岩石高温相变与物理力学性质变化

 岩石内部结构随温度升高的变化会导致其物理力学性质的改变。利用MTS伺服试验机和高温炉进行常温至800 ℃花岗岩物理力学参数随温度变化特征试验。研究结果表明：(1) 岩石物理力学性质随温度变化可划分常温～100 ℃和100 ℃～300 ℃,300 ℃～500 ℃,500 ℃～600 ℃,600 ℃～800 ℃五个阶段;前3个阶段的温度范围分别对应岩石内附着水、结合水和结构水汽化逸出的温度区间。(2) 岩石物理力学性质(抗压/抗拉强度,渗透率,波速等)在400 ℃～600 ℃的温度范围内会有显著变化;受石英由? 相变为? 相的影响,岩石体积增大,微裂隙大量增加,在573 ℃附近存在强度和波速下降的加速点。(3) 温度大于600 ℃后,岩石强度和波速会继续降低,其与固体矿物膨胀和金属键断裂引起矿物熔融破裂及相变有关。     

热损伤后北山花岗岩裂隙演化及渗透率试验研究

以高放废物重点预选场址甘肃北山花岗岩为研究对象,开展了不同温度和不同加热速率高温损伤后岩石压缩全过程渗透率试验。研究发现:(1)饱水率、波速、弹模、峰值强度等物理力学性质及渗透率突变温度阈值均在500℃~600℃之间;低于500℃处理后试件的初始渗透率无明显变化,600℃处理后,晶内裂纹的大量出现使裂纹连成网络,岩石的初始渗透率急剧增长,增长幅度达2~3个量级。(2)低于5℃/min,岩石的损伤主要由造岩矿物颗粒热膨胀系数和弹性模量的不同导致在颗粒间形成热应力造成的;高于5℃/min,温度梯度导致的热应力将诱发裂纹。(3)电镜扫描显微图像显示100℃~573℃处理后裂纹主要集中在晶粒边界,高于573℃处理后长石和石英晶体内相继出现穿晶裂纹,晶内破裂均贯通整个晶粒,与周围裂隙网络连接。(4)热处理后试件渗透率出现2种不同的渗透类型:600℃以下处理后试件在压缩全过程随应力增加渗透率分为下降段、水平段、稳定增长段和急剧上升段;600℃以上高温处理后,渗透率在压缩全过程持续降低。(5)弹性阶段前渗透率与裂隙体积应变呈现良好的线性关系,随裂隙体积的减小,渗透率降低。     

热力耦合作用下无烟煤煤体变形特征的试验研究

利用自主研制的"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机"系统,研究φ200mm×400mm大尺寸无烟煤试样在恒定500m原岩应力状态(轴压12.5MPa、围压15MPa),以10℃/h的升温速率从20℃升至600℃过程中的变形规律。试验结果表明:随着温度的升高,无烟煤煤体的变形可分为3个阶段,即20℃～200℃热膨胀阶段、200℃～400℃缓慢压缩阶段和400℃～600℃剧烈压缩阶段。其中,400℃～450℃为无烟煤煤体变形由脆性机制转变为韧性机制的临界温度范围,温度和压力是影响无烟煤煤体变形脆-韧性转变的主要因素,且具有明显的温压等效性,即较高的临界温度所需转化压力较低。热力耦合作用和热解产气是影响煤体变形的关键因素,尤其在高温阶段,热解产气对变形起到主控作用。     

高温后花岗岩渗透性及其演变规律试验研究

高温处理对于花岗岩渗透性影响显著,高温后花岗岩的渗透性与其经历的温度、所处的应力状态密切相关。采用压力脉冲衰减法,对高温(100℃～600℃)后花岗岩不同应力状态下的渗透率进行试验研究,在此基础上分析花岗岩宏细观物理力学性质随温度的变化规律,以及高温后花岗岩渗透性随体积应力、孔隙压、有效应力的演变规律。研究结果表明:(1)高温处理后花岗岩渗透率随经历温度呈逐渐增大趋势,500℃以内渗透率增加幅度较小,500℃～600℃花岗岩渗透率会发生一个阶跃性变化;(2)相同高温处理后花岗岩的渗透率随体积应力增大呈现减小趋势,且减小幅度在逐渐变小,相同体积应力下,花岗岩的渗透率随着孔隙压增大而增大;(3)高温后花岗岩渗透率与有效应力呈负指数关系,且渗透率随着有效应力的增大而减小;(4)拟合获得了600℃内高温处理后花岗岩渗透率与温度、有效应力的关系式。研究结果可为干热岩地热人工热储建造提供理论依据和技术支持,丰富和发展了高温岩石力学内涵。     

岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究

岩石热破裂是一类极为普遍的自然与工程现象。利用"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统"进行砂岩和花岗岩在常温至600℃范围内的声发射特征和渗透性演化规律的试验研究,揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征,其结果如下:(1)花岗岩和砂岩受热作用,在常温到600℃区间,其热破裂存在一个清晰的门槛值。从声发射特征来看,永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170℃和65℃。(2)岩石热破裂门槛值之后,随温度升高,热破裂呈间断性与多期性变化特征,从常温到600℃,既非单调增加,也非单调减少,一般存在2个以上的峰值区间。(3)随着温度的升高,伴随岩石峰值破裂段的发生,岩石的渗透率也呈现出同步的多个峰值段,伴随着声发射平静期滞后出现渗透率相对降低区,但渗透率仍然维持在一个较高水平,而且随着声发射剧烈期出现次数的增加,渗透率愈来愈大。     

高温三轴应力下裂隙后期充填花岗岩渗透特性试验研究EI北大核心CSCD

进行花岗岩母岩(I类花岗岩)、热液充填体(II类花岗岩)、A类裂隙后期充填花岗岩(母岩与充填体之间的胶结界面横向贯通试样,III类花岗岩)和B类裂隙后期充填花岗岩(母岩与充填体之间的胶结界面纵向贯通试样,IV类花岗岩)高温三轴应力下的渗透特性研究。得出I,II,III及IV类花岗岩渗透率随温度变化的阈值温度分别为300℃,200℃,300℃和250℃。低于阈值温度时,4类花岗岩渗透率变化不大;高于阈值温度时,4类花岗岩渗透率分别快速提高了1,3,2及3个量级,其中II,IV类花岗岩渗透率量级在450℃以上达到10-1 mD。利用显微光度计观测了裂隙后期充填花岗岩的细观结构及其在高温作用下热致裂缝数量的变化。发现300℃后长度大于200μm的大裂缝的贯通是导致I,III类花岗岩渗透率增加的原因;充填体因溶蚀作用所具有的较低的强度及劣化的力学性能是致使Ⅱ,IV类花岗岩渗透率大幅超过I,III类花岗岩的主要原因。通过水岩热对流模型分析可知,在裂隙后期充填花岗岩内进行储层建造将大幅缩减施工成本、增加储层水岩换热面积及提高热交换效率,为深层干热岩地热开采提供新的技术及理论思考。     

温度影响下花岗岩冲击倾向及其微细观机制研究

为考察温度对岩石冲击倾向性的影响,在实时高温(25℃～850℃)和高温热处理后(25℃～1200℃)2种情况下对花岗岩岩样进行单轴压缩和断口电镜扫描试验,结果表明:(1)实时高温下,岩石冲击倾向性随温度的升高存在2个阈值温度,第一阈值温度范围为150℃～250℃,第二阈值温度范围为500℃～600℃。从25℃到第一阈值温度,冲击倾向性指标大幅增大,从强冲击倾向演化为极强冲击倾向;从第一阈值温度到第二阈值温度,冲击倾向性指标略微下降,表现为极强冲击倾向;从第二阈值温度到试验终温,冲击倾向性指标大幅急剧下降,表现为弱冲击倾向或无冲击倾向。(2)高温后冷却情况下,随温度的升高岩样冲击倾向性总体呈逐渐下降趋势,25℃～200℃表现为较强冲击倾向,200℃～800℃表现为中等冲击倾向,800℃后表现为无冲击倾向。(3)5种冲击倾向性指标相比,有效冲击能指数和剩余能量指数较能反映真实的冲击倾向性,其余3种指标因为考虑不全面而产生误差。(4)得到4种典型的应力-应变曲线形态,并分析不同加温方式和温度段与各形态的对应关系。(5)对宏微观破坏形态进行分析,高温后岩样随冲击倾向性的减弱,破坏机制依次为张拉破坏、张剪破坏和剪切破坏,呈现脆性机制向延性机制转变的趋势。     

