溶浸作用下难溶盐岩力学特性弱化及细观机制研究

 岩石材料的宏观力学特性与其内部细观结构演化有十分密切的关系,对典型难溶盐岩钙芒硝在盐溶液溶浸环境下力学特性弱化和细观结构演化进行研究,初步揭示其力学特性弱化的细观机制。研究发现：在盐溶液溶浸作用下,由于矿体胶结物中亲水性矿物吸水膨胀崩解、钙芒硝中硫酸盐的溶解、化学反应离子交换、氯离子侵蚀损伤等因素的作用,钙芒硝孔隙率随“溶液浓度”和时间的变化而非线性演化,从而导致力学特性严重弱化。在盐溶液中溶浸20 d,钙芒硝强度弱化系数低至0.1～0.2。由于钙芒硝矿体内泥质胶结成分的水理水化作用,泥质部分膨胀或崩解,钙芒硝矿体变形表现出应变软化与韧性破坏特征。细观结构演化结果表明,盐溶液溶浸作用下,难溶钙芒硝孔、裂隙演化缓慢,但在淡水溶液中孔隙演化速度是半饱和与饱和溶液中的数倍甚至数百倍。淡水中溶浸48 h后孔隙率高达16.62%,是原始状态孔隙率的9倍;半饱和盐溶液溶浸48 h后,孔隙率是原始状态的3倍,而饱和溶液溶浸48 h后,孔隙率增幅仅为2.8%。孔隙率变化主要是由于钙芒硝矿体中硫酸盐的溶解和结晶,胶结物成分(主要为伊利石、蒙脱石)的水理、膨胀,这也是钙芒硝力学特性弱化的根本原因。本研究对深入认识可溶岩(包括钙芒硝)物理力学特性弱化,并指导盐类矿床原位溶浸开采及层状盐岩溶腔油气储库建造等相关工程实践,具有重要理论意义与应用价值。     

钙芒硝盐岩物理力学特性研究

通过系统的试验研究难溶性盐钙芒硝基本的力学特性以及溶解和其溶解后的孔隙率等,充分认识了钙芒硝岩盐的物理力学特性.实验发现钙芒硝岩盐属于软岩,其抗压强度为18.86 MPa,而抗拉强度实测值为2.59 MPa,其破坏形式属于典型的柱状劈裂破坏,同时也说明盐岩在自然条件下是脆性材料.通过长时间的蠕变实验,回归出钙芒硝盐岩蠕变在不同应力水平下随时间变化的曲线,其抗压强度50%时的曲线方程为ε(t)=0.0098ln(t)-0.0014,抗压强度80%时的蠕变曲线方程为ε(t)=0.012ln(t)-0.0056,应力水平高时其蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率.钙芒硝属于难溶性盐,其溶解率非常低,在水中溶解速率曲线方程为vt=-0.0005Ln(t) 0.0041;溶解速度方程为v=-0.0002Ln(t) 0.0015.通过理论分析计算得出其溶解完全后孔隙率为35.87%.溶解速率、溶解速度及溶解后孔隙率的研究对充分认识难溶性钙芒硝盐岩水溶开采机理有指导意义.     

溶浸–应力耦合作用下钙芒硝盐岩蠕变特性研究

为了研究钙芒硝岩在原位溶浸开采过程中的蠕变力学特性,采用自主研发的多功能岩石力学试验机,进行了轴压5 MPa、围压4 MPa条件下,不同渗透压(3,2,1 MPa)作用下的三轴蠕变力学试验。模拟溶浸开采生产过程,将钙芒硝蠕变过程分为溶浸连通蠕变阶段、饱水蠕变阶段、排水蠕变阶段和轴压20 MPa蠕变阶段4个阶段,对比分析了上述4个阶段的钙芒硝盐岩的蠕变特性差异。研究结果表明:在溶浸连通蠕变阶段,渗透压力越大,溶解连通时间越短;反之,则时间越长。在溶浸连通蠕变阶段和饱水蠕变阶段,不断演化的矿物溶解与相对恒定的有效应力对钙芒硝盐岩的蠕变变形起主要影响;在排水蠕变阶段和轴压20 MPa高压变形阶段,溶浸作用历史过程及其对钙芒硝盐岩固体骨架力学性能的弱化程度决定了钙芒硝盐岩的变形特性。曲线拟合结果表明,广义Kelvin模型能够较好地描述溶浸渗透加载作用下钙芒硝盐岩的三维压缩蠕变力学特性。该研究结果不仅揭示了钙芒硝盐岩在特殊的溶浸–应力耦合作用条件下的蠕变特性,同时,也可为钙芒硝盐矿溶浸过程中矿体稳定性分析提供一定参考依据。     

