特征和黏土矿物、溶液性质的作用,得出主要结论如下:  (1)通过特殊试样制备、XRD分析、吸水实验研究了典型泥岩的吸水过程。典型泥岩吸水符合负指数函数,黏土矿物类型、含量、岩样尺寸、自然含水率、孔隙率、溶液性质是影响泥岩吸水量、含水率及吸水速率衰减速度的关键因素。  (2)通过正交实验构建了泥岩吸水量模型和吸水速率模型,并对吸水曲线进行阶段性划分。泥岩吸水量模型为Q=Q0+A1e-t/k1+A2e-t/k2+A3e-t/k3,根据模型参数k(衰减系数),将曲线分为 4 个阶段:瞬时吸水段、极速吸水段、快速吸水段、慢速吸水段;泥岩吸水速率模型为v=v0+2M÷π×w÷[4(t-t0)2+w2],曲线根据趋势分为4个阶段:突增段、突降段、缓冲段、稳定段。  (3)通过直观分析法分析了7个因素各3个水平对泥岩吸水过程的影响程度,得出影响最大的水平组合。各因素对泥岩吸水量全过程曲线的影响程度由大到小依次为pH值、黏土类型、压实度、黏土含量、阳离子、溶液浓度和阴离子,水平组合为伊利石、含量70%、压实度为5MPa、阳离子为Na+、阴离子为CO32-、溶液浓度为饱和溶液、pH值为7时对泥岩吸水量影响最大。各因素对泥岩吸水速率全过程曲线的影响程度由大到小依次为pH值、黏土含量、黏土类型、阴离子、压实度、溶液浓度和阳离子,水平组合为伊利石、含量30%、压实度为15MPa、阳离子为K+、阴离子为Cl-、溶液浓度为0.1mol/L、pH值为7时对泥岩吸水速率影响最大。  (4)通过实验过程中试件波速、高度和直径,溶液 pH 值及温度,环境温度和湿度7个基本参数的实时监测,揭示了泥岩阶段性吸水过程机理。基本参数曲线的波动范围及走势是泥岩吸水动态变化特征的关键信息,是孔隙率变化、颗粒排列、黏土矿物膨胀、物理化学反应和实验环境的分析基础。
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