陆相煤系泥岩微观组构及其力学特性关联性研究.ppt

陆相煤系泥岩微观组构及其力学特性关联性研究 答辩人 孙成才导师 许兴亮副教授 目录 绪论 组构及其沉积环境判别 基于Matlab提取图像微观结构参量 泥岩强度特性研究 组构及其力学参数的研究 结论和展望 2 41 1绪论 1 选题背景 1 随着我国经济的持续快速发展 煤炭开采逐步转向深部 而且从北到南一系列第三纪褐煤田的不断开发 使得地下巷道有相当一部分布置于泥质软岩中 因此 针对泥岩的岩石力学性质的研究也迫在眉睫 2 泥岩是多种矿物颗粒 孔隙和胶结物组成的混合体 在长期地质作用下 其内部产生了大量微裂隙 微孔洞等 造成其岩石力学性质差异较大 3 目前对煤系泥岩的研究多停留在宏观物理力学特性以及微观结构的分析研究 本文将把微观结构和宏观力学特性结合起来去分析研究 3 41 1 绪论 1 取样区煤系泥岩沉积环境判别通过荧光光谱实验测定矿物元素含量 根据元素地球化学标志判别煤系泥岩沉积环境 另外 进行典型组分分析 恢复其成岩时古气候环境 2 取样区煤系泥岩微观结构差异性研究通过扫描电镜实验获取煤系泥岩微观结构图像 并用Matlab图像处理软件获取煤系泥岩微观结构参数 3 煤系泥岩力学性质测试4 微观组构和力学性质之间关联系研究建立微观结构综合量化评价参数R 并建立其与常规力学参数间的模型 2 研究内容 4 41 1 绪论 5 41 目录 绪论 组构及其沉积环境判别 基于Matlab提取图像微观结构参量 泥岩强度特性研究 组构及其力学参数的研究 结论和展望 6 41 2 组构及其沉积环境判别 1 组分分析及古气候分析 7 41 2 组构及其沉积环境判别 1 组分分析及古气候分析 1 园子沟矿和桃园矿采集的泥岩样品其粘土矿物主要为高岭石 云母 说明有少部分的云母尚未经过淋滤风化形成高岭石 表明当时的气候条件相对较为温暖潮湿 淋滤作用相对较强 2 曹村矿采集的泥岩样品其粘土矿物主要为高岭石 云母和绿泥石等 而姚桥矿煤系泥岩还测出含有少量菱铁矿 表明沉积过程中有少部分的Fe2 保存下来了 因此这两个矿区煤系泥岩成岩过程中气候条件开始发生变化 且当时的气候逐渐变冷 淋滤作用相对较弱 化学风化作用受到抑制 8 41 2 组构及其沉积环境判别 2 沉积环境判别 试验过程 XRF试验是一种比较分析方法 样品制备是否合适将直接影响到测定误差的大小 因此按照相关文献要求 将煤系泥岩研磨至200目以下 从而改善其均匀性 之后进行烘干去除水分 将处理好的泥岩样品经过压片机压成圆片 之后对其进行微量元素测定 9 41 2 组构及其沉积环境判别 2 沉积环境判别 微观成分X射线荧光光谱初步分析所采集到的泥岩样品中氧化物的含量以SiO2 42 01 68 40 为主 其次表现为Al2O3 14 55 24 85 Fe2O3 3 55 7 85 K2O 1 52 1 91 少量MgO Na2O和CaO等 10 41 2 组构及其沉积环境判别 2 沉积环境判别 沉积相判别 锶钡等微量元素在沉积过程中由于沉积环境不同导致的含量之间亦各不相同 总体而言 二者比值由陆相到海相比值由小变大 表中可以看出Sr Ba比值在0 5 0 84之间 均 1 因此可以认定从园子沟矿 曹村矿 姚桥矿和桃园矿所采集到的泥岩其沉积背景为陆相沉积环境 11 41 2 组构及其沉积环境判别 3 微观结构特征观测 研究方法微观结构常用观测方法主要包括 扫描电镜法 SEM 压汞法 CT法 