固—熱耦合作用下巖體破裂及聲發(fā)射特征試驗研究.pdf

1、隨著世界油氣資源的緊缺，煤炭資源開采造成環(huán)境嚴(yán)重破壞，高溫巖體地?zé)岬仍S多綠色新能源的開發(fā)被提出。高溫巖體地?zé)豳Y源所處地層很深，施工時涉及到高溫、高地應(yīng)力的影響。巖體在熱作用下發(fā)生熱破裂，降低巖體強度，巖體在固-熱耦合作用下會加速微破裂產(chǎn)生，對高溫巖體的施工造成一定的影響，因此，研究固-熱耦合作用下巖體的破裂及聲發(fā)射特征有著重要的意義。本文主要進(jìn)行無約束和三軸應(yīng)力狀態(tài)巖體的熱破裂聲發(fā)射、高溫蠕變過程中破裂聲發(fā)射特征、單軸和三軸高溫蒸汽壓裂

2、試驗來研究固-熱耦合作用下巖體的破裂規(guī)律及聲發(fā)射特征，得到如下結(jié)論：
　　 ⑴通過無約束花崗巖升溫、降溫、循環(huán)升降溫?zé)崞屏崖暟l(fā)射和25MPa均勻壓力花崗巖升溫過程熱破裂聲發(fā)射試驗研究，得到：①無約束花崗巖升溫過程，熱破裂聲發(fā)射現(xiàn)象明顯，試樣沒有肉眼可見的裂紋產(chǎn)生，隨著溫度增高，熱破裂發(fā)生次數(shù)增多，強度增大。熱破裂可分為三個階段：常溫～160℃，壓密熱破裂階段，熱破裂聲發(fā)射數(shù)量很少，強度很低；160～460℃，脆性熱破裂階段，熱破

3、裂聲發(fā)射數(shù)量大幅增加，強度基本不變；460℃以后，彈塑性熱破裂階段，熱破裂聲發(fā)射數(shù)量、強度和持續(xù)性達(dá)到試驗最高值。②無約束花崗巖降溫過程，熱破裂分為三個階段：600～300℃，彈塑性熱破裂階段，聲發(fā)射數(shù)量隨溫度降低增多；300～100℃，脆性熱破裂階段，熱破裂聲發(fā)射強度和數(shù)量為試驗最大值；100～30℃，后脆性破裂階段，熱破裂聲發(fā)射強度降低。③25MPa均勻壓力大尺寸(φ200×400mm)花崗巖升溫過程，巖石試樣出現(xiàn)肉眼可見的裂紋，熱

4、應(yīng)力局部集中和三軸應(yīng)力導(dǎo)致熱破裂產(chǎn)生。熱破裂分為三個階段：常溫～110℃，壓密熱破裂階段，聲發(fā)射數(shù)量多、振鈴高，能量較低，熱膨脹導(dǎo)致原生裂隙發(fā)生變形、閉合；110～420℃，脆性熱破裂階段，聲發(fā)射數(shù)量多、振鈴數(shù)大、能量高，巖石礦物成分熱膨脹不均勻?qū)е聼釕?yīng)力局部集中，發(fā)生熱破裂；420～500℃，彈塑性熱破裂階段，聲發(fā)射數(shù)量多，振鈴數(shù)大，聲發(fā)射能量峰值大，階段性能量累積小，聲發(fā)射由少數(shù)的高能量聲發(fā)射和多數(shù)能量極低的聲發(fā)射組成，熱作用使巖石

5、礦物軟化，發(fā)生局部塑性破壞。④三軸應(yīng)力狀態(tài)可促進(jìn)熱破裂在較低溫度進(jìn)入脆性破裂階段和彈塑性熱破裂階段，無約束花崗巖熱破裂(聲發(fā)射)比25MPa均勻壓力狀態(tài)滯后約40～50℃左右，滯后溫度值的大小取決于試樣三軸應(yīng)力狀態(tài)。
　　 ⑵通過大尺寸(φ200×400mm)花崗巖高溫蠕變破裂聲發(fā)射試驗，發(fā)現(xiàn)300℃花崗巖蠕變試驗，經(jīng)歷瞬態(tài)蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，聲發(fā)射信號連續(xù)產(chǎn)生，蠕變第一階段聲發(fā)射振鈴、能量為第二階段2倍；400℃、500℃

