碱水作用下弱胶结粉砂岩孔隙结构分形特征与非线性劣化机制

作者

范钢伟骆韬张东升张世忠范张磊
单位

中国矿业大学矿业工程学院中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室
摘要

弱胶结岩石遇水发生强度劣化是我国西部地区煤矿开采过程中矿压显现异常、顶板事故频发的重要原因.以我国新疆哈密地区弱胶结粉砂岩和地下水赋存环境为工程背景，通过SEM电镜扫描结合数字图像处理技术，研究了不同pH值碱性溶液、不同浸泡时间对弱胶结粉砂岩微观结构和孔隙分形维数的影响规律，确定了孔隙分形维数、孔隙率与单轴抗压强度、抗拉强度之间的函数关系，建立了碱水侵蚀条件下弱胶结粉砂岩劣化非线性动力学模型.研究结果表明：1)浸泡溶液碱性越强，弱胶结粉砂岩矿物颗粒形态越趋于圆润，且颗粒间接触形式变得疏松多孔；浸泡初期孔隙率与孔隙分形维数增幅相对较大而后期趋缓.2)碱水侵蚀作用下孔隙结构复杂程度及分布形态对力学强度影响显著，弱胶结粉砂岩单轴抗压强度、抗拉强度与孔隙分形维数、孔隙率之间均具有较强的负线性相关关系；单轴抗压强度、抗拉强度与孔隙分形维数的相关性大于孔隙率；碱水侵蚀降低了弱胶结粉砂岩的脆性.3)选取孔隙分形维数、孔隙率和单轴抗压强度为描述水化学反应系统的变量，以相应参量的时间序列值为非线性动力学方程的特解，通过反演建立了碱水化学作用弱胶结粉砂岩劣化的非线性动力学模型；采用建立的模型计算的孔隙分形维数值、孔隙率和单轴抗压强度与试验值的误差范围分别为2.37%～2.64%,2.38%～4.57%,3.48%～8.12%,可用于弱胶结岩石碱水侵蚀不同时间后孔隙分形维数、孔隙率以及单轴抗压强度等参数的预测评估.
关键词

碱水侵蚀弱胶结粉砂岩孔隙率孔隙分形维数非线性模型
基金项目(Foundation)

国家自然科学基金项目(51774268,51974291)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2021ZDPY0266)；
文章目录

1 取样地点及试验方案
2 碱蚀岩样孔隙结构变化规律
2.1 细观结构演变规律与劣化机理
2.2 孔隙率变化规律
2.3 孔隙分形维数变化规律
3 劣化岩样强度与分形维数相关性
4 弱胶结粉砂岩劣化非线性动力学模型
4.1 非线性动力学模型构建
4.2 模型验证及对比
5 结论