泥岩电化学改性的试验研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名翌兰达日期 为心’．o b ．／, 0 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名丝兰叠日期 弘心、％。户 导师签名簪穆亥日期矽噬竺 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 泥岩电化学改性的试验研究 摘要 泥岩是煤系地层沉积岩中一种主要的构成岩，其主要矿物成分有黏土 矿物、碎屑矿物和后生矿物等，而黏土矿物含量所占的比例能达至1 J 4 0 ％以上。 由于泥岩中含有大量的黏土矿物，其物理化学特性容易受到水、湿度、温 度和压力等环境因素的影响，特别地，当遇水时能表现出极强的吸水膨胀 能力，容易发生软化崩解现象。近些年，随着我国经济的快速增长，工程 领域建设也加快了步伐，由于泥岩本身所具有的特性，对工程的稳定性将 会产生巨大的影响，从而造成极大的经济损失。因此，力求探索出一种能改 变泥岩本身的物理化学特性的方法，对于提高软岩工程的长久安全稳定是 非常必要的。 鉴于此，本文采用富含黏土矿物的山东洼里煤矿底板泥质页岩作为研究 对象，深入分析泥质页岩的物化特性和直流电作用下的电渗流机理，通过 运用电化学方法对泥质页岩进行改性，并进一步完成了泥质页岩的膨胀试 验、泥质页岩的剪切破坏试验和相似模拟试验，取得了几点成果，归纳如 下 1 系统地研究了各种双电层的模型及理论，并对电化学作用泥岩过程 中的电解、电渗流、电动和电泳等机理进行了探讨。 2 通过开展的不同电位梯度作用下重塑样的膨胀试验，发现电化学作 用确实对岩样的膨胀性起到了抑制作用。当电位梯度为O ．5 V c m ‘1 时，重塑 I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 样最终膨胀率最小，因此O ．5 V c m J 为最佳电化学改性的电位梯度。 3 通过开展泥质页岩的剪切破坏试验，可知电化学作用后的重塑样， 其平均抗拉强度在一定程度均得到了增强，其增强的范围为2 3 ．0 8 ％～ 5 0 ．5 8 ％，其中电位梯度为0 ．5 V c m 。1 的电场作用效果最为明显。 4 通过开展相似模拟试验，系统分析后发现，试件阳极的强度都比阴 极的强度大，且单轴抗压强度的大小关系为铜 不锈钢 铝。另外，相 似模拟混合物试件电阻率的大小能反映其单轴抗压强度，可为岩土工程中 的检验和测试提供一种简捷的方法。综合单轴抗拉强度的大小、电极材料 的腐蚀程度、工程施工的操作性和经济性等因素，在矿山巷道围岩改性施 工的过程中，用不锈钢的锚杆作为电极材料是一种行之有效的方法。 关键词泥岩，黏土矿物，膨胀性，剪切，相似模拟 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 E X P E R I M E N T A LI 己E S E A R C HO NE L E C T R O C H E M I C A L T R E A T M E N TO FM U D S T O N E A B S T R A C T M u d s t o n ei st h em a i nc o m p o s i t i o no fs e d i m e n t a r yr o c ki nc o a lm e a s u r e ss t r a t a ，a n dt h e m a i nm i n e r a lc o m p o s i t i o ni n c l u d e sc l a ym i n e r a l s ，d e t r i t a lm i n e r a l sa n de p i g e n e t i cm i n e r a l s ， a n dt h ep r o p o r t i o no fc l a ym i n e r a lc o n t e n tC a nr e a c hm o r et h a n4 0 ％．D u et Ot h ep r e s e n c eo f c l a ym i n e r a l si nm u d s t o n e ，i t sp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa r es u s c e p t i b l et Ow a t e r ， h u m i d i t y ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea n do t h e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，p a r t i c u l a r l y ，m u d s t o n e c o u l ds h o ws t r o n gs w e l l i n gc a p a c i t ya n dp r o n et os o f t e n i n gd i s i n t e g r a t i o nw h e nc l a ym i n e r a l s c o n t a c tw i t hw a t e r ．I nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fC h i n a ’Se c o n o m y ，t h e p a c eo ft h ec o n s t r u c t i o no fe n g i n e e r i n gf i e l dh a sa c c e l e r a t e d ，t h ep r o p e r t i e so f m u d s t o n ew i l l h a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h es t a b i l i t yo fp r o j e c t ，a n dr e s u l t i n gi ng r e a te c o n o m i cl o s s e s ． T h e r e f o r e ，t oe x p l o r eam e t h o do fc h a n g i n gt h ep r o p e r t i e so fp h y s i c a la n dc h e m i c a lo n m u d s t o n e ，w h i c hi si m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fs o f tr o c ke n g i n e e r i n g i nal o n gt e r m ． I nv i e wo ft h e s e ，S h a n d o n gW a l ic o a lf l o o rc l a ys h a l ew a st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t w h i c hi sr i c hi nc l a ym i n e r a l s ，i n ．d e p t ha n a l y s i so ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n d t h ee l e c t r i c a lp e r c o l a t i o nm e c h a n i s mu n d e rt h ea c t i o no fD C ，c l a ys h a l ew a sm o d i f i e db y e l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d s ，a n df u r t h e rc o m p l e t e dt h ec l a ys h a l ee x p a n s i o nt e s t ，t h es h e a r d e s t r u c t i v et e s ta n ds i m i l a rs i m u l a t i o nt e s t ．T h i sp a p e rh a sm a d e s o m ea c h i e v e m e n t s s u m m a r i z e da sf o l l o w s - 1 S y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h e e l e c t r i cd o u b l el a y e rm o d e la n dt h et h e o r y ，t h e m e c h a n i s m si nt h ep r o c e s so ft h ee l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n ，i n c l u d et h ee l e c t r o l y s i s m e c h a n i s m ， e l e c t r i c a l p e r c o l a t i o nm e c h a n i s m ， e l e c t r i cm e c h a n i s ma n de l e c t r o p h o r e s i s m e c h a n i s m ． 2 R e m o l d e ds a m p l e se x p a n s i o nt e s tW a sc a r r i e do u tu n d e rt h ea c t i o n o fd i f f e r e n t 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 e l e c t r i cp o t e n t i a lg r a d i e n t s ，a n dw ec o n c l u d e dt h a te l e c t r o c h e m i c a lp l a ya ni m p o r t a n tr o l et o i n h i b i tt h ee x p a n s i o no fr o c ks a m p l e s ．T h ef i n a le x p a n s i o ni st h es m a l l e s tw h e nt h ee l e c t r i c p o t e n t i a lg r a d i e n ti s0 ．5 V c m “ 1 ．T h e r e f o r e ， t h ee l e c t r o c h e m i c a lm o d i f i c a t i o n ． t h eb e s te l e c t r i cp o t e n t i a lg r a d i e n ti s0 ．5 V c m ‘1f o r 3 M u d s t o n es h e a rd e s t r u c t i v et e s tw a sc a r r i e do u t ，a n dw ec o n c l u d e dt h a tt h ea v e r a g e t e n s i l es t r e n g t ho fr e m o l d e ds a m p l e sh a v ei m p r o v e da f t e rt h ee l e c t r o c h e m i c a lm o d i f i c a t i o n ，i n t h er a n g eo f2 3 ．0 8 ％- 5 0 ．5 8 ％．T h et e n s i l es t r e n g t ho ft h er o c ks a m p l ei sb e i n gf o u g h to u t m o s to b v i o u sw h e nt h ee l e c t r i cp o t e n t i a lg r a d i e n ti s0 ．