神东侏罗纪泥岩微观组构对其力学性质的影响

泥岩的矿物组成和微观结构对其力学性质起决定作用。利用XRD、SEM以及岩石力学试验系统对神东侏罗纪含煤地层的泥岩进行研究,同步测定泥岩声波传播速度,从而建立了泥岩的力学特性与其矿物组成以及微观结构之间的关系。结果表明,神东侏罗纪泥岩的矿物组成以石英和黏土矿物为主,平均含量分别为55.22%和26.67%,而华北石炭-二叠纪泥岩中石英和黏土矿物的平均含量分别为31.90%和63.24%,二者相差分别为23.32%和36.57%,导致神东侏罗纪泥岩的力学性质明显高于石炭-二叠纪泥岩。随着石英含量的增高,泥岩的单轴抗压强度和弹性模量均呈增大趋势;随着黏土矿物含量的增加,其规律相反。同时,随着泥岩致密程度增加,声波速度、单轴抗压强度和弹性模量均增大。     

泥岩多尺度模型与水岩作用特性研究进展

泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展,特别是在煤矿工程实践中,泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化,往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性与泥质胶结的强度低、塑性强特性,是富黏土矿物(>50%)泥岩遇水大变形与承载失效的内在本质。工程实践研究中承载持续大变形与泥岩遇水渐进劣化是关键防控和调控过程。针对泥岩研究尺度广、大变形力学机制与水岩作用机理复杂的特点,首先基于工程防控/调控技术研究焦点界定了多尺度研究范畴,划分出宏观岩体(mm)、细观矿物(μm)、微观晶胞(nm)3个研究尺度;其次阐明了不同尺度下的泥岩物理、力学、化学研究模型,讨论了不同尺度泥岩物力化性质分析方法与手段,厘清了泥岩物理力学和物理化学性质的多尺度特性,系统研究了不同尺度下的水岩作用机制,构建了考虑不同尺度相互作用关系的泥岩水岩作用多尺度关联体系;最后展望了泥岩多尺度研究中细观尺度研究的发展方向;指出多尺度水岩作用在多物理场耦合中的研究前景,提出基于多尺度分析的泥岩灾变防治技术研发体系,凝练人工智能方法辅助研究泥岩多尺度的关键科学问题。同时,开展多尺度研究有助于掌握与控制泥岩的物理、化学、力学响应...     

基于真实细观结构的FFT数值方法对岩石材料非线性力学行为的研究

岩石的非均质性(矿物夹杂、微裂隙、微孔洞等细观结构)对其非线性力学行为和破坏过程有着显著影响。本文采用无需对复杂细观结构划分网格的快速傅立叶变换(FFT)数值方法,直接获取图像中的像素点作为材料点,准确得到非均质材料的细观结构特征和力学性质的特点,与数字图像处理(DIP)技术有机结合,建立了基于真实细观结构的FFT数值计算方法,模拟了非均质岩石在外荷载作用下的弹塑性变形过程,探究了岩石内部细观结构对非线性力学行为的影响规律与宏观力学性质的内在联系。研究结果表明:基于真实细观结构的FFT模型,能很好地预测不同埋深和不同围压条件下黏土岩的峰前非线性行为和峰值强度,细观结构的形状、大小和分布直接决定了黏土岩内部应力场的分布。研究结论为研究岩石细观结构特征及其非线性力学行为提供了一个重要手段。     

四川威远区块井下与露头龙马溪组页岩力学特征研究

为对比研究四川威远国家示范页岩气开发区块井下与露头龙马溪组页岩力学特征,分别对本区块井下与露头龙马溪组页岩进行了矿物组分、力学强度以及微观纳米压痕测试研究。结果表明:井下与露头页岩各种矿物含量具有很大差异性。井下与露头页岩抗压强度与围压均呈正相关性,相同围压下,储层页岩平均抗压强度低于露头页岩,井下与露头页岩弹性模量平均值与测试围压均呈正相关性,井下页岩弹性模量均值随测试围压变化幅度大于露头页岩,井下与露头页岩泊松比与围压均呈无规律状排列。页岩硅质矿物弹性模量为62.29~81.17GPa,钙质矿物弹性模量为44.85~61.37GPa,粘土矿物弹性模量为30.89~35.89GPa,同时得出页岩宏观与微观模量在不同围压下之间关系。     

