温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

温度对岩石强度及损伤特性的影响研究

通过单轴压缩试验,对经历不同温度(25~1000℃)后大理岩的纵波波速、抗压强度、破坏形态以及损伤特性随温度的变化规律进行研究。试验结果表明：高温后大理岩破坏时,沿轴向存在多个劈裂面,主要体现为劈裂破坏的模式;单轴抗压强度在100℃和400℃时有2次强化作用,从800℃左右,抗压强度开始急剧下降直至1000℃时,基本失去了承载能力;随着加热温度的升高,大理岩试样的纵波波速近似线性下降,损伤因子近似线性增加,反映了大理岩经历高温作用后内部性质的变化;岩石是由不同矿物组成的多晶体,高温环境下各种矿物性质的变化,在一定程度上影响着岩石高温后的物理力学性质。     

冻融循环条件下岩石物理力学指标相关性分析

为了得到冻融循环条件下岩石强度指标与物理指标的关系,在室内实验和理论分析的基础上,建立了冻融循环过程中岩石抗压、抗剪强度力学指标与纵波波速、孔隙率物理指标的关系。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩石的孔隙率增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力降低;冻融循环条件下粗砂岩的孔隙率、纵波波速与单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力之间具有良好的相关性。通过测量经历不同冻融次数的岩石的孔隙率和纵波波速,较好地反映出冻融循环过程中岩石强度的衰减关系。     

高温后粗砂岩弹性纵波波速的试验研究

对粗砂岩经历不同高温后弹性纵波波速进行了相关研究.分析了粗砂岩波速与温度的变化规律.总体上随着加热温度的升高,粗砂岩弹性纵波波速处于单调下降的趋势.试验结果表明,粗砂岩作为高空隙度岩石,加热温度小于100℃时,弹性纵波波速变化不明显;而当加热温度超过100℃后,弹性纵波波速大致成线性降低,波速与温度具有良好的相关性.     

高温环境下大理岩热损伤特性的试验研究

采用MTS 810电液伺服材料试验系统对常温~800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力-应变曲线、峰值应力、弹性模量等量的变化特征.结果表明:随受热温度升高大理岩的峰值强度和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,800℃时大理岩的延性明显增强.基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与温度之间的非线性关系,建立了单轴压缩下的大理岩损伤统计本构模型,给出了考虑温度效应大理岩损伤统计本构模型参数.通过与高温状态下单轴压缩实验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了温度对大理岩损伤特性的演化规律.     

单轴加载条件下大理岩的实时轴向波速变化特征与频谱分析

为研究大理岩在单轴应力条件下的实时轴向波速的变化特征,采用自主研发设计的超声波检测替代承压装置,完成了大理岩、Q345钢的单轴压缩试验与实时轴向超声波测试,并结合FFT方法分析了大理岩试样与Q345钢试样的波速、频谱特征。试验结果表明:在单轴加载条件下,Q345钢试件耦合面的接触性状是导致其波速增长的主要原因,而大理岩纵波波速随应力的变化则受耦合面接触性状与孔隙闭合特征的共同控制,大理岩在弹性范围内的波速变化可分为孔隙压密段与线弹性段两个阶段;试件端面接触性状越稳定,波速增长越慢,波速越高,次频带谐波能量越低;随着岩石内部的孔隙、裂纹被压密,纵波波速增大,频域信号的低频段能量逐渐向高频段转移。     

高温后大理岩各向异性响应特征研究

通过对含层理大理岩开展经历不同温度后的纵波波速测试试验,分析高温作用后大理岩纵波波速的变化规律,在此基础上探讨各向异性指数(平行与垂直层理方向波速比值)的变化趋势,研究温度对大理岩各向异性的影响规律。研究结果表明:经历高温后大理岩纵波波速下降,而且随经历温度的升高,大理岩纵波波速持续降低;大理岩纵波波速存在层理效应,主要表现为平行层理方向的波速大于垂直层理方向波速,各向异性指数为1.11~1.19;在30~200℃范围内,大理岩各向异性指数随温度呈现出两边低中间高的"倒U"形变化规律。研究成果在一定程度上反映了经历高温后岩石各向异性的变化,为预测和评估高温工程围岩的长期稳定性和安全性提供理论基础。     

