两种有效应力下花岗岩和充填体渗透率变化规律研究

干热岩是地热资源的主要载体。干热岩体花岗岩受地质构造运动影响产生裂隙,熔融岩浆侵入到花岗岩裂隙中,形成含有充填体的花岗岩体。故采用压力脉冲法,以花岗岩母岩和充填体为研究对象,研究改变围压或孔隙压力两种路径下有效应力对花岗岩母岩和充填体渗透率的影响规律。研究表明:在孔隙压力一定情况下,随着围压增大,花岗岩母岩和充填体的渗透率都有一个快速大幅下降阶段和缓慢小幅降低的阶段;通过孔隙压力不变时卸载围压的路径减小有效应力,可以有效恢复花岗岩的渗透率。但通过围压不变时提高孔隙压力的路径减少有效应力达到恢复渗透率的目的时,存在一个“失效围压阈值”,当围压低于该阈值时,提高孔隙压力可以使渗透率得到有效恢复,高于该阈值,提高孔隙压力对渗透率不会有太大的提高;采用孔隙压力一定时降低围压和围压一定时(低于“失效围压阈值”)增大孔隙压力两种路径测试同一试样渗透率时,若两种路径下有效应力相同,则试样渗透率相差不大;通过波速对比和偏光镜图像对比分析了试样在试验前后的孔隙裂隙的压密和塑性变形,从宏观和微观角度证明了“失效围压阈值”存在的合理性。     

贯通充填裂隙类岩石渗流特性试验研究

利用3D打印技术制作平行、合并、T型、斜交以及正交裂隙,通过模具浇筑成贯通充填裂隙类岩石试样,应用低渗透岩石惰性气体渗透测试系统测试不同围压加卸载条件下贯通充填裂隙类岩石渗流特性,研究具有不同渗透结构面试样在不同围压作用下气体渗透率的变化规律。通过试验研究发现:充填物相同情况下,开度相同,形式不同的渗透结构面试样渗透率不同,但数量级上不存在差异,以围压加载25 MPa为例,平行裂隙试样渗透率最大,合并裂隙试样渗透率最小;试样渗透率随围压变化曲线在围压加载阶段高于卸载阶段,不同渗透结构面试样渗透率随围压变化波动幅度不同;围压加载阶段贯通充填裂隙类岩石渗透率与围压关系符合多项式函数;不同试样渗透率对应力敏感系数随围压变化曲线在围压加载阶段变化趋势不尽相同,在围压卸载阶段各曲线变化趋于接近,呈"W"型,贯通充填裂隙类岩石渗透率对应力敏感性受渗透结构面影响。     

尾砂胶结充填体裂纹演化多尺度特征

为了研究尾砂胶结充填体在单轴压缩作用下的裂纹演化特征,利用电子万能试验机、声发射、扫描电镜和DIC技术开展单轴受载胶结充填体损伤试验,探究胶结充填体从微裂纹的萌生、扩展、贯通,直至宏观裂纹产生的多尺度演化过程。研究表明：(1)试样单轴压缩过程中破坏模式属于延性破坏,裂纹贯通形式为剪切贯通。(2)胶结充填体内部微裂隙、孔洞呈弥散、随机分布,内部形态多以块状、团状、片网状存在,内部结构较致密,整体性较好。(3)加载初期试样裂纹扩展为张拉裂纹,后期裂纹扩展为剪切裂纹,二者共同作用产生了宏观主裂纹与次裂纹,裂纹间的贯通最终导致试样破坏。(4)同一时刻不同监测点的应变变化与其所处的试样空间位置有关,越靠近试样下端面,应变越大,应变变化幅度也越大;试样存在临界破坏区域,使得弹性与塑性应变、应变增幅之间存在明显的差异性。     