冻融循环下泥岩力学特性及细观破裂机理研究

冻融循环影响是寒区露天煤矿边坡稳定的重要原因.通过室内试验分析新疆准东地区露天煤矿边坡泥岩在不同温度范围(-5～25,-10～25,-15～25,-20～25,-30～25℃)及冻融循环次数(1,10,20,30,40,50,60)下的物理力学参数变化规律,并采用扫描电镜SEM对试样断口细观形貌特征进行观测,阐明了冻融循环作用下泥岩细观损伤破裂机理.结果表明:质量密度、纵波波速变化率、孔隙率和峰值应变与冻融循环次数呈正比,抗压强度和弹性模量与冻融循环次数呈反比.较低冻融循环次数下,泥岩应力应变曲线峰后表现出典型的脆性破坏特征,但在较高循环次数下,峰后表现出显著的脆性软化特性.随着冻融循环次数的增加,泥岩单轴压缩试验表现出单一剪切向多截面张拉破坏变化特征.较低冻融循环次数下泥岩细观断裂为脆性断裂,但在较高冻融循环次数下,泥岩局部表现出显著的韧性破坏特征.     

弱胶结砂岩遇水软化过程细观结构演化及断口形貌分析

对西部鄂尔多斯红庆河矿区的弱胶结砂岩采用饱水实验、SEM扫描电镜、QEMSCAN扫描电镜和力学实验等试验手段,分析其软化过程细观结构演化及其细观断裂形貌和断裂机理。研究表明:弱胶结砂岩的成岩特性决定了其遇水软化、崩解的特性与其矿物组成和结构特征密切相关;证实了弱胶结砂岩遇水软化过程中细观结构破坏的主要方式为胶结物质的破坏,且发生破断的位置为物颗粒与颗粒的接触界面或者颗粒与胶结物质之间界面;弱胶结砂岩的宏观力学行为主要由颗粒间接触决定,当边界荷载发生变化时,砂岩的最终断口发生在黏土胶结物上及其与矿物颗粒的交界处,少数发生在矿物颗粒上,颗粒体系内部结构的变化总体上可以分为颗粒破碎、颗粒或颗粒簇脱离母体结构、沿颗粒裂纹扩展及微裂隙呈弥散分布、胶结物质破坏等四大类;胶结物质力学性质是其破坏形式的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

实验室煤体变形特征分析及弹性模量关联模型

煤体的弹性模量是煤体分类系统的输入参数之一.通过对实验室煤样基础力学参数筛选、挖掘,运用数理统计软件SPSS进行聚类分析,探究煤体各物理力学参数自身分布规律及相互之间的关系,在此基础上采用BP神经网络建立弹性模量关联模型.研究结果表明:煤体弹性模量与孔隙率呈负相关关系,随着孔隙率的变大煤体弹性模量减小,即煤体抵抗弹性变形的能力越低;随着泊松比的升高煤体弹性模量增大,即煤体抵抗变形的能力越强;高弹性能频发大多集中在弹性模量较低、孔隙率中等偏上的重叠区域.此外,按煤体抵抗变形能力分为4级:弱(0～3.6 GPa)、中等(3.6～5.5 GPa)、强(5.5～8.5 GPa)、非常强(8.5～12.8 GPa).建立了基于煤体基础力学参数预测其弹性模量的关联模型以评估煤体的变形特征,煤体弹性模量预测值平均误差为6.3％,表明所提出的煤样弹性模量关联模型切实可行,可为煤岩体分类提供参考.     

基于纳米压痕的煤岩微观力学特性及其影响因素剖析

煤岩微观力学特性与宏观力学特性关系密切，是剖析宏观力学性质机理的关键指标，也是影响煤层气压裂开采的重要因素。现阶段煤岩微观力学特性研究局限于力学参数表征与现象描述，演化机制及影响机理方面的研究较为缺乏。以我国不同变质程度煤岩为研究对象，通过以纳米压痕实验为主，低温液氮与原位激光拉曼测试为辅的手段，实现了纳米压痕实验关键参数优选，并明确了煤岩镜质组与惰质组微观力学特性及其主控因素。研究结果表明：(1)预实验结果显示，低载荷、小量程下，最大压入深度在1 000 nm左右(对应峰值载荷约为9 mN)的参数设定较为适合煤岩镜质组和惰质组的纳米压痕实验；(2)煤岩惰质组的弹性模量和硬度均普遍高于镜质组，且同一煤样中不同位置显微组分的弹性模量和硬度相近，说明在局部范围内煤基质显微组分的微观力学性质分布具有一定相似性；(3)煤岩显微组分和成熟度通过控制孔隙结构与化学结构以“一主一辅”形式共同影响其微观力学性质，即镜质组微观力学强度随煤化程度加深先升后降再升，下降段主要受因气孔增多导致的孔隙结构变化影响，上升段化学组分和结构为主控因素；惰质组的微观力学性质随煤岩成熟度升高持续增加，始终以受化学组分和结...     

