水作用下油页岩力学特性及巷道支护技术研究
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摘要
油页岩油气作为一种重要的石油补充和替代能源，以其巨大的储量、丰富的综合利用层次，引起了全世界的关注。我国油页岩以地下开采为主，在地下水作用下，油页岩巷道围岩变形速度加剧、变形量增大，蠕变性更加显著，这是制约我国油页岩开采的一大难题。本文以我国重要的油页岩生产基地-吉林桦甸油页岩矿为工程背景，采用实验室实验、理论分析、数值模拟及现场工业试验相结合的方法，对水作用下油页岩力学特性及其在油页岩巷道稳定性分析中的应用等进行了较为系统和深入的研究。论文主要内容和成果如下：
（1）以吉林桦甸油页岩矿为工程背景，现场取油页岩岩样，进行自然状态下油页岩常规三轴压缩实验、油页岩真三轴压缩实验、油页岩三轴蠕变实验，探讨油页岩瞬态变性特征及破坏特征，分析中间应力对油页岩岩石变形破坏的影响，分析油页岩蠕变特性及影响因素，探讨油页岩蠕变机理，并为与含水状态下的岩石力学特性对比作准备；
（2）研究水对油页岩力学特性的影响。开展不同含水状态下油页岩单轴、三轴压缩实验、不同含水状态和不同孔隙压力下的油页岩三轴蠕变实验，探讨不同含水率及不同水压力对油页岩力学特性的影响；
（3）基于油页岩基本力学特性、油页岩蠕变特性分析，以Burger模型为基础，将Burger模型与一种符合Mohr-Coulomb塑性流动规律的塑性元件串联，建立改进的Burger模型，即cvisc模型。以蠕变实验结果为基础，利用非线性最小二乘法，分析cvisc模型中蠕变参数随时间、应力及含水率的变化规律，建立蠕变参数随时间、应力和含水率变化关系式，进而建立考虑参数变化的非线性蠕变方程；
（4）将蠕变方程与流固耦合方程联立，建立考虑时效性的渗流-蠕变耦合力学模型，利用FLAC3D软件良好的二次开发环境进行了模型的程序二次开发研究，对所建立数学模型进行了数值求解，模拟了水作用下油页岩巷道蠕变变形特征及其蠕变控制效果；
（5）在理论分析、实验室实验、数值模拟的基础上，提出以自钻注浆锚杆为核心耦合支护方案。以吉林桦甸油页岩矿一井运输大巷为巷道围岩控制实验段，进行现场工业实验。结果表明，以自钻注浆锚杆为核心的耦合支护方案对水作用下油页岩巷道稳定性控制效果明显，为极软岩石巷道围岩变形控制提供实践经验。
Oil gas of oil shale arouses concern among the world as an important alternative energywith giant reserves and abundant multipurpose use levels. In our country, oil shale is mainlyexploited in the manner of underground mining and with the effect of underground water, thesurrounding rock of the roadway is transformed in higher speed and larger deformation and therheological property is more significant. It is a big problem to restrict the exploitation of oil shalein our country. On the domestic, under the background of an important oil shale production basein our country-Jilin Huadian oil shale mine, with the method of experiment, theoretical analysisand numerical simulation, the oil shale mechanics characteristic under the effect of undergroundwater and its apply in the analysis of roadway rock stability are studied systematically andintensively. The main content and achievement are as follows:
(1) In Jilin Huadian oil shale mine, the rock samples are drilled and tested by conventionaltriaxial compression, true triaxial compression and triaxial creep. The Instantaneous deformationcharacteristics and damage characteristics, the effect on deformation damage by intermediatestress, the creep characteristic and influencing factors, the creep mechanism are analysed. Andthese are prepared for the comparison with mechanics properties of rock containing water.
(2) Water’s impact on mechanics characteristic of rock is studied. Homotaxial and triaxialcompression experiment under different water containing statuses and triaxial creep experimentunder different water containing statuses and different pore pressure are conducted. Theinfluence of different water ratio and pressure on the mechanics characteristic of oil shale isstudied.
(3) With the analysis of basic mechanical characteristic and creep characteristic of oil shale,based on Burger model, combining Berger model and a plastic component which fits plastic flowlaw, an improved Burger model, which is cvisc model, is built. Based on the result of saturatedwater creep experiment, making use of non-linear least squares, the changing regularity of creepparameters adapted to time and stress in cvisc model has been analyzed, and the relationalexpression about creep parameters changing with time and stress has been established, and thencreep equation of oil shale is established, considering timeliness and saturated conditions.