5 V c m ～． 4 B yc o n d u c t i n gs i m i l a rs i m u l a t i o nt e s t ，a f t e rs y s t e m a t i ca n a l y s i sw ec o n c l u d e dt h a tt h e s t r e n g t ho ft h es p e c i m e ni st h a tt h ea n o d ei sg r e a t e rt h a nt h ec a t h o d e ，t h es e q u e n c eo ft h e i r u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t hi sC u F e A 1 ．I na d d i t i o n ，t h ee l e c t r i c a l r e s i s t i v i t ys i z eo f s p e c i m e nC a nr e f l e c tt h eu n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，a n dp r o v i d eas i m p l em e t h o df o rt h e d e t e c t i o no fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ．T a k i n gi n t oa c c o u n tt h es i z eo fu n i a x i a lc o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，t h ed e g r e eo fc o r r o s i o no ft h ee l e c t r o d em a t e r i a la n dt h eo p e r a b i l i t ya n de c o n o m i co f c o n s t r u c t i o ni nt h ep r o c e s so f s u r r o u n d i n gr o c km o d i f i c a t i o no fm i n er o a d w a y ，i ti sae f f e c t i v e m e t h o dt h a tr e g a r ds t a i n l e s ss t e e lb o l ta st h ee l e c t r o d em a t e r i a l ． K E Y W O R D S m u d s t o n e ，c l a ym i n e r a l s ，e x p a n s i o n ，s h e a r ，s i m i l a rs i m u l a t i o n 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1选题背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 国外的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 l 。2 ．2 国内的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3本文的研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．3 。2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 第二章 软岩电化学作用的电渗流机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 实验中的电化学现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 电渗流机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．1电渗流方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 ．2 ．2 双电层结构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 。3 电渗流的微观机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 第三章电化学作用对泥岩胀缩影响的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一15 3 ．1 泥岩重塑样的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 5 3 ．1 ．1试验岩样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．2 重塑样制备及最优含水率确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．3 试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 试验方案及电流变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 3 ．2 ．1 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 3 ．2 ．2电流随时间的变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．3自然条件下泥岩膨胀规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．