煤岩孔隙率与渗透率变化规律试验研究

煤岩的渗透率与孔隙率密切相关,而煤岩的应力状态对孔隙率具有显著的影响。本文基于对韩城3#、5#和11#煤的单轴和三轴压缩试验结果,根据煤岩的变形特性与孔隙率之间的关系,得出了各类煤岩在压缩条件下孔隙率随应力状态改变的变化规律;然后,利用Palmer等提出的煤岩孔隙率对渗透率的影响关系,计算得出了渗透率随煤岩应力状态改变的变化规律;通过三类煤岩计算结果的对比分析,确定了煤岩类型对渗透率随应力状态变化规律的影响。研究表明,煤岩孔隙率和渗透率随应力状态改变呈先减小然后逐渐增大的趋势,在反弹点处,煤岩的应力值为峰值强度的20%～40%;峰值强度后孔隙率随有效应力增大的速率比峰值强度前大2～3倍,并受煤岩类型的影响较大。研究成果可为煤层气工程排采过程中确定和分析渗透率的变化规律提供参考。     

钙芒硝水力压裂下裂缝扩展规律及影响因素研究

为实现钙芒硝原位改性流体化开采,采用了实验室真三轴压裂模拟装置,探究在不同地应力、不同水温条件下钙芒硝水力压裂裂缝扩展规律,同时利用模拟软件探究地应力差和多井压裂对水力压裂裂缝扩展的影响。结果发现：在低应力差条件下,裂缝在压裂井附近可以形成较复杂的裂缝网络,高应力差下裂缝则扩展的更远,但裂缝形态较为单一;对比不同水温下钙芒硝水力压裂曲线发现,温度越高,钙芒硝的起裂压力越小,裂缝扩展阶段压力波动现象更为明显,该现象与钙芒硝裂缝边界溶解有关;通过数值模拟发现当进行多井压裂时,水力压裂裂缝的扩展易受局部应力的改变而被抑制或者偏转。研究成果可对钙芒硝流体化开采提供实际工程指导。     

纤维网增强混凝土复合材料约束混凝土应力-应变关系研究

为研究纤维网增强混凝土(TRC)加固层对混凝土柱的约束性能,对13根混凝土柱试件(包括10根TRC加固柱和3根对比柱)进行了轴心受压试验,分析了纤维网层数、短切纤维及混凝土强度对TRC加固效果的影响,基于试验结果提出了TRC约束混凝土应力-应变关系简化计算模型.研究结果表明:TRC加固可改善混凝土柱的轴压破坏形态;与未...     

钢纤维混凝土轴压应力-应变曲线试验研究

作为钢纤维混凝土配合比直接设计方法的研究工作的重要内容,采用4个平行于棱柱体试件对称放置的弹簧作为刚性辅助架,在普通压力试验机上成功地测得了纤维体积率0～2.0％、裹浆厚度0.8～1.2 mm、强度等级为CF40的钢纤维混凝土轴压应力-应变全曲线.根据试验结果,分析了纤维体积率和纤维裹浆厚度对钢纤维混凝土轴压强度、应力-应变曲线以及轴压韧性比的影响.表明钢纤维混凝土的轴压强度和韧性比随着纤维体积率的增加而提高,存在合理的纤维裹浆厚度使得钢纤维混凝土获得优良的轴压韧性.提出了与试验结果符合良好的钢纤维混凝土轴压应力-应变曲线计算理论模型.     