裂缝后期充填花岗岩体裂缝分布特征研究

干热岩地热能作为一种绿色、可再生资源，其规模高效开发一直是世界性的研究热点。为解决完整干热岩地热EGS(enhanced geothermal system)开发所面临的热交换体积小、换热效果差等问题，深入研究深部天然干热岩体的裂缝分布特征。通过实地勘察发现，深层花岗岩体构造裂缝普遍会被热液或岩浆充填，形成裂缝后期充填花岗岩体。通过显微观测试验得出，受充填体高温作用影响，裂缝后期充填花岗岩热破裂裂缝数量随着距胶结界面距离的变化可分为裂缝数量平缓波动区、裂缝数量剧烈增加区和裂缝数量波动减小区。裂缝后期充填花岗岩主要产生长度大于50μm及长度大于100μm的微裂缝，且不同尺度裂缝数量最大值的位置皆位于距胶结界面一定距离的母岩中。当裂缝充填体厚度为3.4 cm时，裂缝充填体高温作用的单侧影响范围约为1 m。普遍赋存的裂缝充填体使花岗岩母岩形成巨大的弱面结构。通过水力压裂试验得出，弱面结构可成为水力压裂建造人工储留层的破裂通道，并且可大幅减小破裂压力，从而实现规模高效建造干热岩人工储留层。以此为基础研究干热岩地热开采中人工储留层建造新技术，即构成了干热岩地热开发的新的研究方向。     

不同结构形式的后期热液充填裂隙花岗岩常温下物理力学性质研究

在干热岩开采的实际工程中,利用岩体结构面作为热交换通道将减小工程投入,并获得更好的工程效果.而在实际中花岗岩体中的结构面通常被热液充填,形成后期热液充填花岗岩体.研究后期热液填充裂隙花岗岩体 的物理力学性质对实际地热开发中建设人工储留层具有重要指导意义.利用后期热液填充裂隙花岗岩体制备不同结构形式试样,在常温下对4种结...     

胶结充填体早期损伤对后期力学性能影响机制研究

为探究胶结充填体早期损伤对后期力学性能影响机制，将龄期3,7,14,21 d的充填体施加4种不同程度的静载损伤，养护28 d后开展单轴压缩试验、超声波测试、电镜微观结构扫描，从宏–细–微三个尺度探讨充填体早期损伤对后期力学性能影响机制。结果表明：损伤对龄期3和7 d充填体后期抗压强度影响较小，在一定压损条件下充填体后期抗压强度上升，对龄期14和21 d充填体后期抗压强度均产生弱化作用，对各个龄期充填体后期弹性变形能力起到强化作用；基于波速变化建立损伤程度与充填体力学特性之间的定量关系，发现损伤龄期3和7 d充填体存在损伤阈值和修复阈值；随着损伤程度的增大，充填体内部结构由数量较多的细小裂隙逐渐扩大为单一裂隙，裂隙断面处的连接物质主要为水化产物C-S-H网状凝胶；龄期3和7 d充填体内部存在大量未完全水化的水泥颗粒，养护后期产生的凝胶产物足以填充大部分损伤裂隙，故损伤对其后期抗压强度影响较小，而龄期14和21 d充填体未完全水化的水泥颗粒减少，后期产生的凝胶产物不足以填充损伤裂隙，内部结构颗粒之间联系较差，故损伤对其后期抗压强度弱化作用显著。研究结果可为矿山充填体工作提供指导意义。     

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。     

高温三轴应力下无烟煤、气煤煤体渗透特性的试验研究

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,分别研究大尺寸(φ200mm×400mm)晋城无烟煤和兴隆庄气煤试样在恒定500m原岩应力(侧压系数1.2)条件下不同温度时渗透特性的演化规律。结果表明:(1)在室温～300℃中低温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个阈值温度。当温度达到阈值温度时,渗透率降至最低值。(2)在300℃～600℃高温段,煤体渗透率随温度的变化存在一个峰值温度,峰值温度处渗透率为该温度段内的最大值。(3)煤体渗透率随温度的变化呈现阶段性:室温至阈值温度为第一阶段,渗透率随温度的增加而降低;阈值温度至峰值温度为第二阶段,渗透率随温度的升高而增加;高于峰值温度后,渗透率随温度的增加而降低。(4)渗透率随温度变化的阈值温度和峰值温度与煤阶有关。无烟煤渗透率的阈值温度是150℃～200℃,峰值温度为450℃～500℃,而气煤渗透率的阈值温度为200℃～250℃。     

