溶浸作用下钙芒硝盐岩蠕变特性研究

在原位溶浸开采过程中,钙芒硝长期在应力、水的作用下,其岩体强度不断发生变化,上覆岩层逐渐失去钙芒硝的承载作用。为了研究开采过程中钙芒硝的蠕变特性,采用三轴岩石力学试验机,通过物理试验方法,进行了轴压5 MPa、围压4 MPa、不同渗透液浓度条件下的钙芒硝三轴蠕变试验。研究结果表明:钙芒硝的溶解具有显著的浓度效应,该效应对其蠕变变形有很重要的影响。在蠕变初期,蠕变应变随渗透液浓度的增大而减小,在蠕变后期,蠕变应变随渗透液浓度的增大而增大;当渗透液分别为饱和氯化钠溶液、半饱和氯化钠溶液、淡水时,钙芒硝分别经历336 h、101.7 h、67.2 h的蠕变后,其蠕变应变分别为0.1335%、0.051%、0.04%。     

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。     

溶解-应力耦合作用下钙芒硝的细观结构演化特征

矿物溶解是一个多因素耦合作用下的复杂物理化学过程。为了研究钙芒硝细观结构演化规律,选用常温淡水溶浸后的钙芒硝,对其进行不同轴向应力作用下的试验研究。通过显微CT扫描观测和孔裂隙统计分析,结果表明:钙芒硝在淡水中溶浸后,孔隙总数量随轴向应力的增大先增加后减少。随着轴向应力的增加,等效直径0.05mm的原生孔隙逐渐减少,0.05～0.5 mm的孔隙逐渐增多,当应力为8MPa时出现了0.5mm的裂隙,9.6 MPa时出现了明显的裂隙。钙芒硝经淡水溶浸作用后,力学特性弱化,抗压强度大幅降低。轴向应力升高加剧钙芒硝孔裂隙的发生发展,提高矿体所受应力有助于钙芒硝溶解通道的形成。     

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。     

低温环境下红砂岩蠕变特性及其模型

为研究低温环境下岩体工程的长期稳定性,以饱水状态下的陕西红砂岩为研究对象,采用MTS810岩石力学试验机进行不同温度(20,-10,-20℃)条件下的分级加卸载单轴蠕变试验,研究了不同温度条件下红砂岩的蠕变特性及温度对岩石蠕变特性的影响。根据蠕变试验结果,将岩样总应变分为瞬时应变和蠕变应变,瞬时应变由瞬时弹性和瞬时塑性应变组成,蠕变应变由黏弹性和黏塑性应变组成。结果表明,瞬时应变随应力水平的增加而增大,瞬时弹性应变与应力呈近似线性关系;随着应力水平的增加,黏塑性应变随时间逐渐增加,总应变中黏塑性应变的比例也趋于增大。随着温度的降低,岩样瞬时应变及相同应力水平下的蠕变应变均减小,蠕变持续时间延长,岩石破坏强度提高。根据岩样的变形特性结合蠕变试验结果,引入分数阶微积分,建立考虑低温影响的非线性流变模型;采用通用全局优化算法结合最小二乘法中的Levenberg-Marquarat算法对不同温度环境中的蠕变试验结果进行参数识别,理论曲线与试验结果吻合度较高,尤其加速蠕变阶段效果较好,表明该模型能够很好地描述红砂岩在低温环境下的蠕变行为;对不同温度条件下的模型参数进行分析,结果表明,随着温度的降低弹性模量E_3(T)呈抛物线式增长,而弹性模量E_1(T),E_2(T)及黏性系数η_1(T)呈指数形增长,为冻结法施工和寒区岩体工程长期稳定性分析提供理论依据。     

锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型

为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16. 3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1. 8 GPa,小于5 MPa围压下的3. 6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9. 4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1. 8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。     

不同温度下钙芒硝矿溶解细观结构显微CT试验研究

对不同溶浸条件下的钙芒硝矿样进行了显微CT扫描实验,观测钙芒硝某一固定层面的物理细观结构在水溶液溶浸作用下的变化规律与特征,揭示了溶浸温度与时间对钙芒硝溶解特性的影响。结合钙芒硝溶解的宏观质量变化与细观孔隙率及裂纹演化,研究了不同温度下的钙芒硝溶解特性。根据实验与理论分析结果,得到：钙芒硝矿中Na 2 SO 4 在未达到其饱和溶解度前,溶解不断进行,同时,存在CaSO 4 的溶解与水化结晶两个动态平衡;溶解和结晶的速度影响钙芒硝孔隙率的变化;室温溶浸时,钙芒硝容易碎裂,35 ℃时,钙芒硝溶解相对稳定,65 ℃和95 ℃时,短时间内溶解速度较高,随着时间增长,溶解速度减小,且95 ℃溶速低于65 ℃;不同温度钙芒硝的溶解-渗透方式不同。     

