文摘
泥岩和页岩的粗砂岩样品在中国西北侏罗纪单位收集弱胶结岩石的渗流机理研究受到地下采矿作业。样品进行了研究使用三轴压缩下渗流实验考虑两个过程:完整的应力-应变和postpeak装卸。结果表明,渗透率变化密切对应偏stress-axial应变过程中完整的应力-应变。初始磁导率是最低的7倍,初步对比差异较小,峰值和残余渗透。渗透率的大小范围从10−17到10−19米2,代表防水性质稳定,订单1 - 2低比页岩的粗砂岩,泥岩的防水性质表明泥岩要好得多比页岩的粗砂岩。渗透率与围压呈负相关关系。为了应对这种压力,泥岩的渗透率变化更快比页岩的粗砂岩postpeak装卸过程中。弱胶结岩石的渗透率较低根据与同属的普通的岩石。这种区别更显著的初始磁导率。分析基于扫描电子显微镜(SEM)观察和矿物成分表明,样品富含粘土矿物蒙脱石、高岭土等,其hydroexpansiveness固有的属性和hydrosliming可以被认为是主导因素的渗透性能弱胶结岩石渗透率较低。
1。介绍
地下煤炭开采,默认情况下,经常导致主要岩石压力和剧烈的改变进一步触发原始岩石的变形和失败。应力集中的影响下和卸载,岩石的渗透率变化复杂以及修改的岩石的应力状态的变化。这种变化会引发矿井突水等工程问题和水输。因此,在各种应力状态下岩石渗透率变化的一个关键的科学方面评估煤矿水力和环境的影响。由于干旱和半干旱条件下,水资源短缺和脆弱的环境,中国西北敏感地下采矿作业,经常接触到侏罗纪和新第三纪地层成岩作用较短、强度低、弱胶结,特别是在内蒙古,新疆,甘肃,宁夏。理解这些地层在不同压力条件下的渗流特点以及调查的渗流变化不同的应力路径具有重要意义,以减少负面影响的地下煤炭开采对地下水资源和流分布。
研究将岩石的渗透性和渗流行为已经完成之前,包括应力和应变之间的关系的研究和磁导率与应变之间的贴合岩石和脆性岩石(1- - - - - -4),以及渗透率的研究过程中完整的应力-应变变化。赵et al。5和Zhang et al。6]发现连接和脆性岩石的初始渗透率略大于其最低,而最大渗透率出现在剩余阶段通过分析渗透率变异的破碎石灰石、易碎的石灰石、中砂岩和细砂岩。王的实验和徐7]表明,砂岩的渗透率急剧下降,残余阶段,非常不同的最大渗透率在完整的应力-应变路径。其他研究人员(8- - - - - -10]分析了裂缝的渗透率变异行为和脆性岩石在不同的实验条件下,包括围压、渗透压力、孔隙压力和装卸的压力。因此,Billiotte et al。11和黄等。12]发现渗透脆性泥岩、砂岩,有节的砂岩,粉砂岩都随着围压的增加而减少。李等人。13)发现,围压和孔隙压力的影响砂岩的渗透率显著在postpeak阶段少,但大量的在prepeak阶段。围压下砂岩样品的气体渗透率变异也研究了王et al。14],他表示,透气性比以前更大的卸货后加载,加载过程中比在相同围压下卸货。此外,压力、渗流和温度耦合的研究(15的更复杂的实用条件下渗透率变化规律。孟et al。16和丁等。17]发现千枚岩的渗透性和裂缝砂岩在有限范围内随温度增加而降低,但当温度超过一定值增加。同时,增加围压是一个减少温度对裂缝砂岩的渗透性的影响。
目前,岩石渗透率在不同条件下的基本变化规律可以通过上面的方法;然而,很少有研究从与弱胶结地层岩石样本收集。侏罗纪地层的岩石托管在中国西北部或其同类成岩作用较短,弱胶结,和较低的强度,对管理因素的进一步研究渗透率的变化是必需的。