(4) Combining the fluid-solid coupling equations and the creep equations under saturatedcondition, the seepage-creep coupling mechanical model considering timeliness is built. And theprogram of this model is developed under the secondary development platform of FLAC3D. By solving this program with numerical method, the surrounding rock creep deformationcharacteristics under the water-rock coupling interaction condition and creep control effect aresimulated.
(5) Based on theoretical analysis, laboratory experiment and numerical simulation, couplingsupport scheme centering on drill grouted anchor bar is put forward. Field test is performed inthe surrounding rock controlling test section of main haulage roadway of the first well in JilinHuadian oil shale mine. On the site practice, coupling support scheme centering on drill groutedanchor bar has a positive effect on the control of surrounding rock which is under gleization andit offers experience for the deformation control of very soft surrounding rock.
（1）以吉林桦甸油页岩矿为工程背景，现场取油页岩岩样，进行自然状态下油页岩常规三轴压缩实验、油页岩真三轴压缩实验、油页岩三轴蠕变实验，探讨油页岩瞬态变性特征及破坏特征，分析中间应力对油页岩岩石变形破坏的影响，分析油页岩蠕变特性及影响因素，探讨油页岩蠕变机理，并为与含水状态下的岩石力学特性对比作准备；
（2）研究水对油页岩力学特性的影响。开展不同含水状态下油页岩单轴、三轴压缩实验、不同含水状态和不同孔隙压力下的油页岩三轴蠕变实验，探讨不同含水率及不同水压力对油页岩力学特性的影响；
（3）基于油页岩基本力学特性、油页岩蠕变特性分析，以Burger模型为基础，将Burger模型与一种符合Mohr-Coulomb塑性流动规律的塑性元件串联，建立改进的Burger模型，即cvisc模型。以蠕变实验结果为基础，利用非线性最小二乘法，分析cvisc模型中蠕变参数随时间、应力及含水率的变化规律，建立蠕变参数随时间、应力和含水率变化关系式，进而建立考虑参数变化的非线性蠕变方程；
（4）将蠕变方程与流固耦合方程联立，建立考虑时效性的渗流-蠕变耦合力学模型，利用FLAC3D软件良好的二次开发环境进行了模型的程序二次开发研究，对所建立数学模型进行了数值求解，模拟了水作用下油页岩巷道蠕变变形特征及其蠕变控制效果；
（5）在理论分析、实验室实验、数值模拟的基础上，提出以自钻注浆锚杆为核心耦合支护方案。以吉林桦甸油页岩矿一井运输大巷为巷道围岩控制实验段，进行现场工业实验。结果表明，以自钻注浆锚杆为核心的耦合支护方案对水作用下油页岩巷道稳定性控制效果明显，为极软岩石巷道围岩变形控制提供实践经验。
Oil gas of oil shale arouses concern among the world as an important alternative energywith giant reserves and abundant multipurpose use levels. In our country, oil shale is mainlyexploited in the manner of underground mining and with the effect of underground water, thesurrounding rock of the roadway is transformed in higher speed and larger deformation and therheological property is more significant. It is a big problem to restrict the exploitation of oil shalein our country. On the domestic, under the background of an important oil shale production basein our country-Jilin Huadian oil shale mine, with the method of experiment, theoretical analysisand numerical simulation, the oil shale mechanics characteristic under the effect of undergroundwater and its apply in the analysis of roadway rock stability are studied systematically andintensively. The main content and achievement are as follows:
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(3) With the analysis of basic mechanical characteristic and creep characteristic of oil shale,based on Burger model, combining Berger model and a plastic component which fits plastic flowlaw, an improved Burger model, which is cvisc model, is built. Based on the result of saturatedwater creep experiment, making use of non-linear least squares, the changing regularity of creepparameters adapted to time and stress in cvisc model has been analyzed, and the relationalexpression about creep parameters changing with time and stress has been established, and thencreep equation of oil shale is established, considering timeliness and saturated conditions.
(4) Combining the fluid-solid coupling equations and the creep equations under saturatedcondition, the seepage-creep coupling mechanical model considering timeliness is built. And theprogram of this model is developed under the secondary development platform of FLAC3D. By solving this program with numerical method, the surrounding rock creep deformationcharacteristics under the water-rock coupling interaction condition and creep control effect aresimulated.
(5) Based on theoretical analysis, laboratory experiment and numerical simulation, couplingsupport scheme centering on drill grouted anchor bar is put forward. Field test is performed inthe surrounding rock controlling test section of main haulage roadway of the first well in JilinHuadian oil shale mine. On the site practice, coupling support scheme centering on drill groutedanchor bar has a positive effect on the control of surrounding rock which is under gleization andit offers experience for the deformation control of very soft surrounding rock.
引文
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