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下组煤底板岩石渗透特性及微观机理研究

戎虎仁  
【摘要】:随着华北煤田浅部煤炭资源开采殆尽,受承压岩溶含水层威胁的下组煤开采日益增多;为了安全开采下组煤,必须对底板的含、隔水层及其形成机理有充分、深入的认识。本文以下组煤底板岩石为研究对象,依据传统地质学结合现代矿物分析技术研究岩性特征,通过室内实验、相似试验、理论分析研究下组煤底板岩石的微观空隙结构特征及其对渗透性的影响,并从微观角度阐释岩溶含水层形成机理和以及碳酸盐岩隔水特性,取得如下创新成果:(1)利用压力溶蚀方法制备微观结构连续变化的岩样,分析了微观结构对渗透性的影响,分别得到泥质石灰岩、细砂岩孔喉直径占孔隙比例与渗透率的关系式,结果表明:不同直径段孔喉占孔隙比例与岩石的渗透性呈正相关,不同岩石呈现不同的规律。(2)根据试验结果,建立了不同直径段孔喉占孔隙比例与渗透率的方程式;基于铸体薄片的孔喉数理统计结果,表明岩石孔喉空间分布并非纯粹的随机变量而是随机场;并建立了考虑孔喉空间变异性的渗透模型。(3)利用图像处理技术对岩石铸体薄片进行阀值分析,得到微观实体渗透物理模型,通过Comsol有限元模拟分析了孔喉直径、渗透压力梯度对岩石微观渗透的影响,结果表明:消压强度与孔喉直径呈现幂函数关系。(4)岩石成分的可溶性强弱控制溶蚀速率,微观结构控制岩石溶蚀后的形态;石灰岩成分上的可溶性强、渗透性弱和微观孔隙结构中孔喉分布的不连续不均一是造成溶蚀集中力强的本质原因,也是石灰岩发育成强岩溶含水层的主要原因,白云岩成分上可溶性相对较差,微观孔隙结构中孔喉连续均匀分布,使得岩石均匀等效溶蚀,所以形成蜂窝状溶洞等。(5)通过室内渗透性实验和抗渗性试验验证了不同直径段孔喉占孔隙比例与渗透率方程式、消压强度与孔喉直径关系的准确性;基于消压强度与孔喉直径关系方程式,进一步得到碳酸盐岩隔水性的本质原因在于岩石主要以直径1μm孔喉为主。


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