低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗的机理及模型试验研究

论文摘要

为满足我国核电快速发展对铀资源的大量需求,解决制约低渗透砂岩型铀矿床原地浸出顺利生产的瓶颈,本文提出了无临空面深层岩体爆破增渗方法,以提高低渗透赋矿岩层的渗透性。建立了爆炸荷载下岩石损伤-渗透率耦合动本构模型。在研究不同装药结构对深层岩体爆破效果的影响的基础上,以内蒙某低渗透砂岩型铀矿床为工程背景,通过无临空面深层岩体爆破增渗模型试验及模型渗流特性试验,探讨了无临空面深层岩体爆破增渗的可行性、增渗效果及增渗机理,得出了一些有益的结论。具体内容如下:1、基于前人提出的损伤模型,本文构建了爆炸荷载下岩石损伤-渗透率耦合动本构模型。本模型抛弃之前模型基于张拉体积应变的拉伸损伤判断准则,且不去区分材料所处的拉压状态,而以某一点主张拉应变之和作为损伤开始积累的判据,以反映差应力引起的材料损伤。同时,假设岩石渗透率各向同性,建立了岩石渗透率的变化和与之相关的损伤状态之间的关系式。本模型简化了问题的描述,使其损伤的物理意义更加明确。2、基于冲击波在交界面两侧压力和速度必须各自相等的连续性条件,求解爆轰产物中适用的反射波方程和介质中适用的冲击波方程,得到药包周围介质中冲击波的初始参数。随后,通过波的传播机理,把集中药包应力波随距离的衰减公式扩展到延长药包,并计算耦合与不耦合装药时距爆心相同距离处岩石中冲击波的参数。由计算结果可知:（1）耦合装药爆破时形成的冲击波压力超过岩石抗压强度极限几十倍以上,药包周围岩石形成粉碎区,爆炸能被大量耗散;（2）与耦合装药相比,不耦合装药可以降低孔壁处岩石中冲击波初始压力。合理的不耦合系数,可使岩石不形成粉碎区,大幅度减少能量耗散;（3）水作为炸药爆轰产物与岩石间的弹性缓冲层,延长了冲击波作用时间,加大了爆炸的作用范围,增加了能量传递。3、以内蒙某低渗透砂岩型铀矿床为工程背景,在模型试验相似理论基础上,设计并实施了无临空面深层岩体爆破增渗初步模型试验和优化模型试验。试验结果表明:（1）耦合装药爆破不适宜在无临空面深层岩体爆破增渗中应用,应采用不耦合装药爆破,并且验证了不耦合介质（水）对爆炸冲击波的弹性缓冲作用;（2）验证了自制PVDF压力传感器的性能,并根据爆炸应力波的实测结果拟合了不同不耦合系数下模型中爆炸应力波幅值随距离衰减的关系式,为无临空面深层岩体爆破增渗方法中合理不耦合系数的选取提供了依据,并且这些关系式可以推广到与模型性质相似的岩石中应用;（3）初步揭示了爆破增渗的作用机理。4、研发了适用于测量模型渗透率的小尺度原位瞬态压力脉冲测试系统,并对爆破后模型进行了渗透率测量试验。试验结果表明:（1）本文提出的无临空面深层岩体爆破增渗方法增渗效果显著,爆破后模型渗透率提高了2～3个数量级;（2）确定了在不耦合装药爆破增渗中合理的不耦合系数范围为1.5～3,不耦合装药爆破增渗的范围大概为70倍的药包半径;（3）表明了爆生气体及微差爆破对渗透率提高的显著作用。5、通过爆破增渗模型试验研究和模型渗透率测量试验研究,揭示了无临空面深层岩体爆破增渗的作用机理:（1）爆炸冲击波致裂及微差爆破增渗机理;（2）不耦合装药爆破增渗机理;（3）空间补偿增渗机理;（4）爆生气体的驱动增渗机理。最后,作者对本文的研究工作做了总结,指出了其中存在的问题,并讨论了今后的研究工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 石油及煤层气开采中提高矿层渗透率的方法简介
• 1.2.1 水力压裂与高能气体压裂
• 1.2.2 复合射孔技术
• 1.2.3 松动爆破技术
• 1.2.4 “层内”爆炸改造油藏技术
• 1.2.5 低频脉冲波强化采油技术
• 1.3 铀矿地浸开采中改善矿层渗透性的常用方法
• 1.3.1 钻孔洗井
• 1.3.2 改进钻井工艺
• 1.4 论文的目标、技术路线及主要研究内容
• 第二章 爆炸荷载下岩石损伤－渗透率耦合动本构模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 岩石动损伤模型发展概述
• 2.2.1 岩石动损伤模型研究现状
• 2.2.2 岩石动损伤模型存在问题及研究展望
• 2.3 损伤－渗透率耦合动本构模型的建立
• 2.3.1 岩石的变形及破碎特性
• 2.3.2 损伤－渗透率耦合动本构模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 爆破理论基础及不同装药结构对深层岩体爆破效果影响的理论探讨
• 3.1 引言
• 3.2 爆炸波的形成、传播及波动问题基本方程
• 3.3 介质中纵波的传播机理
• 3.4 不同装药结构对深层岩体爆破效果影响的理论探讨
• 3.4.1 药包周围介质中冲击波初始参数
• 3.4.2 介质冲击波的衰减及不同装药方式爆破时介质中冲击波参数
• 3.4.3 理论探讨
• 3.5 本章小结
• 第四章 低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗模型试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗模型试验工程背景
• 4.2.1 原地浸出采铀工艺简介
• 4.2.2 内蒙某低渗透砂岩型铀矿床工程地质及水文地质情况简介
• 4.3 PVDF 压力传感器的应力直测技术
• 4.3.1P PVDF 压电薄膜测压工作原理
• 4.3.2P PVDF 压力传感器工作模式
• 4.3.3P PVDF 压力传感器的实际应用
• 4.4 低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗模型试验设计
• 4.4.1 模型试验的理论基础
• 4.4.2 低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗模型试验设计
• 4.5 初步模型试验方案、模型制作及试验结果分析
• 4.5.1 初步模型试验方案
• 4.5.2 初步模型试验模型制作
• 4.5.3 初步模型试验结果分析
• 4.6 优化模型试验方案、模型制作及试验结果分析
• 4.6.1 优化模型试验方案与制作
• 4.6.2 优化模型试验结果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗模型的渗流特性试验研究及爆破增渗机理分析
• 5.1 引言
• 5.2 岩石渗透率测量方法简介
• 5.2.1 室内瞬态压力脉冲法
• 5.2.2 岩层渗透率现场水力测试方法简介
• 5.3 爆破后模型渗透率原位测量试验研究
• 5.3.1 小尺度原位瞬态压力脉冲测试系统研发
• 5.3.2 现场原位瞬态压力脉冲试验测试方法及试验过程
• 5.3.3 爆破后模型现场原位瞬态压力脉冲试验测试结果
• 5.3.4 爆破后模型现场原位瞬态压力脉冲试验测试结果分析与讨论
• 5.4 无临空面深层岩体爆破增渗机理探讨
• 5.5 本章小结
• 第六章 结语与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 尚需进一步研究的工作
• 参考文献
• 博士期间参与的科研项目及发表的论文
• 致谢