钙芒硝盐岩多场耦合作用下蠕变的温度效应研究

为了研究温度-溶浸-应力耦合作用下钙芒硝盐岩蠕变的温度效应,利用自主研发的三轴岩石力学试验机,进行了围压4 MPa、轴压5 MPa、不同温度(30,60,90℃)、不同渗透压(3,2,1 MPa)条件下的三轴蠕变试验,并在试验前后对试件进行CT扫描,分析了不同蠕变过程中温度对钙芒硝蠕变变形的影响。结果表明:溶浸连通过程,对钙芒硝盐岩蠕变变形起主要作用的是渗透压和温度,渗透压越小且温度越高,蠕变应变越大;饱水蠕变过程,温度和有效应力是影响蠕变变形特性的主要因素,随温度的升高蠕变应变逐渐增大,但其增加幅度逐渐减小。在72 h的饱水蠕变过程中,渗透压为2 MPa时,30,60,90℃条件下的蠕变应变分别为0.009 5×10~(-2),0.014 4×10~(-2),0.019 5×10~(-2),渗透压为3 MPa时,分别为0.001×10~(-2),0.003×10~(-2),0.007×10~(-2);排水蠕变过程,影响钙芒硝蠕变变形的主要因素是温度-溶浸-应力作用的历史过程对钙芒硝固体骨架力学性能的弱化程度和温度对蠕变过程的热损伤作用,随温度的升高蠕变应变和其增加幅度都逐渐增大;基于非线性流变力学理论,对广义开尔文模型进行改进,根据蠕变试验结果,采用曲线拟合法对改进后模型的参数进行反演识别,结果与实测数据吻合效果良好,说明改进后的模型可以较好的描述钙芒硝在温度-溶浸-应力耦合作用下的排水蠕变过程。     

温度-应力耦合作用下无烟煤的蠕变特性与本构关系研究

为了研究无烟煤在温度-应力耦合作用下的蠕变特性,采用自主研发的多功能三轴岩石力学试验机,通过理论分析与物理试验相结合的方法,进行了轴压20 MPa、围压4 MPa、不同温度(30、60、90℃)条件下的三轴蠕变试验。研究结果表明:瞬时应变随温度的升高而非线性增大,30℃、60℃、90℃条件下的瞬时应变分别为0.666%、0.908 4%、1.272 7%;温度的上升可以增加煤体减速蠕变和稳态蠕变的损伤过程,在72 h的蠕变过程中,30℃、60℃、90℃条件下的蠕变应变分别为0.503%、0.581 6%、0.686 3%。基于非线性流变力学理论,建立了1个非线性的黏弹塑性本构模型,根据蠕变试验结果,采用曲线拟合法对该模型进行拟合。结果发现吻合效果良好,说明该模型可以较好的描述无烟煤在温度-应力耦合作用下的蠕变过程。     

不同温度-围压-气体压力下煤体蠕变-渗流演化规律

为实现深部煤层气的高效开采,通过研究不同温度、围压和气体压力下煤体蠕变变形和渗透率演化规律,得到多因素作用下煤体蠕变-渗流耦合关系;采用自行设计的岩石三轴蠕变-渗流装置,对焦煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验。结果表明：温度与煤样的蠕变呈正相关性,随温度的增加焦煤煤样径向和轴向应变变化速率增大且高温（110℃）下这种变化会一直持续直至煤样破裂;围压强度3 MPa与4 MPa的焦煤煤样在温度30、70、110℃下其气体渗透率降低率最大和最小差值分别为7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%;焦煤煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,试验温度110、70、30℃下的焦煤煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%、73.25%。     

温度-浓度耦合作用下可溶岩钙芒硝溶浸细观结构演化

岩石细观结构通常随外部环境变化而逐渐发展演化,为了研究不同溶浸条件下钙芒硝细观结构演化的规律。通过对特殊的钙芒硝可溶岩在不同温度与浓度溶液中溶蚀过程进行显微CT观测,以孔隙率为表征参数,研究了不同温度、不同浓度盐溶液中,4 mm×4 mm×9 mm长方体试样同一截面的孔隙结构演化特征。试验结果表明,各种条件下钙芒硝均由表及里进行溶解,孔隙发展具有明显的渐进过程;3种浓度条件下,钙芒硝在淡水中的溶浸速度及细观结构演化最快,孔隙率随时间呈线性规律急速增大。在常温淡水溶液中溶浸48 h后,钙芒硝的孔隙率较初始孔隙率增大近10倍,而在半饱和与饱和盐溶液中仅增大1~2倍。不同温度条件下,95℃溶液比常温溶液作用下钙芒硝孔隙率演化速率提高了4~5倍。溶浸作用下钙芒硝可溶岩孔隙率演化存在显著温度与浓度效应。     