6、花崗巖蠕變，只有穩(wěn)態(tài)蠕變階段，均勻壓力蠕變聲發(fā)射比差應(yīng)力蠕變少，振鈴低一個數(shù)量級，間隔出現(xiàn)較大能量的聲發(fā)射；溫度增高，蠕變聲發(fā)射參數(shù)降低。
　　 ⑶通過花崗巖單軸蒸汽壓裂(尺寸120×120×300mm)試驗和三軸蒸汽壓裂(尺寸300×300×300mm)裂紋擴展和聲發(fā)射特征試驗，得到：①固-熱耦合作用對巖體破裂有促進(jìn)作用，熱破裂起到了弱化巖體強度、加快起裂的作用?；◢弾r單軸水力壓裂破壞壓力為6.5MPa，單軸430℃和350℃

7、高增壓速率蒸汽壓裂試驗，破壞壓力分別為2.7MPa、2.2MPa，不足水力壓裂破壞壓力的50％；單軸450℃低增壓速率蒸汽壓裂試驗，破壞壓力為1.8MPa，為水力壓裂破壞壓力的1/4左右。②固-熱耦合作用下花崗巖體水力壓裂易出現(xiàn)多條裂縫。低增壓率單軸蒸汽壓裂只有1條裂縫能夠貫通試樣，其余裂縫起裂后不久止裂；三軸蒸汽壓裂起裂時出現(xiàn)“T”型裂縫，平行最小主應(yīng)力方向的裂縫擴展中轉(zhuǎn)向垂直最小主應(yīng)力方向。熱破裂分布的隨機性導(dǎo)致蒸汽壓裂出現(xiàn)多條起裂

8、裂紋。③單軸高增壓速率蒸汽壓裂，側(cè)向變形速率很大，變形量為水力壓裂的2倍以上，試樣垂直破壞面的變形量為平行破壞面方向變形的5倍左右。單軸高溫蒸汽壓裂，試樣軸向發(fā)生壓縮變形，側(cè)向變形為膨脹變形，單軸蒸汽壓裂時間較短，熱作用主要起到降低鉆孔內(nèi)壁強度、加速起裂的作用，軸向壓縮變形和側(cè)向膨脹變形主要為蒸汽壓力增大所致。三軸蒸汽壓裂裂紋擴展試驗變形過程分為三個階段：蒸汽壓力增加階段，由于蒸汽壓力增加，軸向為壓縮變形，變形速率逐漸降低，側(cè)向為膨脹變

9、形，變形率逐漸增大；保壓階段，熱膨脹作用增強，側(cè)向繼續(xù)膨脹變形，變形量與時間基本呈線性關(guān)系，軸向變形由壓縮逐漸轉(zhuǎn)化為膨脹；蒸汽壓裂階段，熱膨脹作用范圍增大到整個巖石試樣，軸向和側(cè)向變形都為膨脹變形。④單軸高溫蒸汽壓裂時，裂紋擴展分為壓裂前熱破裂階段和壓裂破裂階段。壓裂前熱破裂階段，熱破裂分布具有隨機性，熱破裂以鉆孔為中心逐漸的向外圍發(fā)展。壓裂破裂階段分為三個步驟：起裂、延伸、形成宏觀裂縫。⑤高溫三軸蒸汽壓裂裂縫擴展分為3個階段：蒸汽壓力

10、增加階段，鉆孔表面發(fā)生熱破裂，破裂點少，隨機分布；保壓熱破裂階段，熱作用范圍增大，熱破裂以鉆孔為中心向外圍擴展，沿著半徑方向破裂密度逐漸減?。粔毫央A段，幾乎整個試樣范圍都發(fā)生熱破裂，孔壁出現(xiàn)多處起裂裂紋，宏觀裂縫的形成經(jīng)歷以下步驟：a熱破裂集中出現(xiàn)，在壓裂孔周圍成核；b產(chǎn)生多條起裂裂紋；c裂紋在長度、寬度和高度方向擴展；d平行最小主應(yīng)力裂縫止裂；e平行最小主應(yīng)力裂縫轉(zhuǎn)向垂直最小主應(yīng)力方向擴展；⑥裂縫繼續(xù)擴展，裂縫周圍破裂點密度增大，試樣