根据以往的研究,本文从侏罗纪收集粗砂岩泥岩和页岩的弱胶结形成托管在内蒙古Laosangou煤矿样本测试渗透率下三轴压缩利用MTS815测试仪。此外,微观结构和矿物组成。结果表明,泥岩和页岩的粗砂岩是弱胶结和开发了空洞和松散的结构。这些样品富含粘土矿物,包括高岭土,伊利石,蒙脱石,有肿胀和的特点在遇到水泥浆堵漏。这些分析有助于揭示弱胶结的渗流性质泥岩和页岩的粗砂岩,为工程项目提供实用信息。
2。方法
地下煤炭开采给原始岩石塑性区,大多数岩石转换到postpeak阶段,但外面的岩石区域可以进行完整的应力-应变的过程。因此,通过关注这样的岩石样本,本文主要研究实验的可变性在渗透过程完整应力应变以及postpeak装卸。此外,塑料的水平应力软化区和塑料残留区平均50 - 80%的主要岩石的压力。所以,卸载和利率的压力和是用来模拟岩体的应力状态不同的塑料区postpeak装卸过程中。
基于瞬态方法,典型的泥岩和页岩的粗砂岩样品的弱胶结地层侏罗纪和使用电液伺服系统进行测试,以确定渗透率在完成的过程中应力-应变以及postpeak装卸。根据实验的结果,渗透率的变化在不同压力和围岩压力进行了分析。
2.1。实验方案
每个岩石核心收集从一个原位钻孔Laosangou煤矿在内蒙古,然后标准化是适合渗流实验在实验室里。浸泡在水里后,样本测试通过控制恒加载速率和渗透压差。围压应该12 MPa基于采样深度500米。接下来,两个场景,包括完整的应力-应变和postpeak装卸、设计调查渗透率变异的岩石样本。信息的岩石样本制备和测试参数如表所示1。
2.2。测试方法
在完成的过程中应力-应变,围压调整到12 MPa模拟原始岩石的应力状态。静水压力下的初始磁导率可以被测量。然后,轴向应力由维护应用位移,在此期间动态渗透率记录直到残余强度阶段。
postpeak装卸过程中,预处理类似,先前的研究中使用。12的围压MPa是保持模拟原始岩石的应力状态。残余强度阶段后,渗透率记录,同时保持一个常数的围压加载速率和减少12 MPa ( )9 MPa ( )6 MPa ( )然后增加围压9 MPa ( )然后12 MPa ( ),3.75×10的速度−2MPa /分钟。这一过程的应力路径图所示1。
3所示。结果
渗透率变异的岩石样本在两个进程可以通过三轴压缩下进行渗透测试。结果如下。
3.1。完整的过程应力-应变
测试结果为弱胶结的渗透性泥岩和页岩的粗砂岩在完成的过程中应力-应变图所示2。
(一)
(b)
失效模式(图的观察2)表明,泥岩样品似乎有一个紧凑的结构和一些杂质,而大颗粒填料中直观地观察到页岩的粗砂岩。此外,泥岩样品经历了明显的塑性变形。样本的页岩的粗砂岩,经过测试,主要断裂从底部向上倾斜的。
图2介绍了偏应力之间的变化,磁导率和轴向应变两种类型的样本在整个完整的应力-应变的过程。三个阶段,包括整合和弹性阶段、屈服阶段,和残余阶段,可以定义来描述渗透率变异在整个完整的应力-应变的过程。对弱胶结泥岩和页岩的粗砂岩样品,在第一阶段,渗透率逐渐降低,直到最低了。在第二阶段的开始,渗透率迅速增加,直到达到最大,然后稍微减少在第三阶段,当渗透率约等于峰值。两个样本的渗透率小于10−17米2,这表明岩石渗透性低,防水性能强。此外,泥岩不渗透性较强,因为其渗透率是2数量级低于页岩的粗砂岩。
在这篇文章中, , , ,和是最小渗透率、初始磁导率、平均渗透率在剩余阶段,和最大渗透率弱胶结泥岩和页岩的粗砂岩,分别。通过比较,略有不同和和大大不同 。具体来说,两个样本的值是6.717和7.546倍 。除此之外,值是1.211和1.787倍 ,和值是1.065和1.769倍 。弱胶结泥岩和页岩的粗砂岩的渗透率在每个阶段总结在表2。
3.2。Postpeak装卸的过程
偏应力与渗透率曲线的轴向应变的增加在整个postpeak装卸过程如图3。
(一)
(b)