亭南煤矿强膨胀性软岩巷道底臌变形力学机制

针对亭南煤矿西翼轨道大巷的底臌防治难题,运用软岩工程力学理论,分析了底板泥岩的黏土矿物成分和结构及其遇水膨胀强度软化的特性,提出了软岩巷道的底臌变形力学机制。研究结果表明：底板泥岩的黏土矿物含量高达50.9%,主要黏土矿物成分为高岭石和伊/蒙混层矿物,具有强膨胀性;泥岩遇水后的软化特性明显,在暴露20 h后,强度衰减系数为0.72,35 h时强度衰减系数为0.61,开挖后必须及时对底板泥岩进行封闭;底臌变形破坏主要受分子吸水膨胀、胶体膨胀、构造应力、工程偏应力、软弱夹层等多种因素影响,其变形力学机制为I=1\*ROMAN ABII=2\*ROMAN ABDIII=3\*ROMAN BA型;根据该复合型变形力学机制,提出了铺设干石灰粉、开挖反底拱和安装底角锚杆的综合支护对策,经现场应用,效果良好。     

实验室煤体变形特征分析及弹性模量关联模型

煤体的弹性模量是煤体分类系统的输入参数之一。通过对实验室煤样基础力学参数筛选、挖掘,运用数理统计软件SPSS进行聚类分析,探究煤体各物理力学参数自身分布规律及相互之间的关系,在此基础上采用BP神经网络建立弹性模量关联模型。研究结果表明:煤体弹性模量与孔隙率呈负相关关系,随着孔隙率的变大煤体弹性模量减小,即煤体抵抗弹性变形的能力越低;随着泊松比的升高煤体弹性模量增大,即煤体抵抗变形的能力越强;高弹性能频发大多集中在弹性模量较低、孔隙率中等偏上的重叠区域。此外,按煤体抵抗变形能力分为4级:弱(0～3.6 GPa)、中等(3.6～5.5 GPa)、强(5.5～8.5 GPa)、非常强(8.5～12.8 GPa)。建立了基于煤体基础力学参数预测其弹性模量的关联模型以评估煤体的变形特征,煤体弹性模量预测值平均误差为6.3%,表明所提出的煤样弹性模量关联模型切实可行,可为煤岩体分类提供参考。     

贵州省六枝地区某黏土型锂矿物的工艺矿物学研究

采用扫描电子显微镜、MLA矿物自动分析仪、X射线衍射分析仪等综合研究了贵州六枝地区黏土型锂矿物的矿物学性质。结果表明：矿石中的主要有价元素为锂,锂含量为0.56%,主要呈微细粒鳞片状集合体,嵌布粒度细微,常呈胶结物包裹伊利石、方解石、石英、黄铁矿等矿物,少数锂绿泥石常呈微细粒鳞片状包裹在方解石和石膏中,可选性差,且多与其他矿物呈紧密连生,难以通过物理选矿方法有效分离。建议对矿石采用煅烧、浸出等冶金方案提取矿石中的锂元素。     

宁东侏罗系煤层顶板粗粒含水砂岩特性研究

相似模拟实验研究一直是保水开采的主要实验手段之一,其中相似材料与岩石之间力学参数的相似度尤为关键。宁东煤田属于我国典型的生态脆弱矿区,该区域主采煤层为侏罗系煤层,其顶底板广泛分布着成岩程度低且富含黏土矿物的一类特殊砂岩,该层砂岩在采动、吸水-失水动态循环作用下呈现软岩力学特征。选取其中的一类含水砂岩为研究对象,通过分析该含水砂岩岩石成分和结构特征确定其为粗粒泥质长石砂岩,并分析认为其形成于快速堆积的沉积环境;利用X衍射仪定量分析其矿物组分,发现该含水砂岩主要由黏土矿物、石英和长石组成,其中黏土矿物富含蒙脱石、伊蒙混层及绿泥石等吸水易膨胀组分;利用MTS伺服控制试验机研究了该类砂岩三轴抗压强度及渗透特性,发现其具有明显的塑性破坏特征;且饱水含水砂岩渗透率有突变点存在,突变点后渗透率大致恒定直至试件破坏时渗透率增至最大值;进一步研究了含水率对该含水砂岩单轴压缩变形特征的影响规律,发现含水砂岩单轴抗压强度、弹性模量与含水率负线性相关。     