高温三维应力下花岗岩三维蠕变的模型研究

 采用中国矿业大学的“20 MN高温高压岩体三轴试验机”进行高温三维应力下大尺寸f 200 mm×400 mm鲁灰花岗岩蠕变特性的试验研究,温度最高达600 ℃,轴向应力最高达175 MPa。研究发现：(1) 三维应力条件下鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变变形均可划分为：瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。(2) 高温三维应力条件下,鲁灰花岗岩试样的体积、长度和半径随蠕变时间的增加出现增长,这是因为热破裂引起岩石的内部产生了大量的微裂纹,同时还发现试样的侧向比轴向变形增长的速度变形快。(3) 以试验结果为依据将静水应力引发体积蠕变,差应力引发轴向蠕变作为三维应力状态下黏弹塑性问题的假设,导出三维应力条件下Burgers体模型体积蠕变的本构方程。(4) 通过对蠕变曲线的分析发现,可以用Burgers体模型来模拟鲁灰花岗岩300 ℃,500 ℃的轴向蠕变和300 ℃,500 ℃,600 ℃的体积蠕变,并且求出模型的参数。     

温度-应力-渗流耦合条件下红砂岩渗流特性试验研究

为研究红砂岩在不同高温环境下的力学性质与渗流特性,基于Rock Top多场耦合试验仪,展开静水压力条件和三轴压缩条件下的渗流试验。研究结果表明:(1)不同温度下,渗流上、下游的压差、流量及其渗透率增减变化规律与损伤演化趋势整体上具有一致性,渗流状态分为3个阶段。(2)岩样在损伤应力之前,以压缩变形为主,流体反向溢出,渗流过程中断;进入非稳定破裂发展阶段初期,流量陡增,压力急剧降低,渗透率急增出现伪峰值,后又迅速降低,开始缓慢增长,在残余应力之前出现真峰值。(3)不同温度阈值内,热应力对红砂岩的作用不同,其初始、峰值、峰后渗透率和强度随温度的升高呈先增大后减小,在某一温度阈值(100℃～150℃范围)内,岩石内部裂纹发育状态主要受围压作用控制。(4)岩样在不同温度(100℃,50℃,25℃)、不同渗压梯度下的渗透率随围压的变化服从幂函数变化规律,瞬态法反映出渗透率随围压的变化趋势同稳态法一致。(5)相同渗压梯度下,瞬态法渗透率(10^-19 m²)比稳态法(10^-21 m²)高出2个量级,反映的岩石渗透...     

实时温度与循环载荷作用下花岗岩单轴力学特性实验研究

采用多功能岩石高温三轴实验机,通过实验对比分析花岗岩在实时温度和循环载荷作用下的单轴应力–应变特性,揭示温度与循环载荷对其力学特性的影响规律,研究表明:(1)实时温度下花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量随温度升高总体呈下降趋势。极限应变随温度的变化规律呈"W"型,即25℃～200℃,极限应变随温度升高而降低;200℃～300℃,随温度升高而增大;300℃～500℃,随温度升高而降低;500℃～600℃,随温度升高而升高;(2)经应力循环后其弹性模量普遍提高,但温度不同提高的幅度不同,100℃时提高的幅度最小,400℃时提高的幅度最大,提高值主要发生在第2次应力循环,从第2～50次的应力循环中弹性模量的变化较小;(3)在25℃和600℃,花岗岩经有限的几次循环后便发生破坏,强度较应力循环前有所降低,而在其他温度点,经应力循环后其强度有不同程度的提高;(4)花岗岩在100℃和400℃温度条件下,经过50次应力循环后的极限应变值大于无应力循环的极限应变,其他温度点的变化非常微小。研究结果对涉及温度和循环应力同时作用下岩石类工程稳定性研究具有重要的理论意义和应用价值。     

