【摘要】：我國西部礦區(qū)井筒建設(shè)需要穿越侏羅系、白堊系地層,且該地層成巖晚,膠結(jié)強度低,軟弱富水,極易造成滲水及淹井事故發(fā)生。目前富水軟弱巖層凍結(jié)研究均嚴重滯后于工程建設(shè)的需要。巖石的破壞始于拉應(yīng)力引起的微裂隙,開展在中生代富水軟弱巖層在凍結(jié)過程中的物理力學(xué)性質(zhì)的研究對于掌握該地層巖石在凍結(jié)過程中的損傷劣化程度有重要的研究意義。本文選取內(nèi)蒙鄂爾多斯梅林廟礦區(qū)白堊系地層中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖為母材,分別進行了巖石結(jié)構(gòu)的微細觀特征分析,并研究了兩種巖石在負溫條件下的巴西劈裂試驗及單軸壓縮試驗,通過實時監(jiān)測試驗過程中巖石試樣內(nèi)部的聲發(fā)射活動,揭示了負溫凍結(jié)巖石內(nèi)部損傷劣化的規(guī)律。分析了三軸滲流試驗中凍融后泥質(zhì)砂巖變化特征,通過粘貼在三軸壓力室外壁的聲發(fā)射探頭研究了試驗過程中的試樣內(nèi)部的劣化規(guī)律。針對單軸和三軸的試驗數(shù)據(jù),分別探討了負溫和圍壓對巖石的起裂和擴容特征的影響,得到了以下結(jié)論:1.凍結(jié)巖石在劈裂試驗中的聲發(fā)射研究通過對中砂巖和砂質(zhì)泥巖的細觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),砂巖由不規(guī)則的砂顆粒膠結(jié)而成,孔隙大,顆粒直徑在0.5~1 mm范圍的含量最多;泥巖細觀結(jié)構(gòu)相對緊密,凍結(jié)后裂隙中水分相變成冰,其體積膨脹引起的凍脹作用使得泥巖表面微裂隙不同程度的張開,造成凍結(jié)初始損傷。砂巖的劈裂抗拉強度隨著試驗溫度的降低而增加;常溫下砂巖的劈裂抗拉強度隨含水量的增加而減小,而負溫凍結(jié)砂巖的變化相反。常溫含水砂巖的平均劈裂抗拉強度為0.614 MPa,而負溫下的砂巖的平均劈裂抗拉強度分別為1.563 MPa(-10℃)和1.778 MPa(-20℃),增加了154.6%(-10℃)和189.6%(-20℃)。泥巖的劈裂抗拉強度與砂巖的變化相反。由于受裂隙水相變凍脹造成的初始劣化損傷,泥巖的劈裂抗拉強度隨溫度的降低而減小,常溫泥巖試樣的平均劈裂抗拉強度約為4.25 MPa,而低溫凍結(jié)泥巖的平均劈裂強度分別為3.13 MPa(-10℃)和2.84 MPa(-20℃),分別降低了26.35%和33.18%。含水量也是造成劈裂抗拉強度變化的重要原因。聲發(fā)射能量、幅度和峰值頻率三參數(shù)從不同角度揭示了巖石在負溫試驗過程中的內(nèi)部變化特征,綜合三參數(shù)變化規(guī)律較好的反映負溫下巖石內(nèi)部在加載過程中的微裂隙萌生、擴展、發(fā)育、匯集、破壞的劣化損傷過程。2.凍結(jié)巖石在單軸壓縮試驗中的聲發(fā)射研究砂巖試樣的主要成分為石英、斜長石與鉀長石構(gòu)成,其中石英含量最高,達到43.0%。砂顆粒表面風(fēng)化嚴重,有明顯的碎屑剝落現(xiàn)象,顆粒之間膠結(jié)較弱,孔隙較大且貫通性良好,顆粒之間的孔隙通道暢通,滲透性好。而泥巖的裂隙發(fā)育,但開度僅為1~10μm。地質(zhì)構(gòu)造作用使得泥巖由呈薄片狀顆粒膠結(jié)而成,在外力及水的作用下,這種膠結(jié)作用易被破壞,使得片狀顆粒相互錯動變形。聲發(fā)射能量和幅度的綜合分析表明砂巖和泥巖在凍結(jié)過程中聲發(fā)射活動主要集中在凍結(jié)前期,隨著凍結(jié)時間的增長,聲發(fā)射活動逐漸減少,凍結(jié)損傷逐漸減弱。凍結(jié)過程中砂巖的峰值頻率主要集中在50~100khz和150~170khz兩個頻率范圍,而泥巖的峰值頻率主要在110~120khz和160~170khz的范圍�？