四川盆地志留系龙马溪组页岩矿物组成与有机质赋存状态

选择四川盆地长宁县双河镇下志留统龙马溪组新鲜露头剖面,在野外考察的基础上,对30个页岩样品进行光、薄片鉴定、SEM、电子探针、XRD和阴极发光分析,研究龙马溪组页岩岩石学特征、矿物组成、性质和有机质赋存状态的变化特征。分析结果显示,龙马溪组页岩矿物组成为脆性（碎屑）矿物石英、长石、云母和黄铁矿;硅化和碳酸盐化作用成因的隐晶质石英（玉髓）、方解石和白云石;黏土矿物伊利石和绿泥石。划分出岩石中残留固态有机质原位的5种赋存状态,其与矿物性质具有密切关系,碎屑矿物中的解理或裂隙对页岩气的生成和运移有重要的影响,该区在成岩作用过程中可能发生过多期次的油气运移。     

煤系沉积岩多重分形维数计算及影响因素分析

为表征煤系沉积岩的孔隙结构与分形特征,选取中侏罗统页岩、泥岩和砂岩3种典型沉积岩进行了X射线衍射(XRD)分析、核磁共振(NMR)实验,运用分形理论讨论了NMR分形维数与矿物组成、物性参数之间的相互关系。结果表明:①基于弛豫时间截止值T_2C,可将页岩、泥岩NMR分形维数划分为吸附孔隙分形维数D_A(T₂≤3 ms)和渗流孔隙分形维数D_S(T₂>3 ms)。②储层物性方面,NMR分形维数D_f与孔隙率、渗透率、储层质量指数呈良好的线性负相关关系,说明NMR分形维数能够作为衡量岩石物性的重要指标。③矿物成分方面,石英、长石含量与分形维数D_f呈弱负相关关系,黏土矿物由于受到沉积环境、理化性质和矿物本身含量等多因素作用,对分形维数的影响差异较为显著。     

某共生镜铁矿的反浮选试验研究

赤铁矿反浮选工艺在工业生产实践中获得了广泛的应用。在目前所有的生产实践和研究工作当中，石英是赤铁矿矿石中主要的脉石矿物和浮选对象。本试验针对某含有13％方解石、10％石英和8％绿泥石的铜矿共生镜铁矿，研究了采用反浮选工艺对脉石矿物和镜铁矿进行浮选分离的可能性，获得了比较满意的选矿指标，精矿品位和回收率分别为65．28％和79．05％。采用阴离子捕收剂油酸钠将矿石中的石英和方解石浮选分离以后，采用阳离子捕收剂醚胺浮选绿泥石时呈现出良好的选择性。     

某铜钼尾矿中金红石的浮选回收试验

某铜钼尾矿粒度较细,-0.074 mm粒级占68.63%,金红石含量为0.31%,在0.037~0.010 mm粒级有明显的富集现象,单体解离度达72.80%;脉石矿物以石英为主,还有少量易泥化的绿泥石和粘土矿物。为了提高资源的综合利用率,低成本、高效地回收该尾矿中的金红石,在不磨矿的情况下,采用2粗1扫4精、扫选精矿与精选1尾矿合并精选后返回、其他中矿顺序返回的流程对金红石进行了选矿试验,最终获得了Ti O2品位为64.59%,回收率为77.25%的金红石精矿,较好地实现了金红石的回收。     