钙芒硝蠕变特性的研究

蠕变是岩石的一个重要力学特性,其变化特性影响着岩石工程结构长期的安全稳定性。为了研究钙芒硝的蠕变规律,在西原模型中引进一个随时间变化的粘性系数,建立了钙芒硝单轴、三轴蠕变模型。为了验证模型的准确性,进行了大量的蠕变试验,分析了载荷大小对蠕变三个阶段所经历时间的影响。利用Origin软件的自定义函数,结合单轴、三轴蠕变试验,拟合得出所建模型中的各个参数。拟合结果表明,所建蠕变模型能够较好的描述钙芒硝的单轴、三轴蠕变特性,且其单轴长期强度小于三轴长期强度。     

钙芒硝单轴压缩力学特性的试验研究

利用高精度μCT225KVFCB显微CT试验系统和JL型微机控制电液伺服万能试验机,对钙芒硝单轴压缩力学特性进行了研究。研究表明:钙芒硝压密阶段不明显,且存在刚性阶段;钙芒硝单轴抗压强度平均为7.54 MPa,属于软岩,其单轴抗压强度随着物质密度的增大而增大,随物质密度不均匀程度增大而减小,且与X射线衰减系数、衰减系数方差呈线性拟合关系。     

动静载荷作用下片麻岩蠕变实验及非线性扰动蠕变模型

深部巷道围岩应力状态处于岩石强度极限邻域内,围岩会产生较大的蠕变变形,特别是深部扰动荷载对巷道围岩蠕变变形的影响更为敏感。为了研究深部岩石在扰动载荷作用下的岩石非线性蠕变特性和蠕变扰动效应,利用自行研制的岩石三轴扰动蠕变试验台,以片麻岩为岩石试样,采用分级加载方式,开展静载轴压、不同扰动幅值、不同扰动频率作用下的岩石单轴压缩扰动蠕变试验,得到扰动载荷对岩石蠕变特性的影响。试验结果表明:轴压是岩石蠕变变形的主导因素,随着轴压的增加,岩石蠕变变形量逐渐增大;岩石蠕变变形量随着扰动幅值和扰动频率的增加而增大,在相同轴压和作用时间的情况下,扰动幅值对岩石蠕变变形比扰动频率明显;在相同的扰动条件下,随着轴压的增大,岩石蠕变破坏受扰动作用影响越大,当轴压大于40 MPa时,岩石蠕变受扰动影响敏感度越高;每次扰动加载后,岩石蠕变应变量出现台阶式突增,同时蠕变曲线也出现陡突现象,随着扰动幅值和扰动频率的增大,突变值越大。以试验结果分析为依据,引入非线性黏塑性扰动蠕变元件和损伤原件,并与Burgers串联,建立了岩石非线性扰动蠕变损伤复合模型。采用基于模式搜索的改进的非线性最小二乘法反演蠕变参数,并将蠕变方程计算结果与实验结果进行拟合,效果良好。     

三轴压缩下巷道围岩蠕变参数分析及寿命预测研究

为了研究不同围压作用下巷道围岩的蠕变力学特性，采用RLJW-2000流变仪开展了砂岩单轴压缩蠕变和围压为2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa的三轴压缩蠕变试验，引入一个带有长期强度和时间阈值的黏塑性损伤元件，与Burgers模型串联构建三维蠕变模型，分析了不同围压下岩石的蠕变参数演化规律。结果表明：蠕变作用下砂岩长期强度约为峰值强度的72%;建立的三维蠕变模型可以精准地描述不同围压下砂岩三轴蠕变全过程。最后，根据进入加速蠕变的应变阈值和损伤变量演化特征提出了蠕变寿命预测方法，预测结果具有较高的准确度。     

高温作用下围压对页岩力学特性影响的试验研究

利用MTS815型程控伺服刚性试验机对页岩开展高温常规三轴压缩试验,基于试验结果分析围压与页岩应力-应变曲线特征、峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值应变的关系。结果表明,按体积应变特征,应力-应变曲线可归为3类：扩张型、压缩-扩张过渡型和压缩型,围压对页岩具有较明显的扩容作用。在同一温度时,在5～25 MPa围压范围内,页岩峰值强度（σ1-σ3）较低,表现出较强的塑性变形破坏特征,峰值强度和弹性模量具有随围压增加而增大的趋势。围压小于15 MPa时,页岩泊松比随围压增大而增大,而峰值轴向应变和峰值横向应变均随围压增加而逐渐降低;围压大于15 MPa后,泊松比随围压增加呈小幅下降,峰值轴向应变和峰值横向应变随围压增加而略有增大。     

煤岩渗流-蠕变耦合试验研究

岩石在渗流作用下的蠕变为工程的长期稳定带来了诸多不利影响。研制一种可实现围压加载、轴压加载和空隙水压加载的岩石渗流-蠕变耦合试验装置,进行岩石渗流与蠕变的耦合试验,探讨岩石在渗流作用下的蠕变特性。试验得出：在固定水压和围压的情况下,煤岩轴压对试件弹性形变作用随轴压增加而降低;轴向的瞬时变形随轴压增大而增大;渗流量随轴压升高而降低。在轴压和围压固定的情况下,渗流量和蠕变量随水压的增大而增大,渗流对试件蠕变会产生一定的影响,蠕变也影响渗流量。