軟巖-水相互作用及軟巖泥化物固化特性試驗研究.pdf

1、本文以治理軟巖巷道底板泥巖泥化物為工程背景，提出采用自研泥化物高效固化劑與聚丙烯纖維固化巷道底板泥巖泥化物，以形成礦山地下運輸?shù)缆?，保障生產(chǎn)的順利進行。論文通過水—泥巖相互作用試驗，研究了泥巖遇水后，水溶液化學場變異與巖石宏觀物理力學性質(zhì)之間的關(guān)系；分析了高嶺石型泥巖遇水軟化的原因與機理；通過大量的室內(nèi)試驗，對泥化物固化體的物理、力學、疲勞、損傷等特性進行了系統(tǒng)分析與研究；最后通過現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬對巷道固化底板的適用性進行了驗證。本文

2、的主要研究內(nèi)容及成果如下： 1)通過泥巖試樣浸水試驗，對水—巖相互作用過程中泥巖的物理力學特性進行了研究；通過電位滴定儀、電導儀、等離子體發(fā)射光譜儀、離子色譜儀等設備，對不同時間點水溶液的pH值、電導率、陰陽離子濃度等參數(shù)進行了測試。根據(jù)試驗結(jié)果詳細分析了水溶液相關(guān)參數(shù)(pH值、電導率、陽離子濃度、陰離子濃度)與巖石物理力學參數(shù)(抗壓強度、彈性模量、含水率)的關(guān)系，建立了水溶液化學性質(zhì)與巖石損傷的關(guān)系演化模型，并用實測數(shù)據(jù)對其進

3、行了驗證． 2)通過X射線衍射儀(XRD)、能譜分析儀(EDX)、掃描電鏡(SEM)、X射線熒光光譜儀(XRF)等試驗設備，對神東礦區(qū)高嶺石型泥巖及泥化物的物質(zhì)組成與微觀結(jié)構(gòu)進行測試，研究了該泥巖遇水軟化過程中微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成的動態(tài)變化特征，并對泥巖遇水軟化的原因與機理進行了分析。 3)針對泥巖泥化物的微觀結(jié)構(gòu)特點，研制了一種高效泥化物固化劑。通過不同固化劑摻量、養(yǎng)護齡期固化體的力學性能試驗，對固化體的強度與變形規(guī)律進

4、行了研究，得到了固化體一定齡期內(nèi)抗壓強度與破壞變形的預測方程，提出了基于齡期的“最低固化劑摻量”概念。 4)為提高固化體的韌性，將聚丙烯纖維、固化劑與泥化物拌合制成纖維固化體。通過室內(nèi)試驗研究了纖維固化體的物理力學特性，分析了不同固化劑摻量、纖維摻量及纖維長度對纖維固化體力學性能的影響與作用效果，了解了纖維固化體的抗?jié)B性與水穩(wěn)定性；通過掃描電子顯微鏡(SEM)對纖維固化體的微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察，分析了纖維對固化體的加固作用機理。

5、 5)通過纖維固化體靜態(tài)全過程試驗得到了不同配比纖維固化體體積壓密點的位置；通過單軸壓縮疲勞動載試驗以及唯像學的方法，確定出了不同配比纖維固化體疲勞門檻值在其應力應變曲線上的分布范圍，研究了纖維固化體的極限變形規(guī)律和疲勞變形特征，對影響纖維固化體疲勞壽命和破壞進程的因素進行了分析。以試驗數(shù)據(jù)與疲勞損傷理論為基礎(chǔ)，提出了纖維固化體的疲勞損傷演化方程，并用實測數(shù)據(jù)對其進行了驗證。 6)通過纖維固化體的單軸循環(huán)加卸載試驗，分析了

6、纖維固化體損傷變量與應力、應變之間的關(guān)系，以及損傷應力、應變閥值與損傷變量的關(guān)系；通過假設纖維固化體的損傷變量服從Weibull分布，將損傷應變閥值以參數(shù)的形式引入Weibull模型，提出了基于三參數(shù)Weibull分布的損傷演化與本構(gòu)關(guān)系模型，并用實測數(shù)據(jù)對模型進行驗證與分析。 7)將固化劑與聚丙烯纖維應用于現(xiàn)場泥化底板硬化試驗，試驗結(jié)果表明，本文提出的泥化底板治理方案是切實可行的，固化底板在井下具有良好的力學與水穩(wěn)定性，路面整