紫侗畛淞松皫r內(nèi)部孔隙并承擔部分荷載,砂巖的單軸抗壓強度隨著溫度的降低而增加。常溫砂巖的強度17.918mpa,而低溫試驗下的凍結(jié)砂巖強度較常溫試樣分別增加了44.83%(-10℃),82.59%(-20℃)和95.99%(-25℃)。泥巖本身結(jié)構(gòu)裂隙開度小連通性較差,巖石滲透性差,泥巖的單軸強度隨溫度降低增加較少,-20℃和-25℃的凍結(jié)泥巖其單軸抗壓強度分別為43.81mpa和46.11mpa,較常溫泥巖的強度分別增加了1.73%和4.03%。常溫砂巖和泥巖在壓密階段幾乎沒有聲發(fā)射活動產(chǎn)生,而凍結(jié)砂巖在此階段卻不斷有聲發(fā)射活動,隨著溫度的降低,其聲發(fā)射活動越活躍。聲發(fā)射能量、幅度的變化與試驗過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化相對應(yīng),揭示了負溫凍結(jié)巖石內(nèi)部在試驗過程中的變化特征。3.基于聲發(fā)射能量參數(shù)的凍結(jié)巖石損傷演化研究不同溫度下砂巖和砂質(zhì)泥巖在劈裂試驗中的累計聲發(fā)射能量變化曲線可以分為初始加載階段(Ⅰ),穩(wěn)定擴展階段(Ⅱ)和迅速破壞階段(Ⅲ)三個階段�；诶塾嬄暟l(fā)射能量變化建立的損傷變量d描述了負溫下砂巖和泥巖內(nèi)部損傷演化過程,同樣可以將其損傷過程分解為三個階段,即初始損傷階段、損傷發(fā)展階段和損傷破壞階段。凍結(jié)過程中的砂巖,由于內(nèi)部孔隙水在負溫環(huán)境中相變膨脹,導(dǎo)致巖石顆粒之間邊界產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形,造成凍結(jié)過程中的初始損傷。砂巖的累計聲發(fā)射能量變化呈現(xiàn)階躍式增長,隨著凍結(jié)時間的增加,砂巖內(nèi)部的聲發(fā)射活動逐漸減少,累計聲發(fā)射能量基本不再發(fā)生變化,通過擬合給出了砂巖在凍結(jié)過程中損傷演化方程。單軸試驗過程中負溫凍結(jié)砂巖的累計聲發(fā)射能量變化呈現(xiàn)階躍式累積損傷,在每一級損傷后均有一段平靜期,每一次的階躍表明巖石內(nèi)部進一步的損傷,而常溫砂巖的變化則是損傷持續(xù)累積直至試樣破壞。試驗過程中常溫砂巖的損傷在加載初期較小,經(jīng)歷了較長時間的累積后突然破壞。而低溫凍結(jié)砂巖的損傷過程則呈現(xiàn)出了階梯式的累積增長破壞過程。泥巖在凍結(jié)過程中的累計聲發(fā)射能量變化歷時較短即達到了平穩(wěn)階段。凍結(jié)砂巖和砂質(zhì)泥巖在正凍過程的損傷存在時間極限,隨著凍結(jié)時間的增加,其損傷程度逐漸變緩。單軸試驗過程中的累計聲發(fā)射能量變化也是呈現(xiàn)了階躍式增加趨勢,但與砂巖有所不同,泥巖在試驗中的平靜期仍然在累積增長。與砂巖相比,泥巖在加載中損傷量增長較快,直至突然破壞為止。4.單軸凍結(jié)巖石的起裂與擴容分析常溫砂巖的起裂應(yīng)力較低,均在在0.5~1.0mpa的范圍;而負溫試驗中的凍結(jié)砂巖,由于內(nèi)部孔隙冰的存在,使其起裂應(yīng)力均高于常溫砂巖�？紤]到巖石本身的差異性對起裂應(yīng)力的影響,選取起裂水平作為參考。常溫砂巖的起裂水平集中在0.051~0.076的范圍,-5℃的凍結(jié)砂巖其起裂應(yīng)力水平較接近,約為0.09左右,-10℃~-25℃的凍結(jié)砂巖起裂應(yīng)力水平變化差異較大,通過擬合給出了不同溫度下砂巖起裂應(yīng)力水平的變化范圍。巖石內(nèi)部含水量的不同也是引起起裂應(yīng)力水平差異的重要原因。凍結(jié)砂巖的擴容應(yīng)力隨著溫度降低有所提升。常溫砂巖的擴容應(yīng)力約在4~7mpa的范圍;通過數(shù)據(jù)擬合給出了不同溫度擴容應(yīng)力與峰值應(yīng)力的關(guān)系。