鈣芒硝礦原位溶浸開(kāi)采礦體變形及地表沉陷預(yù)計(jì)基礎(chǔ)研究.pdf

1、鹽類礦床是重要的化工原料，由于其易溶于水的特點(diǎn)，多采用鉆井水溶法進(jìn)行開(kāi)采。鈣芒硝礦為一種特殊的鹽類礦床，一般也采用水溶開(kāi)采辦法進(jìn)行開(kāi)采，但是由于其特殊的礦物組成，可溶成分溶解后殘留固體骨架仍具有一定支撐能力，從而不僅影響其中流體的滲流輸運(yùn)特性，而且也影響著礦體自身與上覆巖層的變形甚至地表沉陷。這一變形特性與溶浸過(guò)程中礦體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化與力學(xué)特性弱化有著密切的關(guān)系。為揭示這一內(nèi)在影響規(guī)律特征并進(jìn)行相應(yīng)沉陷預(yù)計(jì)理論分析，本論文采用實(shí)驗(yàn)研究方

2、法，對(duì)鈣芒硝礦原位溶浸開(kāi)采過(guò)程中不同溶浸條件下的結(jié)構(gòu)演化及力學(xué)特性進(jìn)行了研究;在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用理論分析與數(shù)值模擬的方法，對(duì)鈣芒硝礦體溶浸開(kāi)采過(guò)程中的礦體與覆巖變形進(jìn)行了分析研究。主要內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　1、利用μCT225kVFCB型高精度（μm級(jí)）顯微CT試驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同溫度、不同溶浸時(shí)間作用下的φ25mm鈣芒硝礦試件進(jìn)行了細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化研究。研究發(fā)現(xiàn):不同溫度溶浸液作用下鈣芒硝細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)理不同。常溫條件下，泥質(zhì)膠結(jié)物

3、的水化膨脹作用明顯;35℃和65℃溶浸條件下，水化膨脹產(chǎn)生裂紋，可溶成分溶解主要沿著裂紋滲透溶解;95℃溶浸液作用下，溫度對(duì)溶液濃度的擴(kuò)散起了主要作用。
　　2、不同溫度溶浸作用下，鈣芒硝礦試件中裂紋起裂位置有如下特點(diǎn):其一是白色鈣芒硝晶體和泥質(zhì)膠結(jié)物界面處;其二是晶粒較大的鈣芒硝晶體內(nèi)部。溫度對(duì)鈣芒硝礦膨脹率變化作用明顯，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，鈣芒硝礦膨脹率隨溫度的增加而降低。
　　3、利用TYT-600電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

4、，對(duì)不同濃度鹽溶液浸泡20d后的鈣芒硝礦標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):由于礦體中親水性礦物吸水膨脹崩解、硫酸鹽的溶解、離子交換、Cl-侵蝕等因素的作用，鈣芒硝礦體力學(xué)特性嚴(yán)重弱化。在半飽和與飽和鹽溶液中溶浸20 d后，鈣芒硝極值強(qiáng)度弱化系數(shù)分別降低至0.2與0.1。
　　4、對(duì)φ50mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)鈣芒硝礦試件分別進(jìn)行了溶浸作用后飽水與排水兩種狀態(tài)下的三軸壓縮變形試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn):受孔隙水壓及礦物溶解所致固體骨架力學(xué)特性弱化的綜

5、合影響，在飽水與排水兩種條件下，鈣芒硝礦試件軸向變形差異較大。
　　5、采用西原模型，描述飽水狀態(tài)下鈣芒硝礦在三軸壓縮長(zhǎng)期作用下的變形特性，通過(guò)定義孔隙率隨時(shí)間變化的關(guān)系式，建立了該特殊條件下礦體變形本構(gòu)方程ε(t)=σ1+2σ3-3ΦP/9K+σ1-σ3/3G1+σ1-σ3/3G2[1-exp(-G2/η2t)]2/3(σ1-σ3)＜f'3并和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，獲得其剪切模量與黏滯系數(shù)等參數(shù)。
　　6、根據(jù)鈣芒硝礦床的層狀賦存