米仓山—汉南隆起区牛蹄塘组页岩矿物组分与微观孔隙的关系

利用米仓山—汉南隆起区牛蹄塘组暗色泥页岩样品,进行X射线衍射、低温氮气吸附、氩离子抛光-场发射扫描电镜等实验,结合有机地球化学参数,探讨矿物组分对微观孔隙结构的影响。研究结果显示,米仓山—汉南隆起区牛蹄塘组页岩矿物组分复杂,以石英和黏土矿物为主,平均含量分别为41.35%和31.55%,其次为长石、碳酸盐矿物、黄铁矿,脆性指数集中分布在0.6~0.8,具有良好的脆性和可压性。石英、长石等脆性矿物提供纳米级粒边缝隙、少量粒间孔和溶蚀孔;黏土矿物提供了大量的顺层缝隙、泥粒孔和片间缝隙;有机质中普遍发育气孔、边缘缝隙、铸模孔等多种孔隙类型。比表面积、孔体积与黏土矿物含量具有良好正相关性,而与石英、长石含量关系不明显,有机质含量与孔比表面积具良好正相关性,而与孔体积关系较差。结果表明,黏土矿物对牛蹄塘组页岩微孔-介孔-大孔发育有主控作用,而有机质则主要是微纳米孔发育的载体;黄铁矿通过自身孔隙结构特征及其与有机质相互影响,对页岩微观孔隙发育起到先促进后抑制的作用,作用转换阈值可能为2.8%左右。     

内蒙某含锌矿石的工艺矿物学研究

为了探索内蒙某锌矿石的工艺矿物学特性,对该矿石开展了系统性的工艺矿物学分析,结果表明：该矿石中含锌8.25%,矿石中硫化锌中的锌占40.12%,碳酸锌中的锌占49.09%,硅酸锌中的锌占8.39%,其它部分锌含量为2.42%;矿石中的主要锌矿物有菱锌矿、闪锌矿(含铁闪锌矿)、异极矿;另有黄铁矿、磁黄铁矿、褐铁矿、赤铁矿、磁铁矿等铁矿物,方铅矿、白铅矿,铅硬锰矿等铅矿物,微量的黄铜矿和赤铜矿等铜矿物;脉石矿物主要由石英、方解石、重晶石、天青石和少量或微量的云母(绢云母、黑云母等)、长石(钾长石、钠长石、斜长石等)、粘土矿物、辉石、闪石、绿泥石等组成,为该矿石资源的开发提供了主要的参考依据。     

泥页岩中黏土矿物纳米孔隙结构特征及其对甲烷吸附的影响

查明黏土矿物纳米孔隙结构特征及其对甲烷吸附的影响,对认识页岩气的赋存和运移产出具有重要意义。针对蒙脱石、伊利石和绿泥石页岩中主要黏土矿物,开展了低温液氮吸附和甲烷等温吸附实验研究。结果表明:(1)黏土矿物孔隙结构复杂,主要由纳米孔组成,孔径2~50 nm的孔隙提供了主要孔隙体积和比表面积,蒙脱石、伊利石和绿泥石中孔分别占到孔隙总体积的81.45%,71.34%和75.36%,比表面积的88.70%,87.70%和90.65%,中孔(2~50 nm)孔隙构成甲烷气体赋存的重要空间。(2)矿物主要发育平行板状的狭缝型孔隙,同时含有少量的墨水瓶形孔。(3)不同黏土矿物气体吸附能力差异明显,蒙脱石、伊利石和绿泥石最大吸附量分别为8.80,3.27和2.69cm3/g。黏土矿物对甲烷吸附主要受控于矿物的中孔比表面积,最大吸附量与矿物的中孔比表面积大小具有强烈的正相关性。     

内蒙古柴胡栏子金矿石的工艺矿物学研究

为给柴胡栏子金矿原选矿流程中全泥氰化工艺的改造提供可行的理论支撑,采用化学分析、矿物自动分析仪分析、扫描电子显微镜分析、X射线能谱分析、光学显微镜分析等测试手段,对内蒙古赤峰柴胡栏子金矿进行详细的工艺矿物学研究,明确其化学组成、矿物组成、粒度分布及有用矿物的嵌布特征关系。结果表明:该金矿中金品位为2.83 g/t。金主要以银金矿的形式存在,主要脉石矿物为石英、绿帘石、绿泥石、绢云母、方解石。金矿中的矿物组成十分复杂且脉石矿物嵌布粒度极细,属于细粒石英脉型金矿。银金矿以包裹金、粒间金和裂隙金的形式产出。黄铁矿和磁黄铁矿为金的主要载体矿物,分布率分别为41.61%、23.77%。综合工艺矿物学结果,最终提出了采用分段磨矿,重—浮联合回收金的绿色环保选矿工艺流程。