钙芒硝矿原位溶浸开采矿体变形及地表沉陷预计基础研究

【摘要】盐类矿床是重要的化工原料,由于其易溶于水的特点,多采用钻井水溶法进行开采。钙芒硝矿为一种特殊的盐类矿床,一般也采用水溶开采办法进行开采,但是由于其特殊的矿物组成,可溶成分溶解后残留固体骨架仍具有一定支撑能力,从而不仅影响其中流体的渗流输运特性,而且也影响着矿体自身与上覆岩层的变形甚至地表沉陷。这一变形特性与溶浸过程中矿体的细观结构演化与力学特性弱化有着密切的关系。为揭示这一内在影响规律特征并进行相应沉陷预计理论分析,本论文采用实验研究方法,对钙芒硝矿原位溶浸开采过程中不同溶浸条件下的结构演化及力学特性进行了研究；在实验研究的基础上,采用理论分析与数值模拟的方法,对钙芒硝矿体溶浸开采过程中的矿体与覆岩变形进行了分析研究。主要内容及结论如下：1、利用μCT225kVFCB型高精度(μm级)显微CT试验机,对不同温度、不同溶浸时间作用下的φ25mmm钙芒硝矿试件进行了细观结构演化研究。研究发现：不同温度溶浸液作用下钙芒硝细观结构演化机理不同。常温条件下,泥质胶结物的水化膨胀作用明显；35℃和65℃溶浸条件下,水化膨胀产生裂纹,可溶成分溶解主要沿着裂纹渗透溶解；95℃溶浸液作用下,温度对溶液浓度的扩散起了主要作用。2、不同温度溶浸作用下,钙芒硝矿试件中裂纹起裂位置有如下特点：其一是白色钙芒硝晶体和泥质胶结物界面处；其二是晶粒较大的钙芒硝晶体内部。温度对钙芒硝矿膨胀率变化作用明显,在实验温度范围内,钙芒硝矿膨胀率随温度的增加而降低。3、利用TYT-600电液伺服岩石力学试验机,对不同浓度盐溶液浸泡20d后的钙芒硝矿标准试件进行力学特性试验发现：由于矿体中亲水性矿物吸水膨胀崩解、硫酸盐的溶解、离子交换、C1-侵蚀等因素的作用,钙芒硝矿体力学特性严重弱化。在半饱和与饱和盐溶液中溶浸20d后,钙芒硝极值强度弱化系数分别降低至0.2与0.1。4、对φ50mm×100mm标准钙芒硝矿试件分别进行了溶浸作用后饱水与排水两种状态下的三轴压缩变形试验。研究发现：受孔隙水压及矿物溶解所致固体骨架力学特性弱化的综合影响,在饱水与排水两种条件下,钙芒硝矿试件轴向变形差异较大。5、采用西原模型,描述饱水状态下钙芒硝矿在三轴压缩长期作用下的变形特性,通过定义孔隙率随时间变化的关系式,建立了该特殊条件下矿体变形本构方程并和实测数据比较,获得其剪切模量与黏滞系数等参数。6、根据钙芒硝矿床的层状赋存特征以及钙芒硝溶解后形成渐变的多孔介质特点,在现有开采沉陷预计公式基础上,进行了溶浸开采厚度、开采主影响角等参数的修正,获得适合钙芒硝矿原位溶浸开采的覆岩沉陷预计公式。并根据钙芒硝矿溶浸开采的物理力学特性,编制相应程序,对不同溶浸开采条件下、钙芒硝矿覆岩变形及地表沉陷进行了数值模拟分析。
【作者】杨晓琴；
【导师】梁卫国；
【作者基本信息】太原理工大学，采矿工程，2014，博士
【关键词】钙芒硝矿；原位溶浸开采；细观结构演化；力学特性弱化；开采沉陷；

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