高温对弱黏结中砂岩物理力学性质的影响

基于弱黏结中砂岩经历400~1 000℃高温后进行物理力学参数测试,分析了高温后弱黏结中砂岩的物理力学参数与温度、围压的关系。结果表明:经历400℃以内高温对试样体积、质量和波速影响很小,超过400℃以后试样体膨胀率、烧失率随温度升高单调增加,波速随温度升高单调降低,经历400和800℃高温后试样的变形参数明显高于自然状态(25℃)单轴试验值,高温后试样的弹性模量和变形模量大幅度降低,极限应变随温度升高单调增加。试样的弹性模量、变形模量和峰值强度与围压呈正相关,试样峰值强度与围压符合Coulomb强度准则。经历800℃以内高温对试样黏聚力的影响不大,超过800℃以后黏聚力急剧降低。高温后试样的内摩擦角与温度呈正相关;经历1 000℃以内高温对弱黏结中砂岩具有强化作用,但超过800℃对试样材料强度有所弱化。Mohr-Coulomb预测理论破坏角与试验破坏角大致相当,试样的试验破坏角与围压呈负相关。     

透明岩石相似材料配比试验研究

针对传统岩石相似材料不透明而导致内部变形破裂过程无法直接观测的难题，使用透明材料制作相似模型是有效的解决方法。采用E-44型环氧树脂作为骨料，三乙醇胺作为固化剂，外加酒精松香饱和溶液（RSS）调节脆性，应用全面试验方法，研究了环氧树脂与三乙醇胺质量比和RSS含量对透明岩石相似材料密度、单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量、抗拉强度、黏聚力和内摩擦角的影响规律。研究结果表明：环氧树脂与三乙醇胺质量比对材料抗压强度、弹性模量、抗拉强度、黏聚力和内摩擦角起主导作用，而RSS含量对相似材料的密度和峰值应变起主导作用。密度和峰值应变与环氧树脂与三乙醇胺质量比呈正相关，与RSS含量呈负相关。在环氧树脂与三乙醇胺质量比为3∶1时，试件的抗压强度与RSS含量呈负相关，而在其他比例时，抗压强度变化不显著。试件的弹性模量和内摩擦角与环氧树脂与三乙醇胺质量比呈正相关，在环氧树脂与三乙醇胺的质量比为3∶1时，试件的弹性模量和内摩擦角与RSS含量呈负相关，在其他比例时，则与RSS含量呈正相关。抗拉强度和黏聚力随着RSS含量的增加而降低，随着环氧树脂与三乙醇胺质量比的增加而先增加后减少。在同一环氧树脂与三乙醇胺质量比...     

不同加载方式下层理对砂岩力学特征的影响分析

为了研究层理对砂岩物理力学特征的影响,以布尔台煤矿5-2煤基本顶粉砂岩为研究对象,对其进行了直接拉伸、直接剪切和单轴压缩试验,分析了层理对其纵波波速、抗拉强度、抗剪强度、抗压强度、弹性模量及峰值应变的影响。试验结果表明:层理对抗压强度、残余剪切强度基本没有影响,但是对抗拉强度、峰值应变(拉伸)、抗剪强度、弹性模量、峰值应变(单轴)和纵波波速等有显著的影响;抗拉强度、峰值应变(拉伸)、抗剪强度、弹性模量、峰值应变(单轴)及纵波波速分别降低了31.6%、33.2%、33.9%、33.3%、42.7%、8.4%。     

