酸化煌斑岩物理力学特性及其对采场覆岩运移的影响

摘要

坚硬顶板条件下矿压显现规律相比于普通顶板条件下，其矿山压力显现更为剧烈。采掘煤层推进后，坚硬顶板大面积悬露但并不垮落，垮落步距较普通顶板条件下急剧增大。煤层采掘后，坚硬顶板应力重新分布，造成煤层围岩应力不均，此类硬脆性岩层吸收了大量弹性势能，并在峰值瞬间爆发，当其垮落时，可能会对采场和工作面造成严重破坏，甚至发生矿震和冲击地压事故。特别是在特厚煤层开采条件下，产生的后果更加严重。
　　在大同矿区，煌斑岩以层状大面积状态侵入3-5号近20m厚的特厚煤层的顶板，形成坚硬顶板。通过对煌斑岩的岩石学特征研究发现，煌斑岩内部含有大量碳酸盐类成分，因此本文基于此，提出了使用酸溶液软化煌斑岩方法（简称这种方法为酸化），旨在降低煌斑岩强度，减小其冲击倾向性，降低坚硬顶板对下部特厚煤层开采的不利影响。
　　本文从对酸化煌斑岩力学实验，微观实验，数值模拟方法入手，对溶液pH值，电导率值，酸化煌斑岩试样力学性质，扫描电镜结果，及建立的数值模拟模型等方面进行研究，得到酸化煌斑岩强度损伤情况，及微观上试样结构变化。通过建立UDEC模型，得到酸化前后特厚煤层开采时塑性区和垂直应力的变化。主要研究内容和成果如下：
　　（1）对煌斑岩浸入酸溶液后溶液pH值和电导率值进行实时监测，结果显示，煌斑岩浸入酸后，溶液中反应可大致分为两个阶段，分别为迅速变化阶段：此阶段pH值快速上升，电导率值迅速下降，且随着溶液pH值的降低，此阶段有变长的趋势；缓慢变化阶段：在这个阶段内，pH值缓慢上升，电导率值缓慢降低。
　　（2）通过实验室实验对酸化煌斑岩试样岩石特征和力学性能进行研究，探究煌斑岩酸化前后单轴抗压，巴西劈裂力学特征，质量损失，充分了解酸化煌斑岩特性。结果显示，酸化煌斑岩试样单轴抗压强度和巴西劈裂强度降低十分明显，且溶液pH值越小，强度损伤越大，弹性模量损伤越大，质量损失越多。
　　（3）通过对酸化煌斑岩试样进行微观实验、元素分析及数值模拟模型建立，探究煌斑岩酸化前后微观结构变化，及从数值模拟方面探究试样模型的接触网络，接触力链变化。结果显示，酸化煌斑岩试样表面孔隙数量增多，尺寸增大，C元素缺失。与初始状态接触网络相比，接触网络区域断裂破坏显著，且浸泡试样的溶液pH值越小，破坏越显著。且接触力链较平衡状态变粗，意味着球体更容易被破坏。
　　（4）通过建立煌斑岩酸化前后侵入条件下UDEC模型，得到酸化前后煤层及顶板活动规律影响。结果显示，与原始状态相比，煌斑岩顶板经酸软化后的初步垮落步距减小，降低了其作为坚硬顶板对下部煤层开采造成的不利影响。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 工程概况

2.1 地质条件

2.2 煌斑岩侵入状况

2.3 煌斑岩岩石学特征

2.4 煌斑岩侵入冲击地压灾害情况

2.5 本章小结

第三章 酸化煌斑岩物理力学特性

3.1实验依据与仪器

3.2煌斑岩酸化反应表观现象

3.3溶液pH值的变化

3.4溶液电导率值的变化

3.5酸溶液浸泡前后试样质量损失

3.6酸化煌斑岩单轴抗压强度

3.7酸化前后试样间接抗拉强度

3.8本章小结

第四章 酸化煌斑岩性能劣化微观机理研究

4.1概述

4.2试样制备及实验仪器

4.3扫描电镜实验

4.4 酸化前后试样表面元素分析与分布

4.5 颗粒流软件数值模拟

4.6本章小结

第五章 煌斑岩酸化后采场覆岩运移规律

5.1 概述

5.2 UDEC软件原理

5.3 数值模拟模型的建立及参数选择

5.4 不同条件下的覆岩运移数值模拟

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要完成内容

6.2 主要结论

6.3 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的学术成果与参加科研项目情况