溶浸法回收残矿的工艺试验研究

对东乡铜矿井下－７５ｍ中段４线残矿进行摇瓶试验、柱浸试验和井下就地浸出试验，为充分利用矿山资源提供了一条可行之路。     

高温条件下钢结构的应力-温度-应变的关系

钢材虽为非燃烧材料,但钢材不耐火,温度400℃时,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半．温度达到600℃时,钢材基本丧失全部强度和刚度。因此,当建筑采用无防火保护措施的钢结构时．一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏。高温下钢材力学性能模型的建立及其如何应用是进行结构抗火分析的关键和基础,对分析结果起着决定性的作用。近十年来,国内外学者对不同钢材的高温材料力学性能进行了研究,并取得很大进展。国内外对高温下钢材材料力学性能的研究主要包括两个方面高温下钢材的应力-应变关系和高温下结构钢材料的各项力学性能如屈服强度、弹性模量等随温度变化的模型．但这些研究仅局限于恒温加载或恒载加温两种路径下钢材各项力学性能参数随温度变化的模型。实际火灾过程中钢结构的内力和温度随时间不断变化,结构抗火分析中应考虑不同应力-温度路径下钢材的应力-温度-应变三者的耦合关系。     

单调轴压荷载下考虑尺寸效应的FRP加固混凝土圆柱应力-应变关系

为了研究尺寸效应对纤维增强复合材料（FRP）加固混凝土圆柱轴压性能的影响,在修正尺寸效应律公式的基础上,推导了反映尺寸效应的FRP加固混凝土圆柱的极限强度计算公式,提出了简化的应力 应变模型,并与收集到的各国试验结果进行了比较。研究结果表明:模型计算结果与试验结果吻合较好;该模型能够反映尺寸效应对极限强度的影响。     

不同离子浓度钙液环境中钙芒硝溶解试验研究

为了提高岩盐伴生性钙芒硝矿进行资源化利用效率,对取自盐化制碱厂的淡钙液与钙芒硝矿进行了溶解反应试验,以测试钙芒硝与淡钙液的反应速率,并提出一定条件下钙芒硝与淡钙液的理想反应量。通过恒温40 ℃条件下,钙芒硝与去离子水、硝性近饱和卤水、钙性卤水进行一系列溶解对比试验,发现当钙性卤水中主要离子浓度比Na⁺:Cl^-:Ca²⁺为1:3.37:1.03时,为最佳溶解组分配比,其最大溶解速率为54.689 g/(m²·h),溶解速率与Na₂SO₄浓度关系曲线拟合方程y = -8.482Ln(x)+57.362,相关系数R²=0.895。试验结果为探讨研究在岩盐伴生条件下钙芒硝溶解转化利用的最佳开采方案提供依据。     

钙芒硝盐岩溶解机理细观研究

通过对钙芒硝盐岩磨片的细观观测研究,发现溶解首先发生在其原有的裂隙内,在水的作用下随着时间的推移,原有裂隙宽度不断增加,次生裂隙数量不断增多,使相邻但初始没有贯通的裂隙最终贯通,形成溶剂流动的通道,使溶解开始正常进行。由于其组分的特殊性,易溶的硫酸钠被溶剂带走后,难溶的硫酸钙留在矿石结构中,使溶解后的钙芒硝矿石形成多孔性质的介质,孔隙率最高可达到50%,溶解的比表面积提高,溶解更易进行,渗透性能明显提高。为提高钙芒硝矿的开采效率相关研究提供指导,同时为金属矿溶浸开采和石油开采的研究也有重要的参考价值。     

钙芒硝盐岩力学特性的研究

通过基本的力学实验,得出钙芒硝盐岩这一特殊岩石类型的抗压强度为18.86MPa,抗拉强度为2.59MPa,实验发现钙芒硝盐岩是一种软岩,其破坏形式属于典型的柱状劈裂破坏,同时也说明盐岩在自然条件下是脆性材料。通过长时间的蠕变实验,回归出钙芒硝盐岩蠕变在不同应力水平下随时间变化的曲线,其抗压强度50%时的曲线方程为ε(t)=0.009t0.3265,抗压强度80%时的蠕变曲线方程为ε(t)=0.0098ln(t)-0.0014,应力水平高时其蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率。     