泥岩样品图3(一个)表明,磁导率稳步增加约6.3×10−19米21.05×10−18米2与围压卸载从12 MPa 6 MPa,大大降低7.0×10−19米2然后6.8×10−19米2与围压加载,而渗透率页岩的粗砂岩样品看到了不同的进化特征。图中可以看到3 (b)之后,显著增加从6.8×10−19米2约8.6×10 (12 MPa)−19米2(6 MPa)与围压卸荷,渗透率不断增加到9.4×10−19米2与围压增加3 MPa,然后落回小于8.0×10−19米2(12 MPa)。
的整体演化特征,如图3,弱胶结岩石的渗透率是影响与围压负相关。泥岩样品的渗透率敏感出现同步与围压变化。当渗透率变异是滞后发生在页岩的粗砂岩样品。围压卸载过程中,渗透率增加围压时略有减少从12 MPa时9 MPa,大大降低围压进一步增加从9 MPa 12 MPa。当围压的增加,渗透率表现出相反的趋势,当围压降低。这些分析表明低围压可以极大地影响岩石渗透率在整个postpeak装卸的过程。
装载和卸载完成后,终止阶段的渗透率是略高于原始渗透率。具体来说,最后的泥岩和页岩的渗透率粗砂岩渗透率的1.082和1.084倍装卸前,分别。与初始渗透率相比,最终渗透率的1.158和2.153倍为泥岩和页岩的粗砂岩,分别。泥岩,其磁导率是1数量级低于页岩的粗砂岩,具有更强的防水性质。每个阶段的渗透率postpeak装卸表进行了总结3。
4所示。讨论
基于上面的渗流实验结果,本文发现,弱胶结的岩石的渗透率特征明显不同于常见的岩石。选择其他类型的常见的泥岩和砂岩进行比较,其渗透率曲线显示在图4。具体来说,三个指标包括初始渗透率,最小渗透率,峰值磁导率可以用来揭示弱胶结的岩石的渗透率差异特征等等。基于渗流实验泥岩样品由刘等人(2015年18),可以看出首先在图4(一)弱了泥岩的渗透率明显低于普通泥岩的差距2订单大小。此外,从某个初始值,共同泥岩的渗透率略降至最低,但峰值大幅飙升,这是大约6倍初始,而弱胶结的渗透率曲线泥岩看到一个完全不同的特点。只有一个小的初始磁导率和峰值之间的差距,其值大于最小值。至于砂岩,人物4 (b)表明有一个相对较小的初始磁导率和弱胶结砂岩的峰值渗透性,和弱胶结砂岩的渗透率只是略低于普通砂岩测试由张等人(2013年6]。全应力-应变过程中,初始渗透率普遍砂岩只是最低的1 - 2倍,但显著小于最大渗透率,其价值甚至前的50倍。
(一)
(b)
根据上述比较,弱胶结的岩石渗透率较低时完成的整个过程比其他类型的常见的岩石应力-应变。此外,其渗透率特征也截然不同。因此,为了探索等因素导致弱胶结的岩石的渗透性特征,调查是否有渗流特性和微观结构与成分之间的相关性,进一步研究围绕着组织和成分应该推出使用扫描电子显微镜(SEM)和x射线衍射(XRD),分别。
4.1。微观结构的影响
近年来,SEM被赋予越来越昂贵的应用调查自然岩体内的微观结构(19]。弱的SEM结果巩固了泥岩和页岩的粗砂岩在图所示5。
(一)
(b)
的放大2000倍,絮状高岭土和片状伊利石等丰富的结构观察,如图5(一个)。絮状填料类似高岭土还存在于页岩的粗砂岩的孔隙,如图5 (b)。后出现放大8000倍,孔隙发达的泥岩和页岩的粗砂岩。这些空洞表明,高岭土和伊利石等粘土矿物中存在两种类型的观察,也有松散的结构,开发了空洞,弱胶结。矿物质都观察到表现出相当大的肿胀和泥封当遇到水(20.,21]。这种反应可能是一个主要因素造成的低渗透率小于10−17米2泥岩和页岩的粗砂岩以及强大的防水性能。然而,松散结构和空洞导致岩石压缩,导致样品的初始磁导率7次最低全应力-应变过程中。
4.2。矿物成分的影响
XRD分析是利用弱胶结泥岩和页岩的粗砂岩的成分;的衍射模式如图6。