3 ．1 试验岩样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．2 试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．3 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 ．4 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 ．5 试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．4 电场作用下泥岩膨胀规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 3 ．4 ．1 试验岩样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．4 ．2 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．4 ．3 试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 第四章 电化学作用下泥岩强度变化规律的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31 4 ．1 不同电位梯度和电解液条件下泥岩的电解特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 l 4 ．1 ．1 试验岩样和方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．】．2 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 ．3 试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 电化学作用下泥岩强度特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 4 ．2 ．1 试验岩样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 ．2 试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 ．3 试验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．4 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．5 试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 第五章 泥岩相似模拟的电化学试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 5 ．1 相似模拟材料的选取及配比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 5 ．1 ．1 相似模拟材料的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．2 相似模拟材料的配比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．2 电化学相似模拟试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 5 ．2 ．1 试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．2 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．3 电极材料为铜的电化学相似模拟试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．3 ．1 电流变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．3 ．2 形态特征变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 ．3 电阻率特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 ．4 试件的单轴抗压强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．3 ．5 电阻率与单轴抗压强度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．4 电极材料为铝的电化学相似模拟试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．4 ．1 电流变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．4 ．2 形态特征变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．4 ．3 电阻率特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 ．4 试件的单轴抗压强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．5 电阻率与单轴抗压强度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 电极材料为不锈钢的电化学相似模拟试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 4 5 ．5 ．1 电流变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 ．