深部泥页岩吸水特征及吸水软化动态过程微观机理研究

With the dwindling of shallow energy resources, the importance of deep exploring is dramatically increased. In deep energy exploring engineering, the swelling and softening effects on clayey soft rock by the addition of water are an important parameter affecting stability of geotechnical constructions.However, existing experimental studies related to the water-sorption characteristics and micro-mechanism of water-induced softening of deep clay shale which is a commonly encountered type of soft rock in deep strata are still very limited.In order to seek a better understanding of the dynamic laws of water-sorption and the micro-mechanism underlying the softening process for deep clay shale,the dynamic changes of mineral compositions, micro-structure characteristics and mechanical properties of hydrated rocks during water sorption processes of deep clay shale samples are qualitatively and quantitatively investigated through innovative tracer added water sorption experiments and traditionally rock mechanical tests, along with the aid of multiple using of advanced analytical methods including X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), mercury intrusion porosimetry (MIP), and state of art laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS). The results of this study will provide theoretical references and scientific basis for the design, construction and maintenance of major deep coal mining and oil/gas exploration engineering projects.

随着浅部资源的逐步耗竭，深部能源开采的重要性与日俱增。深部能源开采工程中，粘土质软岩遇水膨胀软化是影响工程稳定性的重要因素。但是，目前针对深部粘土质软岩吸水特征及水理软化微观机理的研究还很缺乏。本项目拟选取深部能源储层中较常见的泥页岩样品作为研究对象，通过引入了示踪剂的创新性室内吸水实验和常规力学测试（单轴压缩试验），结合X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜分析（SEM）、压汞仪分析（MIP）及尖端的激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）等多种先进分析测量手段，动态量化监测吸水过程中岩石力学性质及内在矿物化学成分、微观结构变化规律，揭示深部泥页岩吸水软化随时间的动态变化规律及其水理软化动态过程的微观机理，为深部煤炭开采和油气开发等重大能源工程的设计、施工与维护提供重要的理论参考与科学依据。

随着深部开采的力度不断加大，以深部泥页岩为代表的各类深部软岩的一系列物理力学性质成为制约深部工程建设及其稳定性的重要因素。本项目基于深部煤炭开采背景，对深部泥页岩等一系列工程软岩进行了相应的理论研究。通过综合利用相关的先进实验方法，如X射线衍射分析（XRD）、核磁共振测试技术（NMR）、高压压汞实验（MIP）、电子扫描电镜（SEM）以及岩石力学试验等，对深部煤系沉积岩吸水特性以及相关渗流特性进行了较为系统的研究，取得了以下几点主要的研究成果：（1）岩石吸水过程随时间动态变化的曲线表明，岩石的吸水率随吸水时间的增加而增加，吸水速率则是随吸水时间的增加而减小，总体表现为减速吸水过程，最终趋于平稳达到饱和，并可以用负指数函数进行拟合；（2）黏土矿物成分和含量对岩石吸水特性有重要影响，表现为：黏土矿物成分的含量越高，岩石的吸水率、吸水速率就越大。而黏土矿物成分中，蒙脱石对岩石吸水特性起到至关重要的作用；（3）决定岩石吸水量大小、吸水速率快慢的另一主要因素是其微观孔隙结构特征尤其是孔隙率的大小。岩样的有效孔隙率越大，其吸水能力越强。岩样的孔隙结构越复杂，有效孔隙分形维数越大，其吸水能力就越弱；（4）水岩相互作用可分为物理作用、化学作用和力学作用，不同水岩相互作用对岩石物理力学性质劣化的程度不同，由于水岩化学作用造成的岩石宏观物理力学性质的劣化称为岩石水化损伤。岩石的水化损伤程度受地下水的酸碱性变化而变化，且酸性或碱性越大，水化损伤就越大，中性条件下，水化损伤程度最低。但总体来看，岩石水化损伤对酸性溶液更敏感。此外，还取得了其它方面的相应成果，已在正文中一一列举出来。