低温冻结作用下砂质泥岩基本力学特性试验研究

以砂质泥岩为研究对象,对饱水状态岩石试件进行不同温度(-30~20℃)、不同围压(6,8,10 MPa)条件下的单轴压缩试验及三轴压缩试验,分析了低温对砂质泥岩基本力学参数的影响规律,探讨了抗压强度和残余强度随围压的变化。研究结果表明:低温(0℃以下)对砂质泥岩强度特性和变形特性均有较大的影响,其抗压强度、黏聚力、内摩擦角、残余强度和弹性模量随温度的降低均有所提高,残余强度呈衰减增长趋势,而最大轴向应变值随着温度的降低而不断减小。围压对砂质泥岩强度特性的影响非常明显,抗压强度、残余强度均随围压的增加呈线性增加。通过对大量的试验数据进行分析,得到一系列有意义的拟合曲线及关系表达式。     

深部花岗岩物理力学参数随赋存深度变化的变异性试验

为研究深部花岗岩物理力学参数随赋存深度变化的变异性,通过对某金矿19~1 320 m深度水平的花岗岩岩样的岩石参数(单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、天然重度等)统计分析,结果发现,岩石参数变异系数大小顺序为：弹性模量>单轴抗压强度>黏聚力>泊松比>内摩擦角>天然重度;单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角、天然重度随着深度增加有线性增大趋势,而泊松比随深度增加有线性减小趋势;根据地质统计学的变异函数,拟合出岩石参数最优模型,分析了岩石参数在空间变异的性质,天然重度在赋存深度尺度内变异性小,而弹性模量和单轴抗压强度变异性较大。许多学者对土的参数变异性研究相对较多,而对岩石参数的变异性研究相对较少,以岩石试验为基础对岩石参数进行分析,揭示了岩石参数随赋存深度变化的规律及变异性,对深部开采有一定参考意义。     

岩石耐温抗冻性能室内试验分析

选取灰岩、砂岩、煤岩3种常见岩性作为试验对象,展开“常温（20 ℃）～-30 ℃”、“常温（20 ℃）～1 000 ℃”的低温、高温状态渐变温度室内试验,深入了解温变条件下不同岩石试件物理参数、热物理参数、单轴抗压强度参数的整体变化规律。结果表明：① 低温变化过程中,孔隙率越大,水分析出现象越明显,岩石热导率随着温度降低呈现先增大后减小现象,在-10 ℃达到峰值;而试样单轴抗压强度随着温度降低而逐渐增加;② 高温变化过程中,在达到某一阈值温度时,质量损失率明显提升;随着温度升高,热导率稳步降低,且与温度呈近似线性关系;试样单轴抗压强度随着温度升高而逐渐降低,且在达到特征温度后,其强度值明显降低;③ 岩石结构越致密,孔隙率越低,天然强度越大,其温度影响敏感性越低,耐温抗冻性能越佳。     

基于三轴试验与数值模拟的大理岩破坏特征研究

为了研究深部围岩在不同围压下的力学性质与破坏特征, 对不同围压下大理岩开展了三轴压缩试验; 利用RFPA^2D数值模拟软件对大理岩开展了不同围压下应力-应变特征、强度与声发射特征等研究。结果表明, 岩样峰值应力与围压有关, 随着围压增大, 岩样逐渐由脆性破坏转为延性破坏; 岩石弹性模量随着围压增大表现出非线性增大规律; 数值模拟结果也表明, 岩样声发射现象在单轴压缩时反应强烈, 伴随围压增大, 岩样声发射特征参数逐渐趋于稳定, 围压对岩石横向应变有明显束缚作用, 降低了岩石能量释放与破坏程度。RFPA^2D数值模拟可呈现大理岩试样在不同围压下裂纹萌生、发育、汇合至试样破坏的全过程, 其模拟结果与室内试验结果吻合度较高, 验证了结论的可靠性, 可为矿山深部开采提供理论依据和现实指导。     