2 形态特征变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ，5 ．3 电阻率特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．5 ．4 试件的单轴抗压强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．5 ．5 电阻率与单轴抗压强度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l 6 ．1 本文的主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 选题背景及研究意义 第一章绪论弟一早硒记 近些年，由于我国经济的飞速增长，岩土工程方面的建设和矿物资源的开发都在向 深度扩张，就会遇到愈来愈多的软岩问题。由于软岩具有遇水膨胀、强度降低和软化崩 解等性质，对长久的工程稳定性而言，将会造成巨大的影响，从而带来不可估量的经济 效益的损失。我国工程领域中，软岩工程占有很大的比例，在能源开采行业最为严重， 每年掘出巷道工程量达到1 5 0 0 0 千米，由于巷道支护中的各种问题而引起了很多项板事 故，不管是其数量还是人员伤亡在煤矿事故中都居于首位。近十几年里，我国煤矿的所 有事故中，项板事故占到近6 0 ％，死亡人数占到近3 0 ％，如图1 ．1 所示。项板事故已严重 制约着矿山的安全生产和发展，理应受到社会的广泛关注和重视。 表l l2 0 0 1 2 0 1 3 年我国煤矿项板事故统计结果 T a b l e l ．1I n2 0 0 1 ～2 0 13C h m a ’Sc o a lm i n er o o f a c c i d e n ts t a t i s t i c s 弛质条件状况恶劣、地应力环境差、顶板围岩稳定性差以及项板岩石破碎等常常能 诱发煤矿顶板事故的发生。沉积岩中所包含的矿产资源，能占到地球矿产资源储藏量的 8 0 ％，煤炭资源也大多蕴含在沉积岩中。泥岩是煤系地层沉积岩中一种主要的构成岩， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 其主要矿物成分有黏土矿物、碎屑矿物和后生矿物等，而黏土矿物含量所占的比例能达 到4 0 ％以上。由于黏土矿物特有的吸水膨胀能力，在开掘巷道后，围岩受到水的侵湿， 就会产生水化膨胀和软化崩解，从而对巷道的安全稳定性造成严重的破坏，乃至引发一 系列的安全事故。 正因如此，在上世纪六十年代，软岩工程方面的问题就被作为一个世界性难题而提 出，引起了世界岩石力学与工程界的广泛关注。关于软岩，一些专家学者分别从软岩的 成岩历史⋯、软岩物质结构组成乜叼3 、软岩水化的力学特性和微观结构特征n 。1 、软岩遇水 后的膨胀变形机理碡吲、软岩工程危害及防护措施n 等方面进行研究，都取得了丰硕的 成果。如今矿山巷道支护多采用锚喷与注浆支护、砌碹和棚式支护等，这些方法并没有 从改善软岩物质特性的角度去考虑，而仅仅只考虑其力学的平衡性方面的问题。在软岩 的加固过程中，用这些方法将产生诸多问题，例如巷道支护工程量大且成本高，维护 周期短，安全性不易控制等，都会对矿山的可持续发展带来严重的影响。因此，通过对 软岩物理、化学和力学等特性深层次的研究，力求探索出一种提高软岩工程长期安全稳 定性的方法是非常必要的。 鉴于这种情况，本文采用泥质页岩作为研究对象，通过对软岩仔细的研究分析，从 改善软岩的物质特性的角度出发，采用电化学方法对泥质页岩进行改性，改性完后，软 岩的稳定性在很大程度上得到了提高，这也为电化学改性加固软岩提供了有效的理论指 导。另外，通过运用相似模拟材料来模拟巷道的围岩，采用铜、铝、铁等不同种类电极 棒模拟锚杆，然后进行电化学试验来分析研究其试验效果，该相似模拟的电化学实验对 进一步探索加强矿山巷道围岩稳定性提供了强有力的理论依据和技术支撑。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国外的研究现状 电化学作用改性软岩的理论研究最初是在十九世纪初，由俄罗斯的R e u s s 教授发现 黏土矿物颗粒的电渗现象开始的。试验中，他发现在黏土矿物颗粒中水从电极阳极区移 向电极阴极区，但对于这一现象R e u s s 并没有作出合理的解释。随后N a p i e r n 力对该试验 进行了仔细分析得到电渗现象所产生的效果使水由电极阳极区移向电极阴极区，并且 发现试验时随着电流强度增强电渗现象越显著。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 8 7 9 年，德国的生理物理学家H e l m h o l t z 提出了电渗流的理论模型，即紧密双电层 模型，又称为平板电容器模型n 副。他用简单的平行板电容器来模拟胶粒的外层结构，电 容的两板平行且电性相反，一板位于质点表面上，另一板则在液体中。该模型在浓溶液 中能很好的符合，但是在稀溶液中这种模型推导的结果与试验结果偏差很大，同时也无 法对电动现象做出合理的解释。 在H e l m h o l t z 所提出的电渗流的理论模型的基础上，随后G o u y 和C h a p m a n 提出了 分散双电层模型，又称扩散双电层模型n8 l 。他们一致认为溶液中的反离子并不是平行地 布置于和质点表面相邻的液相中，而是分散地布置于其周围的空间中，离子的浓度与质 点的距离呈反相关关系。该模型可以很好的解释电动现象和电解质对电动电势的影响， 但却无法解释电动电势的变号。 1 9 2 4 年，结合对分散双电层模型的研究，S t e r n 提出了吸附双电层模型，又称S t e r n 双电层模型。他将该模型中的双电层分为两层，一层是紧密层，即紧靠在质点表面，该 层中电动电势变化情况与紧密双电层模型中相似；另一层与分散双电层模型中的分散层 相似，该层包含了电泳时固一液相的滑动面。吸附双电层模型很好地解释了黏土矿物中 的电动现象，也能反映界面结构的真实情况，从而很好地说明了实验现象所得到的实验 结果。 