气体吸附法 磁化率法 X射线小角度散射法 声波法 原子力显微镜法 微结构光学测试系统等诸多方法 本文采用SEM法观测煤系泥岩微观结构 观测时 先将倍率调至最低进行整体有效观测 之后再进行放大观察 导出扫描图像 12 41 2 组构及其沉积环境判别 3 微观结构特征观测 园子沟矿 1 低倍镜中泥岩组成结构紧密 孔隙所占的面积较小 高倍镜中看出颗粒大都为粒状颗粒 表面由很多个小于2 m到二十几个微米的颗粒混乱凝聚在一起形成类似花骨朵的形状 这些颗粒大都表现为次圆状 其接触关系基本呈面面接触关系 13 41 2 组构及其沉积环境判别 3 微观结构特征观测 曹村矿 2 低倍镜中观察 泥岩中可以看到颗粒排列较为紧密 小颗粒充填到大颗粒之间起胶结作用 颗粒成定向性排列混乱 高倍镜中观测到许多大小不一的块状颗粒 且大都表现为圆角状 其接触关系基本呈边边接触关系 14 41 2 组构及其沉积环境判别 3 微观结构特征观测 姚桥矿 3 低倍镜中泥岩组成结构紧密 不过图中可以看到一些裂缝 这些裂缝可能是由于样品制作过程中人为造成的 整体上看泥岩中孔隙所占面积较小 高倍镜中整个表面为片状体聚集 其上所附的细小颗粒表现为次棱角状 另外图中所看到的颗粒成定向排列 15 41 2 组构及其沉积环境判别 3 微观结构特征观测 桃园矿 4 低倍镜中泥岩组成结构紧密 图中央处有一大的裂缝 其余处只能看到一些微小的孔隙 有的孔隙被细小颗粒填充 高倍镜中颗粒大都混乱排列 定向性较差 这些颗粒由块状体组成 一些碎屑矿物颗粒镶嵌其中 起胶结作用 颗粒之间的孔隙和裂缝也相对较大 且其排列也较为混乱 16 41 2 组构及其沉积环境判别 3 微观结构特征观测 桃园矿 5 低倍镜中观察 泥岩组成仍由片状体组成 且其颗粒排列具有明显的定向性 另外颗粒之间的孔隙所占面积较小 高倍镜中可以清晰地看出颗粒仍为片状颗粒 表面由很多个几微米到十几个微米的颗粒定向排列在一起 这些颗粒大都表现为次角状 磨圆度较差 17 41 目录 绪论 组构及其沉积环境判别 基于Matlab提取图像微观结构参量 泥岩强度特性研究 组构及其力学参数的研究 结论和展望 18 41 3 基于Matlab提取图像微观结构参数 1 图像处理技术Matlab图像处理软件具有丰富的库函数和强大的矩阵变换功能 可以轻松处理数字图像 提取微观结构的参数并获得理想的效果 19 41 3 基于Matlab提取图像微观结构参数 2 基本参数提取结果 20 41 3 基于Matlab提取图像微观结构参数 3 定向性参数提取 颗粒定向角玫瑰图 2 1 4 5 3 21 21 41 4 分形参数提取 3 基于Matlab提取图像微观结构参数 2 1 3 煤系泥岩颗粒微观结构分形特征 4 5 22 41 目录 绪论 组构及其沉积环境判别 基于Matlab提取图像微观结构参量 泥岩强度特性研究 组构及其力学参数的研究 结论和展望 23 41 4 陆相煤系泥岩强度特性试验研究 1 试验方案 1 对煤系泥岩试件进行单轴抗压试验 压至峰后测得煤系泥岩抗压强度 2 对煤系泥岩试件进行巴西试验 测得煤系泥岩抗拉强度 3 对煤系泥岩试件进行抗剪强度试验 测定煤系泥岩抗剪强度 2 试验目的 室内试验获取煤系泥岩常规岩石力学参数 为下文进行微观组构和常规力学参数之间关联性研究奠定基础 24 41 4 陆相煤系泥岩强度特性试验研究 抗压试件加载过程 加载后试件 抗拉试件加载过程 加载后试件 抗剪试件加载过程 