中、高阶煤样甲烷吸附应变及渗透性实验分析

煤中气体吸附膨胀和解吸收缩应变是影响煤层气井排采中煤储层渗透率动态变化的重要因素。通过选取沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组中、高阶煤样,通过煤的吸附变形-渗流模拟实验,测得了中、高阶煤样中甲烷吸附应变值,提出了采用12～24 h的吸附应变数据点拟合计算吸附应变的方法,分析了高、中阶煤中甲烷吸附应变及其渗透性的差异性,揭示了中、高阶煤吸附应变规律及其对渗透性的影响及控制机理。结果表明,中、高阶煤样甲烷吸附应变与吸附平衡压力之间的关系符合Langmuir等温吸附模型;中阶煤中吸附甲烷气体的Langmuir径向应变、轴向应变和体积应变分别为0.18×10~(-2),0.09×10~(-2)和0.44×10~(-2),其对应的Langmuir压力分别为5.26,6.93和5.42 MPa;而高阶煤吸附甲烷气体的Langmuir径向应变、轴向应变和体积应变分别为1.91×10~(-2),0.22×10~(-2)和3.99×10~(-2),其对应的Langmuir压力分别为7.87,4.57和7.49 MPa。在有效应力一定的条件下,随着煤中甲烷吸附平衡压力增高,煤样吸附应变增大,且高阶煤吸附应变明显要强于中阶煤样,煤中甲烷吸附应变主要受控于煤中甲烷吸附量。在有效应力一定的条件下,中煤阶煤样的渗透率要大于高煤阶煤样的渗透率,煤中甲烷吸附应变过程中,中、高阶煤样随着煤中甲烷吸附平衡压力增高,煤样渗透率均按负指数函数规律降低,且高阶煤样中甲烷吸附应变对煤样渗透率的影响要强于中阶煤样,因此在煤层气井排采过程中,在临界解吸压力后,高煤阶煤层气井产量提升效果要好于中煤阶煤层气井。     

压力溶浸作用下钙芒硝盐岩力学特性基础研究

目前钙芒硝矿多采用就地溶浸或井工开采方法,效率低、污染大,基于原位改性采矿理论欲对其实现固体矿物流体化开采,因此通过室内模拟压力水溶浸钙芒硝盐岩,并对其强度变化进行分析。试验发现:压力溶浸过程中矿物胶结处较先产生裂缝,压力溶浸环境下盐岩强度弱化程度大于自然溶浸下盐岩强度的弱化,弱化程度随着溶浸压力的增大而增大,在1.0MPa和1.5 MPa压力水环境下溶浸24h之后,试样强度的弱化系数分别为0.67,0.55。1.0 MPa压力水环境下溶浸7d之后,试样强度的弱化系数为0.34,压力溶浸对盐岩强度的弱化在溶浸初期影响显著,随后时间因素占主导地位。通过拟合得出钙芒硝盐岩强度与压力溶浸时间的关系,为实现钙芒硝矿固体矿物流体化开采提供一定的理论基础。     

热-力耦合作用下煤岩体渗流特性研究北大核心

煤层开采深度增加导致地温和应力增大,影响了煤样裂隙发育和渗流特性。为了研究热-力耦合作用下煤岩渗透过程中形变及渗透性变化特征,采用MTS815测试系统测试了50、100℃下6组煤样的全应力-应变过程中的渗透性。结果表明:温度为50℃时煤样抗压强度随围压增加而增加,4 MPa围压作用下煤样峰值偏应力达3.6 MPa,煤样轴向、环向应变均达到2%以上,表现出较高的延展性;温度为100℃时煤样抵抗变形能力下降,随围压增加,其峰值偏应力增加至4.9 MPa,煤样应变增长的速率加快;围压4 MPa、温度100℃时,煤样峰值渗透率达到3.5×10-11 m2;煤样加载过程中原始和新生裂隙扩展,孔隙连通性增强形成复杂的裂隙网络,热力效应使煤样渗流裂隙体积增加,渗透率增加。     

干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验

为研究饱水对岩石力学特性的影响,以干燥砂岩和饱水砂岩为研究对象,利用MTS815多功能岩石力学系统,对其进行10,20,30 MPa围压作用下的三轴压缩试验,得到干燥砂岩和饱水砂岩的偏应力-应变曲线和破坏形态,基于库伦准则,分析2种状态下砂岩的强度特征和变形特性.结果表明:随着围压的增大,干燥砂岩和饱水砂岩的峰值偏应力...     