急剧冷却后花岗岩物理力学及渗透性质试验研究

急剧冷却作用下花岗岩物理力学及渗透性的研究,对深入认识干热岩开发中储层的改造及演化具有重要意义。以20℃~600℃急剧冷却处理后花岗岩为研究对象,开展不同温度急剧冷却后物理力学性质的测试,采用压力脉冲衰减法测试圆柱体试样的渗透率。得到以下结论:(1)随着经历温度的升高,急剧冷却后试样的密度、纵波速度、抗压强度、弹性模量及抗拉强度均单调下降,渗透率先缓慢后急剧增加。这是由于缓慢升温及保温阶段,花岗岩由于矿物颗粒的热膨胀不匹配和热膨胀各向异性,产生热破裂;急剧冷却时,沿试件径向产生的温度梯度应力诱发了更多的裂纹,最终导致花岗岩物理力学性质的劣化及渗透性的增强。(2)急剧冷却条件下,花岗岩的脆延性转化温度为500℃~600℃,低于此温度,花岗岩主要表现为脆性破坏;高于此温度,花岗岩向延性转化。(3)自由状态缓慢升温急剧冷却条件下,花岗岩渗透率变化的阈值温度为400℃。(4)基于弹性模量的损伤因子能较准确地反应花岗岩力学性质的劣化,而基于纵波速度的损伤因子会夸大力学性质的劣化程度。     

含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制研究

节理弱面是造成岩体力学性能弱化的主要因素,而充填物质的非均质性将显著影响节理岩体的剪切力学特性。考虑压剪应力作用下贯通性节理充填物中沿节理方向裂隙对节理岩体断裂特性的影响,制取含不同长度初始裂隙的充填砂浆节理岩体试样,在单轴压缩作用下研究含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制及初始裂隙尺寸对节理岩体破裂模式和断裂能的影响规律。试验结果表明:(1)单轴压缩作用下,充填节理岩体的失稳过程分为断裂和摩擦两阶段,前者为节理内裂隙的起裂、扩展到贯通过程,峰值强度后承载力迅速降低,之后因宏观破裂面的压剪摩擦作用而出现强化现象,直至剪应力达到其抗剪强度而失稳破坏;(2)随着充填体内初始裂隙长度增大,试样峰值荷载线性减小,峰值脆性断裂特征更加明显;(3)无初始裂隙节理试样破裂过程中裂隙在节理内分布均匀,而含初始裂隙试样断裂从裂隙尖端开始,向充填体和花岗岩块体黏接面扩展贯通,充填体内裂隙集中而密度较低;(4)采用节理韧带体积Vjc改进断裂能计算公式,计算充填节理岩体压剪断裂能Gf-V;基于充填节理的断裂机制,提出局部断裂能gf-V沿韧带双线性分布的前边界效应模型,解释了平均断裂能Gf-V随初始裂隙长度增大而减小的原因,试验结果验证了模型的正确性。     

利用波速、密度和体积模量估计微裂隙岩体的渗透率演化

热致裂隙会引起储层岩石渗透率的显著增加,利用弹性波速、密度和弹性模量的改变预测裂隙引起的渗透率的变化。对Westerly花岗岩样进行了250℃、450℃、650℃和850℃的热处理,温度的升高引起了各向同性均布裂隙的长度、隙宽和密度的增加。采用去离子水作为孔隙流体,测试了10、30、50 MPa有效应力下的渗透率。对同一批岩样,在类似的有效应力水平下,渗透率与纵波与横波速度、体密度和静态体积模量有关。裂隙密度的演化采用Kachanov模型计算,随着有效应力的增加,裂隙闭合引起裂隙密度和渗透率的下降,但其他参数增加。热处理引起了渗透率和裂隙密度的系统性增加以及其他参数的减小。对干、饱和条件,渗透率和其他参数之间存在高相关系数经验关系式,并随有效应力而变化。大致来说,可以利用弹性波速、密度和弹性模量来预测各向同性破裂引起的渗透率的改变。然而,仍需要可靠的方法来提高这些用于建模和描述渗透率的实验室测量数据。     

不同注浆材料填充双裂隙类岩石试样力学特性研究

注浆是裂隙岩体稳定性控制的主要技术之一,不同注浆材料对裂隙岩体的注浆加固效果存在较大差异。选取硫铝酸盐水泥(SAC)、普通硅酸盐水泥(OPC)和环氧树脂(EPR)3种注浆材料,对预制平行双裂隙类岩石试样进行充填,开展单轴压缩试验、声发射以及扫描电镜试验。结果表明：EPR填充对裂隙试样强度最大,OPC水泥次之,SAC水泥最小。试样破坏模式则受填充材料影响突出,EPR填充试样不受预制裂纹控制,而SAC和OPC填充试样则主要由于裂隙扩展贯通发生的拉剪混合破坏。扫描电镜结果表明上述差异主要受控于不同浆液类型的浆–岩胶结特征,SAC和OPC填充浆–岩界面为覆盖型,而EPR填充则为融合型。在上述试验结果基础上,采用颗粒流程序(PFC)建立表征不同胶结模式的数值模型,分析不同注浆填充材料加固机制。数值模拟结果表明,试样加载过程中拉剪微裂纹比例、微裂纹倾角分布以及颗粒位移方向均受填充材料影响。因此,对于不同注浆材料,其自身强度和胶结性能改变了浆–岩胶结模式,影响了裂隙充填试样的受力状态,进而造成加载过程中浆液和周围岩体颗粒运动和微破裂的差异,最终影响了宏观强度特性和破坏模式。     

