基于核磁共振监测的砂岩强度软化实验及微观机制研究

摘要

随着煤炭开采向深部不断发展,岩石所处地质条件愈发复杂,地下水作用使得围岩强度明显降低,严重影响现场人员及生产安全。为研究巷道开挖后水岩相互作用对围岩性质的影响,以万福煤矿深部巷道砂岩为研究对象,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)及核磁共振实验(NMR),对砂岩样品矿物成分、孔隙尺寸及微观结构进行监测,研究孔隙结构随含水率的动态变化规律。结合关键含水率(0%,0.8%,1.6%,2.4%,3.3%)的室内力学实验结果,探讨砂岩强度软化机制。研究表明:(1)本次砂岩核磁共振T2谱曲线呈现单峰特征,随着含水率增加,总谱面积不断增加,峰值对应弛豫时间不断右移。根据实验过程中谱面积占比出现稳定阶段及相互转化阶段,将传统吸水三阶段过程进一步分为急速吸水、均匀吸水、孔隙转化及稳定吸水4个阶段,其中,孔隙转化过程主要发生在第Ⅲ阶段(31~113 h);(2)砂岩强度随含水率增加呈非线性衰减,衰减程度受围压影响,随围压增大强度软化程度越低,其中,单轴抗压强度软化系数为0.372;(3)实验过程中黏土矿物的膨胀及石英骨架的约束是小孔闭合的原因,而石英颗粒的错动、孔隙水的流动及可溶性矿物的溶解,会导致吸水过程中孔隙变大;(4)对不同吸水阶段的软化机制进行探讨,除了结合水膜的润滑作用、黏土矿物胶结能力下降外,孔隙的扩张、连通也是导致砂岩软化的重要原因,且影响砂岩最终的破坏形态。