擴容應(yīng)力比具有良好的相關(guān)性,常溫砂巖的擴容應(yīng)力比值較小,主要集中在0.3~0.4的范圍,負溫下凍結(jié)砂巖的擴容應(yīng)力比有所增長,研究了負溫砂巖擴容應(yīng)力比的范圍。同一試驗溫度下的砂質(zhì)泥巖,其起裂應(yīng)力隨著峰值應(yīng)力的增加而呈現(xiàn)不同程度的增長。-10℃的凍結(jié)泥巖其起裂應(yīng)力水平最高,在0.3~0.4的范圍,而其它負溫的凍結(jié)泥巖主要集中在0.15~0.25的范圍,常溫泥巖的起裂應(yīng)力水平最低,均在0.1~0.15的范圍,通過擬合給出了不同溫度泥巖的起裂應(yīng)力水平變化范圍。泥巖在負溫下的擴容應(yīng)力變化趨勢與起裂應(yīng)力變化相近,常溫泥巖的擴容應(yīng)力隨著其峰值強度的提高而增加,-10℃的凍結(jié)泥巖其擴容應(yīng)力基本不變,-20℃和-25℃的凍結(jié)泥巖擴容應(yīng)力較小,主要集中在7.5~12.5mpa的范圍,表明了其內(nèi)部由裂隙冰凍脹造成的損傷劣化程度更高。泥巖內(nèi)部的含水量對其后期的擴容應(yīng)力影響明顯,其擴容應(yīng)力比值隨著含水量的增加而降低。5.凍融泥質(zhì)砂巖的三軸滲流試驗研究浸水泥質(zhì)砂巖在凍結(jié)后孔隙、裂隙中的水分在低溫環(huán)境中相變成冰,凍結(jié)過程中的冰的凍脹力引起巖石內(nèi)部微裂隙的產(chǎn)生和孔隙的擴展,使得砂巖整體的致密程度減小,導(dǎo)致了巖石在凍融以及加載破壞前后縱橫波速的迅速降低�？紫端畨汉愣�3mpa,凍融后砂巖的強度隨著圍壓的增加而增大,圍壓25mpa的巖石試樣的偏應(yīng)力值最大,達到69.24mpa,較圍壓分別為20mpa和15mpa的砂巖試樣,分別增長了11.82%和31.84%;偏應(yīng)力作用使得8mpa圍壓下砂巖試樣滲透率達到增長了64.86%。15mpa和20mpa圍壓下巖石的滲透率變化呈現(xiàn)階段性增長,與其受荷載后內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形相關(guān)。25mpa圍壓下的砂巖試樣其滲透率變化最小,高圍壓對巖石的滲透率影響明顯。巖石的滲透率變化峰值均滯后于巖石的峰值應(yīng)力。通過粘貼在三軸壓力室外壁的聲發(fā)射探頭分析了不同圍壓下泥質(zhì)砂巖的三軸滲流試驗中的聲發(fā)射特征。提取聲發(fā)射能量、幅度和峰值頻率研究了試驗過程中的聲發(fā)射特征變化規(guī)律。8 MPa圍壓下的砂巖試樣在整個加載過程中聲發(fā)射活動最多,而其它圍壓條件下由于圍壓下巖石內(nèi)部孔隙、裂隙進一步被壓密,整體致密性和剛度得到提高,試驗過程中的聲發(fā)射活動相對較少。累計聲發(fā)射能量的變化與巖石在試驗過程中的滲透率變化較好的吻合,其變化過程反映了巖石內(nèi)部的損傷演化過程。巖石在加載過程中,其體積應(yīng)變在三向應(yīng)力作用下經(jīng)歷了體積壓縮和體積擴容兩個階段。先期圍壓作用下,巖石內(nèi)部的豎向裂隙首先被壓密,施加軸向荷載后,偏應(yīng)力作用下使得巖石內(nèi)部的橫向裂隙開度進一步減小。通過擬合得到了凍融后泥質(zhì)砂巖在不同圍壓條件下的起裂應(yīng)力水平和擴容應(yīng)力比值變化曲線。建立了巖石凍脹后的滲透模型,分析不同參數(shù)對巖石滲透系數(shù)的影響規(guī)律;并通過COMSOL多物理場耦合軟件對巖石的微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)模型進行了滲透特征研究。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU45

【參考文獻】

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本文編號：2340142