钙芒硝溶解渗透试验研究

对钙芒硝矿床开采的主要目的是提取其所含的硫酸钠成分,不管采用哪种开采方法,从钙芒硝中提取硫酸钠都会涉及钙芒硝的溶解与渗透。利用高精度μCT225KVFCB显微CT试验系统和MDS-200型三轴渗透试验系统,对在孔隙压出水口敞口状态下的钙芒硝进行了溶解渗透试验的进一步研究。研究表明:在溶解渗透试验过程中,钙芒硝固体骨架由致密不渗透的结构变成了可渗透的多孔介质,其固体骨架一直保持完整;随着溶解渗透时间的不断持续,由于结构的致密程度和矿物成分不断的发生变化,致使其力学性质和有效应力也在不断的发生变化;在轴压、围压不变的情况下,试件溶解贯通所需的时间随着注水压的增大减小,渗透系数随着注水压的增大而增大,随着时间的持续而增大。     

硫酸盐腐蚀后混凝土单轴受压应力应变全曲线

测定了硫酸盐侵蚀混凝土在不同腐蚀时期的应力应变全曲线，受腐蚀后混凝土应力应变全曲线方程仍可采用现行设计规范中建议的方程进行拟合，拟合结果吻合较好，但其中的系数和特征点数值有所不同。经过分析发现受腐蚀后混凝土峰值应变与峰值应力的开方，拐点处和收敛点处应力与峰值应力有良好的线性相关性。     

应变率下混凝土单轴受压本构关系试验研究

通过试验对混凝土的动态性能进行了研究,分析了考虑应变率下混凝土单轴受压本构关系,得出五种混凝土在不同加载速率下的抗压强度、峰值应变、弹性模量的提高百分比。     

钙芒硝盐岩水力压裂裂纹端面特征试验研究

为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、9/4 MPa三种应力条件下的水力压裂实验,并采用3D形貌扫描仪对破坏断面的裂纹形态进行扫描,结合裂纹粗糙度表征公式对试验数据进行计算分析。研究发现:钙芒硝水力压裂是应力和溶解的共同作用,压裂过程大致可以分为水压升高阶段、裂纹扩展阶段、水压下降阶段3个阶段;3个阶段的划分与前人研究成果相同,但裂纹扩展阶段的压力波动剧烈,与其他岩石(例如,煤,页岩)水力压裂试验结果相差较大,其为钙芒硝溶解现象影响所致;不同应力下,钙芒硝水压致裂后裂纹形态不同;当垂向应力差异系数(k)≤0.75时,钙芒硝盐岩产生横向裂纹,k≥1.25时,钙芒硝盐岩将产生纵向裂纹;同一应力状态下钙芒硝清水致裂后裂纹端面粗糙度大于饱和盐水致裂后的粗糙度,不同应力状态下,水压致裂后粗糙度随轴压的增大而增大。研究成果对钙芒硝矿层的原位溶浸流体化开采具有重要的工程价值。     

基于统计损伤理论的混凝土应力应变行为

基于统计损伤理论,从有效应力的角度阐述了混凝土损伤演化累积诱致灾变的整个过程,分析了细观损伤机制与宏观力学行为之间的内在联系;建立了考虑强度等级影响的混凝土单轴拉伸、压缩统计损伤模型,该模型考虑断裂和屈服2种细观损伤模式,分别与微结构的"劣化"和"强化"机制相对应;同时区分峰值名义应力状态和临界状态,并将临界状态作为损伤局部化的前兆.结果 表明:所建立的模型能够预测不同强度等级(C20～C80)混凝土的单轴拉伸、压缩宏观应力-应变行为,并能够反映强度等级对混凝土细观损伤演化过程的影响规律;随着强度等级的提高,表征细观断裂和屈服损伤演化过程的特征参数展现出明显规律性的变化趋势;细观损伤机制最终决定了混凝土宏观非线性的应力-应变行为,屈服损伤模式在整个过程中起决定性作用.