煤岩重复加载力学特性试验研究

利用MTS815.03电液伺服岩石试验系统,对运河煤矿煤岩试件在重复加载作用下的特性进行研究。研究结果表明,在重复加载作用下,煤岩强度极限较常规单轴压缩强度极限降低约23.65%;二次加载时弹性模量较初次加载时弹性模量增大约21.08%。由于煤岩含有大量原生损伤裂隙并且强度较低,在重复加载过程中,煤岩内部原生裂隙和新生裂隙的闭合与张开以及不可恢复的宏观裂纹的产生为煤岩弹性模量的增大、强度极限的降低给予较为合理的解释。在重复加载作用下,有超过1/3的能量以内部裂隙的闭合,材料的屈服、破坏、损伤、断裂以及裂隙面的滑移摩擦等形式消耗掉。煤岩的破坏过程经历了从压密、应变硬化到软化的变化过程。     

冻融循环对风化花岗岩物理特性影响的实验研究

在冻结温度为-40 ℃,融化温度20 ℃的环境下对风化花岗岩进行0,10,20,30次冻融循环实验;并对岩样进行室温下岩芯核磁共振和常规单轴压缩实验,得到冻融循环后岩石的孔隙度、孔隙分布和单轴抗压强度,孔隙度与循环次数拟合多项式。实验结果表明：冻融循环后风化花岗岩饱和水状态下的质量均会增加;岩石内部的孔隙分布发生了明显变化;中小尺寸的孔隙数量增加且随循环次数增加而增长;花岗岩强度明显降低,冻融系数和单轴抗压强度随循环次数的增加而减小,弹性模量有所降低。最后利用损伤力学原理对岩样进行冻融损伤分析,得到有效应力与孔隙度表达式,为研究寒区岩体工程损伤破坏机理和稳定性评价提供参考数据。     

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样，研究了白砂岩在10^-5～10^-3 s^-1应变率范围内的单轴压缩性能，采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图，并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明，岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律，剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间；加载初期，全局径向应变存在差异，在峰值强度时下端部区域径向位移最大，岩样上端部变形受到端部效应影响，径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制；此外，下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大，岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时，岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应，从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。     

含杂质盐岩力学特性对比试验研究

从某地拟建地下盐穴储库库区取芯,对含不同杂质盐岩（纯盐岩、钙芒硝质盐岩、硬石膏质盐岩及泥质混合盐岩）进行了力学试验,并对所获得的力学特性进行了对比分析。结果表明：① 在单轴和三轴压缩试验过程中,不同杂质成分对抑制盐岩的变形能力、提高盐岩抗压强度的作用有所不同;② 含不同杂质盐岩的弹性模量、单轴抗压及抗拉强度有较大变化区间,钙芒硝质盐岩的弹性模量和抗拉强度较大;③ 通过三轴压缩试验获得含不同杂质盐岩内摩擦角的量值明显低于纯盐岩,而黏聚力均大于纯盐岩。除纯盐岩外,硬石膏质盐岩的内摩擦角和黏聚力相对较小。     

高温三轴应力下煤体弹性模量的演化规律

利用自主研制的“600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”研究了500 m原岩应力状态下室温至600 ℃升温过程中大尺寸（200 mm×400 mm）晋城无烟煤和兴隆庄气煤弹性模量随温度的演化规律,对比分析了无烟煤和气煤弹性模量变化规律的异同,讨论了弹性模量突变临界温度和热解产气对煤体弹性模量的影响。结果表明：煤的弹性模量随温度升高变化过程可以分为3个阶段,即中低温平稳降低阶段、中高温剧烈降低阶段和高温缓慢降低阶段;煤体热解产气对弹性模量变化产生重要影响,随着温度升高,无烟煤弹性模量与热解产气速率呈明显的负指数关系;围压、温度和热解共同影响煤体弹性模量,在围压保持不变的条件下,温度和热解产气是影响弹性模量的主要因素弹性模量在不同温度阶段呈现出不同的变化特征;煤的弹性模量随温度的变化规律较砂岩复杂,但同样存在弹性模量突变临界温度点,只是不同煤阶的煤体临界温度出现较大差异。     

大红山铜矿岩石物理力学性质试验研究

对大红山铜矿435中段矿岩的单轴抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角以及内聚力进行了室内试验研究。试验得出一系列岩石物理力学参数,为矿山下一步生产实践做好了准备。