酸化反应对煤矿顶板硬砂岩断裂行为的影响

摘要

煤矿顶板硬砂岩断裂力学特征及其裂化机理对于煤矿切顶具有重要指导意义。借鉴酸化压裂思想,对浓度5%、10%、20%盐酸溶液分别浸泡7 d、14 d的内蒙古准格尔矿区硬砂岩半圆弯曲SCB试样实施三点弯曲加载,获取了上述样品酸化反应后Ⅰ型断裂韧度、断裂压缩功及断口形貌前后变化特征,初步明晰了酸化反应对煤矿顶板硬砂岩断裂行为的影响机制。研究表明:加载位移载荷关系曲线显示砂岩试样断裂后阶段斜率较大,表明试样砂岩脆性显著,酸液浓度及反应时间对砂岩脆性影响不大但对砂岩宏观断裂前的曲线形态具有影响;随着浸泡酸液浓度增大砂岩试样断裂韧度KIC呈递减趋势,反应时间越长递减斜率越小,反应初期损伤效应最为显著;随着酸液浓度增加试样岩石韧度的弱化,断裂压缩功随之减小;随着酸化反应进行砂岩试样断裂形式由单一张裂过渡为张裂剪切破裂混合形式,酸化后硬砂岩断裂破碎效率提升;结合反应前后岩石矿物组成及微观形貌分析认为,酸液通过腐蚀砂岩中微斜长石、高岭石矿物形成缺陷,破坏矿物质点间的结合强度;酸化能够显著降低硬砂岩断裂能耗与岩石破碎难度,有利于提升煤矿切顶效率。