不同温度下含煤层气(瓦斯)煤蠕变规律实验研究

为探索温度场中含气煤体的蠕变规律,首先采用型煤进行了不同温度下的含气煤体全应力应变加载实验,确定了含气煤体蠕变实验时的轴向加载应力。随后,保持轴压、围压、气压不变进行了不同温度下的蠕变实验,测得了不同温度下含气煤体的轴向应变、径向应变、体积应变与时间的动态变化曲线。实验结果表明:不同温度下含气煤体蠕变过程中,轴向应变-时间曲线、径向应变-时间曲线、体积应变-时间曲线均随温度升高而增大,各类应变-时间曲线有不同程度的交叉,反映出不同温度下各类应变的初始瞬时应变及衰减速率不同,并有明显的减速蠕变与等速蠕变两阶段,加速蠕变阶段不明显;各温度下的蠕变全过程中,蠕变体积应变以轴向压缩应变占主导。温度越高,体积应变中轴向压缩应变越大。最后,建立含气煤体的蠕变应变表达式。计算表明,温度升高使得含气煤体弹性降低,黏性增大,煤体更易于产生压缩变形。     

不同含水状态砂岩分级加载蠕变变形特性研究

针对矿山开采过程中矿柱在长期地应力作用下发生的蠕变破坏受其含水状态影响的问题,利用岩石蠕变-冲击试验机,开展了干燥、饱水和浸水状态下的砂岩分级加载蠕变试验。超声波特性能够反映岩石 内部结构和力学特性,因此基于超声波测试分析含水岩石蠕变过程中的声学特性,探索水对岩石力学特性弱化作用机理;研究含水状态对岩石蠕变破坏特性的影响,揭示含水矿柱蠕变破坏前兆和时间规律。基于干燥 和饱水砂岩分级加载蠕变过程超声波测试,讨论了加载过程中超声波波速、主频和幅值的变化规律。结果表明：随着应力水平增加,干燥和饱水砂岩的主频及幅值都在降低,出现“频率漂移”现象,砂岩饱水后表现 出低通滤波特性;与干燥状态下的砂岩相比,饱水状态使其损伤量增大。初始含水状态影响蠕变变形量和变形速率,浸水砂岩和饱水砂岩破坏的时间和应力水平低于干燥试样;试样破坏前都有蠕变应变从缓慢增大到 急剧增大的一个拐点,蠕变应变过了拐点后0.5 h之内试样破坏。干燥、浸水和饱水岩石蠕变破坏模式分别为X型破坏、整体破碎为多块和沿轴向张拉破坏。     

地应力及氮气长期作用下焦煤渗透特性的演化

松软低渗透高瓦斯煤层瓦斯抽采是矿井瓦斯抽采的难点,该类煤层极低的渗透性是地应力和高瓦斯压力长期共同作用的结果。为研究地应力和气体压力长期作用对煤层渗透性的影响,采用岩石三轴渗流仪研究了山西典型焦煤在三轴应力及氮气孔隙压力长期作用下的渗流特性。结果表明:在400m埋深地层应力(轴压、围压均为10MPa)和氮气孔隙压力(6 MPa)长期作用下,焦煤原始渗透率为10~(-17)～10~(-21) m~2,低于10~(-14)～10~(-16) m~2,为低渗煤层;但初始渗透存在一临界值:约为2.0×10~(-19) m~2。初始渗透率高于2.0×10~(-19) m~2,焦煤渗透率先增加后降低,而后趋于平稳,平稳后的渗透率低于初始渗透率;初始渗透率低于2.0×10~(-19) m~2焦煤渗透率呈抛物线式减少,后趋于平稳;试验后试样明显破碎,可见宏观裂缝且数量明显增多。     

泥岩变温蠕变试验温度修正及蠕变特性

以郓城煤矿泥岩为研究对象,进行了常温范围内泥岩变温三轴压缩蠕变试验,试验结果表明常温范围内温度对泥岩蠕变应变影响较大,对泥岩蠕变速率影响较小,进行泥岩蠕变特性分析前必须对蠕变试验结果进行温度修正。根据温度周期变化下岩石稳态蠕变试验结果,提出了常温范围内岩石蠕变试验温度修正方法,该方法能较好的辨识得到岩石的温度应变率以及岩石的稳态蠕变速率,采用该温度修正方法对泥岩变温蠕变试验结果进行了辨识和修正,结果表明常温范围内围压25 MPa条件下泥岩温度应变率约为2.80×10-5 /℃,修正后泥岩蠕变特性与西原模型相符,试样的稳态蠕变速率与轴向偏应力近似呈线性关系。     