在上世纪八十年代，B o c k r i s n 钔提出了新双电层模型，他认为双电层结构必须考虑 到双电层内存在着离子的特性吸附和水分子的定向排列。该模型认为双电层由内紧密层、 外紧密层和分散层组成。 N i k o l a e v 啪1 对黏土矿物的电渗试验进行了研究，得出在通常情况下，黏土矿物保 持一种电中性的状态。在施加直流电作用的过程中，极性水分子和固相表面上双电层中 的正电荷发生定向移动，在电极的阴阳极区域就会有过量的正负电荷被中和。 Z h i n k i n 乜门在对电化学作用软岩的试验研究后，认为在施加直流电场作用的过程 中，黏土矿物的物理化学特性发生了一定程度的变化，黏土矿物颗粒表面产生固结现象 并伴随新的物质生成。 一些专家学者通过对特定的黏土矿物开展了相关的试验，研究后得出了不同的认 J 识。Y o u e l l 嘲对蒙脱石含量较多的黏土矿物施加直流电场作用后发现极具膨胀性的蒙 脱石的矿物学特性发生了本质的改变，生成了不具有胀缩性的伪绿泥石。S e t h i ∞1 对高岭 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 石含量较多的黏土矿物在电解质为C a C l 2 的电解液中施加直流电场后发现在黏土矿物 上有晶体和非晶体矿物产生，新生的某种矿物还具有一定程度的固结特性。 A g g o u r 乜～2 5 1 通过研究砂岩的渗透率试验后发现当砂岩的岩芯有电流通过时，砂 岩中的矿物结构特征发生了一定程度的改变，矿物的层间距得到了不同程度减小。 L o c k h a r t 防剐通过电渗脱水试验研究后发现在施加直流电场为O ．1 V c m ～～5 V c m ’1 范围的电位梯度作用下，随着电位梯度的增加，电渗脱水固结速率也随着增加。当电解 液浓度在0 ．0 0 1 m o l L ～- 4 ．1 m o l L - 1 范围时，脱水固结现象在较低的电位梯度下就能发生， 当电解液浓度超出0 ．0 0 1 m o l L - 1 - 4 ．1 m o l L - 1 这一范围时，脱水固结现象就会停止。 T i t k o v 乜螂1 采用电化学方法对钻井壁软岩进行改性试验，试验时用铝铁作为电极材 料，电解液为根据软岩矿物成分的不同而使用不同类型的电解液，经过一定时间直流电 场的作用后发现，软岩的一些力学特性得到了不同程度的提高。进一步对软岩的矿物学 特征进行分析研究，发现改性后的矿物上有固结性物质生成，新生的矿物有石膏、水 铝英石、三水铝石、磁铁矿、氧化铁、碱石和绿脱石等，这些新生的矿物质在很大程度 上提高了软岩的稳定性。 通过对软岩的电化学改性实验的研究，A d a m s o n b 卜矧认为在电化学作用的过程中， 新生的二次矿物的胶结作用在很大程度上增强了黏土矿物的稳定性且这一过程具有不 可逆性。新生的二次矿物并不是在短期内就能形成，而是需要一定时间的作用，且作用 时间的延长能够影响到新生的二次矿物的结构组成。当外加直流电场作用一定时间后， 此时不再施加直流电场，黏土矿物中新生的二次矿物的结构组成仍会发生变化。 L o c k h a r t b 钉采用惰性电极对黏土矿物中高岭土的电压影响试验指出电渗脱水的速 率随着电压的增大而增大，而电渗效率则随着电压的增大而减小，初始阶段的电渗效率 最高且与电压的高低无关。 O uC Y m 嗡’对黏土矿物中的伊利石进行了电渗试验的研究，在试验的同时也注入足 够量的C a c l 2 溶液，一周后测试其抗剪强度，其抗剪强度是只用电渗的1 ．2 5 倍，另外， 该土体中没有排水的抗剪强度在很大程度上得到了提高。 1 ．2 ．2 国内的研究现状 汪闻韶b 7 3 早在1 9 5 7 年就对直流电场改变岩土工程中土体的物理力学特性做出了研 究，认为在施加直流电场作用的过程中，带有负电荷的电重层内层会有促使土体颗粒 向阳极移动的趋势，而孔隙水会在带有正电荷电重层的作用下向阴极移动，这就产生了 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 土体中的电渗现象。直流电场的作用常常能破坏土体中原来保持的水力平衡状态，土体 中原有的孔隙水压力和水力渗透流速也耍随之变化，因此，土体骨架中的压力也发生了 改变，从而一定程度上也就改变了土体的物理力学特性。 曾国熙m 1 通过对土体电渗透试验的研究后发现在实际工程中，电化学加固方法确 实可以起到加固软弱粘性士壤的作用。另外，采用间歇通电，不但可以保持试验时较高 的电流，还能够节省能耗，具有很好的工程前景。 军贤∞1 在对电化学采油及其作用机理进行研究后认为在施加直流电场的作用下， 电渗作用将会调整油水的流动状态，油水界面上的张力和油流阻力变小，岩石润湿性也 发生改变，这些改变的过程将会降低含水率，从而提高了油的产出率。吴新民H 町认为 岩石润湿性是电场对黏土矿物质结构特性作用的综合反映，通过外加直流电场的作用， 岩石的润湿性由原来的亲油性向亲水性方向转化，电场加电时间的长短和电位梯度的大 小将直接影响到润湿性的变化程度。张宁生n 玎认为在施加直流电场作用下，含水率降 低幅度和采油率的提高幅度均是先增加而后降低，另外黏土矿物颗粒发生明显聚结现象， 粒径由细变粗，呈现的规律大致为阴极区粒径最大，中部次之，阳极区粒径最小。 张继红“2 3 通过对施加直流电场对水驱油藏油水的渗透率影响的试验研究得到在施 加直流电场的作用的过程中，油水相对渗透率表现为束缚水饱和度得到增加，岩石的水 湿性增强，残余油饱和度得到一定程度的降低，水相的相对渗透率明显降低，而油相的 相对渗透率则增大，且水油的相对渗透率的变化主要是由于极性相和非极性相的双电层 结构的改变、电粘效应和渗流效应等一些其它因素造成的。另外在文献“3 1 中，他还指出 在施加直流电场的作用下，流体的渗流性质将得到改变，当为正向电场时，渗流速度随 着电场强度的增加而呈现出增大的趋势；当为反向电场时，渗流速度则随着电场强度的 增加而呈现出明显减小的趋势。 宋宏伟m 1 对煤矿井巷中具有强胀缩性的灰色黏土岩进行了电化学改性实验的研究， 认为如果软岩在夕t - J J n 直流电场的作用下，带正电的阳离子就会向电场负电荷的