高温4 000 m静水压力下钻进过程中花岗岩体变形特征

为从高温岩体中提取热能,需向热能储层花岗岩层中施工深部钻孔,钻孔的稳定性将影响钻井施工的进展,但钻孔的稳定性又受其围岩变形的影响.因此,为研究高温高压下钻孔围岩的变形特性,利用中国矿业大学600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统,模拟研究4 000 m静水压力下,不同温度时钻孔施工过程中花岗岩体的变形特征,结果表明:(1) 恒温恒压下花岗岩体钻进过程中的变形呈现明显的蠕变特征,轴向和侧向变形均具有完整的初始蠕变和稳态蠕变;(2) 不同温度下钻进过程中花岗岩轴向和侧向变形量随温度的增加而增大,且存在温度阈值,为150 ℃～300 ℃;(3) 4 000 m静水压力下花岗岩体钻进过程中,300 ℃时开始出现明显的加速蠕变过程,500 ℃时产生蠕变破坏.     

高温后非共面双裂隙红砂岩力学特性试验研究

 利用岩石力学伺服试验机与声发射仪,对经历不同高温后非共面双裂隙红砂岩试样(尺寸为80 mm×160 mm× 30 mm)进行单轴压缩试验,分析高温对非共面双裂隙红砂岩强度变形特性与裂纹演化特征的影响。结果表明,非共面双裂隙红砂岩的峰值强度与杨氏模量均随着温度的增加呈先增大后减小的非线性变化规律,在温度为300 ℃时达到最大值,然而,峰值应变随着温度的增加呈非线性增大。基于对非共面双裂隙红砂岩加载过程中的声发射特征分析,应力–时间曲线上每发生一个明显的应力跌落对应会产生一个较大的声发射事件,体现在试样上为产生一条新裂纹或原有裂纹扩展;通过照相量测技术,分析了不同高温作用后非共面双裂隙红砂岩试样的裂纹演化特征。最后探讨了温度对非共面双裂隙红砂岩起裂与贯通应力的影响及其对力学参数的影响机制,起裂应力随着温度的增加呈先增大后减小,在300 ℃时为最大值;而常温至600 ℃时,贯通应力呈增大趋势,但由600 ℃增至900 ℃时,贯通应力变化不大。     

不同温度循环冷却作用后花岗岩巴西劈裂特征及其物理力学特性演化规律研究

干热岩地热开发中,井筒钻进及热储层的热交换都涉及高温岩体受不同程度的冷热循环,导致井筒破裂失稳或热储层破裂程度增加,为了揭示其机制,采用岩石力学试验机并结合声发射监测系统,研究不同温度循环作用后花岗岩的纵波波速及巴西劈裂破坏过程。结果表明:(1)随着温度循环次数的不断增加,2种冷却作用下花岗岩所对应的抗拉强度均逐渐降低,遇水冷却循环作用后花岗岩的抗拉强度要低于自然冷却状态下花岗岩的抗拉强度,且花岗岩在高温高循环次数下的劣化程度较为明显,当温度大于500℃时,花岗岩试样的表观颜色逐渐变为土黄色,试样逐渐由脆性向延性转化。(2)根据温度可以将花岗岩的破坏特征分为3个阶段,在低温阶段(100℃～200℃),试样均沿着巴西圆盘中心线发生破裂;中温阶段(300℃～400℃),试样沿着与直径呈一定角度破裂;高温阶段(500℃～700℃),试样破裂模式复杂,较为破碎。(3)低温阶段时的花岗岩随温度循环的变化其纵波波速、强度特征以及变形均变化较小;当试样处于中、高温度阶段时,随循环次数的增加其强度、波速等各项参数衰减幅度逐渐增大。研究结果可为地热开发中井筒破坏失稳及热储层岩体的破裂模式提供理论参考。     