深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析

针对深厚表土层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,对高强钢筋混凝土内壁的受力机理、设计优化方法、现场实测结果进行了分析研究。首先,采用相似理论设计出模型井壁并进行加载试验,实测得到高强钢筋混凝土内壁的应力、变形和承载力,研究了该种井壁结构的受力机理,结果表明深厚表土层冻结井筒内壁属于深埋于地下的厚壁圆筒结构物,由于内表面的圆形结构特征,在侧向压力作用下,井壁结构中混凝土由外缘的三向受压过渡到内缘的二向受压应力状态,其混凝土抗压强度提高了1.592～1.765倍,井壁承载能力得到显著提高。建立了混凝土抗压强度提高系数试验值的计算公式,获得了高强钢筋混凝土内壁的应力特性和强度特征。然后,基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求,根据模型试验结果和内壁受力机理,提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法,给出了混凝土抗压强度提高系数设计取值。并将设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结段内壁控制层位,井壁厚度由原设计的1 150 mm优化为900 mm,厚度减薄达21.74%。最后,通过潘三煤矿新西风井工程现场实测表明,优化设计后的井壁结构中环向钢筋应力值为-125.8～-136.9 MPa、竖向钢筋应力值为-39.5～-53.2 MPa,远小于钢筋强度设计值300 MPa,井壁中混凝土环向应变为-730×10~(-6)～-790×10~(-6)、竖向应变为-380×10~(-6)～-390×10~(-6),远小于C70混凝土的极限压应变值,说明设计优化后的井壁结构不但经济合理,而且安全可靠。     

生物医用新型Ti-Nb-Ta-Mo-Zr合金的热变形行为

采用多功能相变仪对一种新型医用β型Ti-Nb-Ta-Mo-Zr合金在变形温度900~1 000℃、应变速率10~(-2)~1 s~(-1)、变形量60%的高温塑性变形行为进行研究,得出合金在高温下流变应力随变形温度、变形速率变化的变化规律。基于Zener-Hollomon参数建立了Ti-Nb-Ta-Mo-Zr合金的流变应力双曲线正弦本构方程,得出合金的真应力-真应变曲线图,并建立以动态材料为基础的热加工图。结果表明,应变温度的升高和应变速率的降低都会使合金的流动应力降低,合金流变应力曲线还具有应力峰值和流变软化特征。同时,试验得出合金在高温变形时的加工硬化指数和热变形激活能等常数。     

Mg-5Y-3Sm-0.8Ca-0.5Sb合金的高温蠕变行为

采用蠕变实验和理论计算,研究了时效态Mg-5Y-3Sm-0. 8Ca-0. 5Sb合金在250～300℃和50～70 Pa条件下的蠕变行为。结果表明,该合金具有良好的抗高温蠕变性能,其在300℃和70 MPa下的稳态蠕变速率为3. 28×10-8s-1。在50～70 MPa的应力下,当温度由250℃升到300℃时,应力指数由2. 30变为3. 22;在250～300℃的温度下,当应力由50 MPa升到70 MPa时,蠕变激活能由65. 4 kJ/mol变为81. 0 kJ/mol。     

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。     

水分对煤全应力-应变过程渗流特征的影响

为探究水分对煤力学性质和渗流特征的影响，开展了干燥煤样和饱水煤样全应力-应变过程渗流实验，分析了2种含水状态煤样全应力-应变特征及渗透率演化规律。实验结果表明：干燥煤样全应力-应变曲线具有5个阶段，而饱水煤样仅具有4个阶段；饱水煤样在经历峰值应力破坏后，轴向应力跌落了36.82%，全应力-应变曲线中应变软化阶段消失；饱水煤样与干燥煤样相比，抗压强度下降了8.95%，弹性模量降低了8.54%，峰值应力降低了8.90%，应力跌落幅度增大了10.87%；干燥煤样渗透率随轴向应变增大而增大，整体呈线性关系；饱水煤样渗透率和应变的关系具有明显的阶段性，可分为稳定渗流阶段和快速渗流阶段；水分的存在会抑制煤体瓦斯渗流过程，在瓦斯抽采工程中应当注意煤层排水。