长焰煤热解过程中孔隙结构演化特征研究

随着煤热解温度的升高,煤孔隙结构和数量发生剧烈变化。为研究其变化规律,以长焰煤为研究对象,应用压汞法分别对300℃～600℃常规热解和600℃高温蒸气热解固体产物的孔隙结构参数进行测定和分析,计算不同热解温度下的孔隙分形维数,详细比较2种不同的热解方式下固体产物的孔隙特性。研究结果表明:(1)常规热解条件下,总孔隙体积和孔隙率随温度的演化表现为:黑岱沟煤先减小后增大,温度高于500℃后增长的速率较大,而子长煤先增大后减小再增大,增长速率最大的区段是300℃～400℃;比表面积随温度的演化表现为:黑岱沟煤一直增加,而子长煤持续减小。(2)常规热解条件下,长焰煤孔隙体积分布以中孔和大孔为主,温度超过300℃时,大孔占绝大多数;而比表面积的分布以微孔和过渡孔为主。(3)高温蒸气热解条件下,长焰煤热解固态产物的孔隙体积分布以中孔和大孔为主,大孔占主导地位,子长煤表现更为明显,大孔比例达99.91%;孔隙比表面积分布表现为:黑岱沟煤以微孔和过渡孔为主,而子长煤以大孔为主。(4)高温蒸气热解固体产物表现出更为优良的渗透性能,与注入惰性气体相比,注入高温蒸气是煤层原位热解工艺实施的最佳方法。在煤层原位热解工艺实施过程中,该研究可为煤体孔隙结构随温度变化问题提供科学依据和理论指导。     

高温后高性能混凝土抗压强度试验研究

对常温20℃及200~600℃高温后高性能混凝土进行单轴抗压强度力学性能试验,测其抗压强度,并建立了高温后高性能混凝土抗压强度随温度变化的公式。试验结果表明:伴随温度升高,高温200~300℃后高性能混凝土抗压强度有所升高,400℃左右是抗压强度明显变化的临界温度。     

高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,运用光学原理钻孔变形观测仪器,对f 200 mm×400 mm花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在6 000 m埋深静水应力及600 ℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明：(1) 高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4 000～5 000 m埋深静水应力及400 ℃～500 ℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹–塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5 000 m埋深静水应力及500 ℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2) 花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5 000 m埋深静水应力及500 ℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3) 钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5 000～6 000 m埋深静水应力(即125～150 MPa)及500 ℃～600 ℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4) 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深静水应力,400 ℃～500 ℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4 000～5 000 m,埋深静水应力400 ℃～500 ℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹–塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。     

树脂锚固材料的高温锚固特性及其受热解影响的CT分析

 树脂锚固材料广泛应用于岩土工程加固,但其高温下具有的热解特性直接影响材料的锚固性能。通过高温拉拔、抗压实验与CT分析相结合的方法,研究高温下树脂锚固材料的锚固力学特性及其受热解细观结构变化的影响特征。研究结果表明：(1) 高温拉拔实验中,20 ℃～250 ℃时,随着温度升高锚固力增大,250 ℃时达到峰值69.5 kN,较常温增大45.1%,这是由于树脂锚固材料内部充分固化的结果;250 ℃～350 ℃范围锚固力下降为47.2 kN,较峰值减少32.1%;但在350 ℃～400 ℃范围,模拟管中的锚固材料发生爆裂与剧烈炭化,平均锚固力下降为15.2 kN,且500 ℃～600 ℃时完全失去锚固力。(2) 高温抗压实验中,200 ℃时抗压强度达峰值65.8 MPa,较常温增加31.3%;350 ℃～400 ℃时强度较常温衰减95.2%,在600 ℃时强度衰减达99.3%。(3) CT扫描分析,350 ℃～500 ℃锚固材料平均灰度衰减22.6%,孔隙团大小增幅达199.6%。可见,350 ℃后树脂锚固材料快速热解炭化、内部孔隙剧增是造成其锚固力衰减的根本原因。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。     

高温静水应力状态花岗岩中钻孔围岩的 流变实验研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”对f 200 mm×400 mm的内含f 40 mm钻孔的花岗岩体高温三维静水应力状态的流变特性进行了深入的研究。研究结果表明：(1) 花岗岩是由多种晶体胶结而成的脆性坚硬岩石,5 000 m静水应力以内及600 ℃以内的恒温恒压状态下,花岗岩中钻孔围岩主要表现为稳态蠕变;当应力达到5 000 m静水应力,温度为600 ℃时的蠕变为非稳态蠕变。(2) 高温静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩蠕变过程存在应力阈值和温度阈值。(3) 热力耦合作用下钻孔围岩内部晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,是高温高压下钻孔围岩蠕变存在温度阈值和应力阈值的主要原因。(4) 高温静水应力状态下,含有钻孔的花岗岩体流变破坏的应力为5 000～6 000 m的静水应力(125～150 MPa),温度为500 ℃～600 ℃,破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。同时,获得了600 ℃以内及埋深6 000 m以内静水应力条件下,不同温度不同埋深静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩的蠕变率参数,为高温岩体地热开发钻井井壁稳定性研究提供了重要的力学参数依据。