温度影响下的花岗岩分数阶导数渗透率模型

高放废物地质处置将产生大量衰变热,从而导致处置高放废物硐室的近场围岩温度升高,因此,研究温度对围岩渗透率的影响对评价核素迁移具有重要意义。对北山花岗岩试件进行不同温度场下的三轴压缩渗透试验,获得全应力–应变过程中渗透率的演化过程。在传统压降的指数衰减方程中引入Mittag-Leffler函数,建立分数阶导数型压降衰减模型,较为精确地拟合决定渗透率的流体压降–时间曲线,从而得出分数阶导数渗透率模型。引入裂隙连通度C,通过建立裂隙连通度C与分数阶阶数λ的关系,反映出原始岩样的致密程度和三轴压缩时内部裂隙网络的贯通程度。应用分数阶导数渗透率模型,探讨温度对岩石特性参数的影响,据此得出温度对渗透率演化规律的影响机理,并给出北山花岗岩渗透率与温度变化的定量表达式。     

不同温度养护后胶结充填体三轴卸围压力学特性试验研究EI北大核心CSCD

为研究胶结充填体在煤矿深部的高地温环境下发生卸荷的力学特性,采用RTX–4000型岩石动态三轴仪,对不同温度(20℃,35℃和50℃)养护后的胶结充填体进行不同初始卸荷围压下的常规三轴卸围压试验,得到胶结充填体三轴卸荷全过程的偏应力–应变曲线,分析其变形、破坏特征及强度准则。研究结果表明:50℃养护后的胶结充填体内部产生的有害热应力易使胶结充填体卸荷的应力–应变曲线在峰后阶段出现微破裂现象,进而使得变形模量在随围压卸载的过程中也出现突降和逆向增长。胶结充填体卸荷破坏形式主要为局部张拉裂纹、剪切裂纹以及由热损伤和力学损伤共同造成的错位裂纹。Mogi-Coulomb强度准则能更好地表征胶结充填体在增轴压卸围压条件下的卸荷破坏强度特征;随养护温度的升高,胶结充填体的黏聚力先减小后增大,内摩擦角先增大后减小,黏聚力的变化同卸荷峰值强度的变化规律一致,黏聚力越大,卸荷峰值强度越高,表明黏聚力为影响胶结充填体卸荷峰值强度的主要因素。     

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。     

循环高温作用下花岗岩裂缝渗流–传热特性试验研究

在利用注水热交换方式进行高温岩体地热开发过程中，热交换对流通道周围高温岩体会反复经历降升温循环作用，循环温度作用下高温岩体裂缝壁面变形、裂缝导流与岩体传热特性都会受到一定影响。为揭示这一复杂过程中花岗岩裂缝渗流特性及强制对流换热规律，在实验室进行降–升温循环(300℃→250℃→200℃→150℃→300℃)作用下流体渗流换热试验，结果表明：(1)低温水注入会诱发高温花岗岩裂隙面损伤破裂，裂缝面粗糙度系数JRC由初始的14.51变化至作用后的21.03，粗糙裂缝面轮廓最大高差ξ由2.2 mm增至3.21 mm，高温岩体导流裂缝随温度变化而变得更为曲折、粗糙度增大。(2)岩体温度由300℃递减至150℃时，裂缝渗透率呈指数型下降，由初始1.63达西降至0.53达西；而岩体温度由150℃增至300℃后，由于岩石基质热膨胀导致裂缝闭合，渗透率进一步降低；随着降–升温循环次数增加，裂缝渗透率整体呈一定程度波动变化，最终使得渗透率明显降低。(3)岩石初始温度高、提高热交换注入水压力，有利于高温花岗岩裂缝对流换热效果；然而随着降–升温循环次数增加，对流热交换作用效果变弱。研究对高温岩体地热高效开发...     

高寒地区废石破碎胶结充填体强度特性试验研究与工业应用

 胶结充填技术逐渐应用于低温高寒资源开发中,同时会产生充填体强度过低、塌方、冒落等一系列难题。以某金矿寒区开采为背景,通过试验对比,综合研究养护温度、水泥掺入量及料浆浓度对充填体性能的影响。在实现自流输送前提下,确定合理的废石破碎胶结充填配合比及养护温度。结果表明：与铁矿尾砂充填相比,采用废石破碎胶结充填具有明显优势,料浆浓度可以达到75%;低温阻碍了水泥水化反应的进行,养护温度越高,单轴抗压强度越大,提高养护温度有利于充填体强度的提升;养护温度对充填体早期强度影响较大,后期相对较小。提出废石破碎胶结充填拌合水预加热方案,并进行现场工业试验,为寒区矿山废石充填提供理论基础和技术参考。