加载后试件 25 41 3 力学强度试验结果 4 陆相煤系泥岩强度特性试验研究 陆相煤系泥岩力学强度测试结果 26 41 目录 绪论 组构及其沉积环境判别 基于Matlab提取图像微观结构参量 泥岩强度特性研究 组构及其力学参数的研究 结论和展望 27 41 5 组构与其力学参数的研究 1 SiO2含量与陆相泥岩力学参数的关系 SiO2含量与抗压强度的关系图 SiO2含量与弹性模量的关系图 SiO2含量与抗剪强度的关系图 SiO2含量与抗拉强度的关系图 28 41 5 组构与其力学参数的研究 2 烧失量与陆相泥岩力学参数的关系 烧失量与抗压强度的关系图 烧失量与弹性模量的关系图 烧失量与抗剪强度的关系图 烧失量与抗拉强度的关系图 29 41 5 组构与其力学参数的研究 3 孔隙率与陆相泥岩力学参数的关系 孔隙率与抗压强度的关系图 孔隙率与弹性模量的关系图 孔隙率与抗剪强度的关系图 孔隙率与抗拉强度的关系图 30 41 5 组构与其力学参数的研究 4 形状系数与陆相泥岩力学参数的关系 形状系数与抗压强度的关系图 形状系数与弹性模量的关系图 形状系数与抗剪强度的关系图 形状系数与抗拉强度的关系图 31 41 5 组构与其力学参数的研究 5 分维值与陆相泥岩力学参数的关系 分维值与抗压强度的关系图 分维值与弹性模量的关系图 分维值与抗剪强度的关系图 分维值与抗拉强度的关系图 32 41 5 组构与其力学参数的研究 6 概率熵与陆相泥岩力学参数的关系 概率熵与抗压强度的关系图 概率熵与弹性模量的关系图 概率熵与抗剪强度的关系图 概率熵与抗拉强度的关系图 33 41 5 组构与其力学参数的研究 7 欧拉数与陆相泥岩力学参数的关系 欧拉数与抗压强度的关系图 欧拉数与弹性模量的关系图 欧拉数与抗剪强度的关系图 欧拉数与抗拉强度的关系图 34 41 8 微观结构综合量化参数 对多因子进行综合评价中的权重是指某个因子在所有评价因子中占有的比重 合理对评价因子赋权 对于提高微观结构综合量化参数的评价精度与灵敏度有着十分重要的意义 论文对陆相煤系泥岩微观结构各单因素的综合评价通过使用SPSS软件进行主成分分析 指标相关性判断 确定主成分 各参评因子权重 主成分中载荷系数 5 组构与其力学参数的研究 35 41 9 陆相煤系泥岩微观结构综合量化参数分析 5 组构与其力学参数的研究 36 41 只需求前两个主成分即可 5 组构与其力学参数的研究 单位化特征向量 特征根 方差贡献率 37 41 式中各系数意义 微观结构综合量化评价参数表达式R中x1 x3系数为负值 表明微观结构中孔隙率和分布分维值在综合量化表达式中其减值作用 而x2 x4和x5的系数为正说明概率熵 欧拉数和形状系数在式中起着相当作用 5 组构与其力学参数的研究 单因素量化指标因子的权重表 38 41 10 综合量化参数与常规力学参数定量关系 目的 采用多元线性回归法研究以抗压强度 抗拉强度和抗剪强度为自变量 综合量化参数为因变量四者之间的关系 实测计算值与回归预测值差值 5 组构与其力学参数的研究 39 41 目录 绪论 组构及其沉积环境判别 基于Matlab提取图像微观结构参量 泥岩强度特性研究 组构及其力学参数的研究 结论和展望 40 41 6 结论 1 通过荧光光谱实验测得的Sr Ba 1 可以判断出本论文所要研究的煤系泥岩为陆相沉积环境下形成的 再经过典型矿物组分分析试验研究发现园子沟矿和桃园矿煤系泥岩形成的气候条件应为温暖