(一)
(b)
XRD结果表明,泥岩包含丰富的粘土矿物,如高岭土、蒙脱石和伊利石,而页岩的粗砂岩,主要含有高岭土和伊利石。两个样品的粘土矿物的内容列在表中4。具体来说,石英占据了最高的内容泥岩和页岩的粗砂岩,浓度为73.13%和79.90%,分别,其次是粘土矿物,用百分比分别为21.89%和10.65%。泥岩中的粘土矿物的主要成分高岭土、蒙脱石、伊利石和总粘土矿物的百分比为15.09%,2.24%,和4.56%,分别。页岩的粗砂岩中粘土矿物的主要成分是高岭土和伊利石,总粘土矿物浓度为4.50%和6.15%,分别。相比之下,泥岩中的粘土矿物的2.06倍比这丰富的页岩的粗砂岩。
相比,页岩的粗砂岩,泥岩粘土矿物的类型和内容,这可能是主要原因,泥岩的渗透率是一到两个数量级低于页岩的粗砂岩在不同的测试。同样,构成测试的结果表明,弱胶结岩石的渗透率是粘土矿物含量成反比。
弱胶结泥岩和页岩的渗透率变异的粗砂岩全应力-应变过程中可以描述如下。在巩固和弹性阶段,样品中存在的天然孔隙逐渐巩固和新骨折尚未生成。因此,渗透率逐渐降低速度更快的整合阶段比弹性阶段。渗透率达到最低的弹性阶段。在屈服阶段,渗透率增加迅速,新的骨折逐渐发展。同时,新的骨折发展最充分的应力达到峰值时,渗透率也上升到最大值。在剩余阶段,裂缝继续发展,先前生成的骨折可能开始接近。另外,遇到水后,高岭土和伊利石等粘土矿物样品可能膨胀,把泥浆,可以填补一些渗流通道。在这些因素的共同作用下,弱胶结泥岩和页岩的粗砂岩的渗透率达到高峰值。
5。结论
基于弱胶结泥岩和页岩的粗砂岩样品从中国西北的侏罗纪,渗透率是通过两种类型的测试过程:完整的应力-应变和postpeak装卸。一般的弱胶结岩石的渗透率变化规律。SEM和XRD分析结果表明,渗流特性密切相关的微观结构和成分的岩石,和关系的简要分析。
三轴压缩下的渗流实验表明,弱胶结岩石的渗透性有独特的特点。全应力-应变过程中,弹性阶段的渗透率逐渐降低,直到达到最小值。然后,它迅速增加到最大的产量阶段,由轻微的降低残余阶段后,在它达到和保持峰值。初始磁导率是最低的7倍,初步对比差异较小,峰值和残余渗透。渗透率范围从10−17到10−19米2,代表防水性质稳定。泥岩称拥有更好的耐水性,其磁导率为1 - 2个数量级低于页岩的粗砂岩。磁导率和围压之间存在负相关,因此,泥岩的渗透率变异速度比在页岩的粗砂岩postpeak装卸过程中。
SEM和XRD结果表明,岩石样本发达孔隙和松散,弱胶结结构。此外,高岭土等粘土矿物蒙脱石和伊利石非常丰富。分析表明一些自然压缩空间可能是原因,初始磁导率大约是7倍的最小渗透过程中完整的应力-应变。此外,粘土矿物赋予样品具有较强的耐水性,因为肿胀和泥封特点而遇到水。在剩余阶段,这些特征也允许裂缝继续发展;同时,之前开发的骨折可能开始缩小,渗透率仍然约常数。相比,页岩的粗砂岩,泥岩中有更多的粘土矿物但渗透率较低,这表明渗透到粘土矿物含量成反比。
数据可用性
这个手稿的数据是在实验室测试的煤炭资源安全开采的国家重点实验室,中国矿业大学和技术,提供给授权用户。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号51504240),中国国家重点基础研究计划(973计划)(批准号2015 cb251600),中央大学的基础研究基金(批准号2017 xkzd07),江苏省基础研究计划(中国)国家自然科学基金(批准号BK20150051),煤炭资源安全开采的国家重点实验室(批准号SKLCRSM18X007)和中国江苏省Qinglan项目(批准号[2016]15)。