高溫高壓下花崗巖中鉆孔圍巖的熱物理及力學(xué)特性試驗(yàn)研究_圖文

1、 第29卷第6期邰保平,等.高溫高壓下花崗巖中鉆孔圍巖的熱物理及力學(xué)特性試驗(yàn)研究1247此外,鉆井圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中,井孔在施工過(guò)程及建成投入運(yùn)行后,熱一流一固耦合作用下巖體由于受到井孔的影響,鉆井圍巖的彈性模量、泊松比及熱膨脹系數(shù)都不同于一般狀態(tài)下巖體的力學(xué)特性,為能夠真實(shí)反映工程實(shí)際施工中鉆井圍巖的力學(xué)特性。本文對(duì)20""600三軸應(yīng)力狀態(tài)下花崗巖中鉆孔圍巖升溫階段的熱彈性變形進(jìn)行了試驗(yàn)研究,在此基礎(chǔ)上編制計(jì)算程序反演計(jì)算出高溫高壓下鉆孔圍巖的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù),對(duì)鉆孔圍巖的熱物理及力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的分析。這些參數(shù)對(duì)巖體工程中溫度場(chǎng)的形成、溫度Fig.

2、2Higll tc品黑是慕ssionch鋤b盯場(chǎng)的特征、熱應(yīng)力的計(jì)算以及熱破壞等是非常重要。的,是高溫巖體地?zé)衢_(kāi)發(fā)中相關(guān)數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù),它的準(zhǔn)確程度直接影響到數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性。2高溫不同埋深應(yīng)力下鉆孔圍巖熱彈性變形試驗(yàn)研究(1試驗(yàn)設(shè)備主要采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)“211工程”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目自主研制的20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)161,如圖1所示:圖2為高溫三軸壓力室。MN servo-controlled lriaxial rock testing system ofhigh temperature and high pressurell6】(2試件及其鉆孔制備花崗巖試樣采自山

3、東平邑,灰白色、致密、無(wú)裂紋,商品名魯灰。直接取自工程現(xiàn)場(chǎng),原始狀態(tài)保持較好。先用立式圓柱加工機(jī)加工成圓柱形,再用車(chē)床精車(chē)而成,加工成高徑比為2:1的矽200 mmx400mm的試件,其加工尺寸和精度符合巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)圖3。圖3試驗(yàn)用的含鉆孔的花崗巖試件Fig.3Granite samples for experimentation為了保證取得的鉆孔內(nèi)部光滑平整,對(duì)鉆孔巖體不造成任何損傷,利用水鉆進(jìn)行鉆孔制備,制備時(shí)將鉆機(jī)與花崗巖試件分別固定在特制的工作臺(tái)上,這樣可以保證鉆孔的垂直度和同心度,制備鉆孔后經(jīng)檢測(cè)巖體沒(méi)有受到任何損傷,鉆孔直徑礦40 mm,試驗(yàn)共用3塊試件。(3試驗(yàn)步驟及觀測(cè)方法

4、對(duì)試件的尺寸進(jìn)行量測(cè),對(duì)同一試件量測(cè)多組直徑、高度以求取平均值,并做認(rèn)真記錄。然后在輔機(jī)裝料系統(tǒng)按操作規(guī)程安裝試樣。在常溫條件下,將圍壓、軸壓加到試驗(yàn)要求的應(yīng)力狀態(tài)。依據(jù)試驗(yàn)預(yù)定的升溫曲線及加載應(yīng)力曲線對(duì)試件加溫,加溫速率控制在3-一5ha,電腦自動(dòng)記錄巖體軸向位移、側(cè)向位移、加載應(yīng)力及溫度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。應(yīng)用聲發(fā)射儀對(duì)花崗巖體及鉆孔的破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè),并全程記錄聲發(fā)射現(xiàn)象。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出含有鉆孔的花崗巖體的 軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變及體積應(yīng)變。將含有鉆孔的花崗巖體在不同埋深應(yīng)力下升溫階段的巖體變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,可得到不同埋深應(yīng)力下巖體的熱變形隨溫度的變化規(guī)律,如圖4所示(根據(jù)巖石力學(xué)中的約定,正應(yīng)

5、變以壓縮為正,拉伸為負(fù),而體積應(yīng)變則以體積收縮為正,體積膨脹為負(fù)。甲2制毯崧甲2制翻瘴溫度,(a50MPa(2000m埋深溫度/(b75MVa(3000m埋深溫度/Co100MPa(4000m埋深1圖4不同埋深靜水壓力下熱應(yīng)變與溫度關(guān)系曲線Fig.4Relation gtLrV覷3ofthermostrain VS.temperature at different depths分析圖4可知,雖然埋深不同,但隨著溫度的升高,巖體變形一直處于熱膨脹階段,軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變隨著溫度的升高處于伸長(zhǎng)階段,隨著溫度的升高體積逐漸膨脹,體積應(yīng)變?yōu)樨?fù)。同時(shí),由應(yīng)變數(shù)值大小可明顯地發(fā)現(xiàn),隨著埋深的增加,雖然鉆孔

6、圍巖處于熱膨脹階段,但是埋深對(duì)鉆孔圍巖的熱應(yīng)變影響很大,埋深增大,熱變形的絕對(duì)值減小,即鉆孔圍巖應(yīng)力約束越大,鉆孔圍巖的熱變形越小。根據(jù)含有鉆孔的花崗巖體的熱變形特征分析,可以將其變形分為以下3個(gè)階段:(1低溫?zé)嶙冃挝⑷蹼A段。當(dāng)溫度處于20 100這一區(qū)間時(shí),由于溫度較低,含有鉆孔的花崗巖體熱變形較小。當(dāng)溫度為100時(shí),2000m埋深靜水壓力時(shí),軸向應(yīng)變?yōu)橐?.044%,側(cè)向應(yīng)變?yōu)?.004%,體積應(yīng)變?yōu)橐?.037%;3000m埋深靜水壓力時(shí),軸向應(yīng)變?yōu)橐?.072%,側(cè)向應(yīng)變?yōu)橐?.063%,體積應(yīng)變?yōu)橐?.198%;4000m埋深靜水壓力時(shí),軸向應(yīng)變?yōu)橐?.060%,側(cè)向應(yīng)變?yōu)橐?.02

7、5%,體積應(yīng)變?yōu)橐?.110%。(2中高溫?zé)嶙冃慰焖僭鲩L(zhǎng)階段。當(dāng)溫度在100"-400時(shí),含有鉆孔的花崗巖體熱變形增長(zhǎng)迅速,軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變及體積應(yīng)變均處于迅速熱膨脹階段,這一溫度階段含有鉆孔的花崗巖體處于熱彈性變形階段,巖體并沒(méi)有發(fā)生塑性變形破壞,鉆孔圍巖的整體性較好。溫度400時(shí),2000m埋深靜水壓力,軸向應(yīng)變由100時(shí)的一0.044%增長(zhǎng)為一1.019%,增加了一0.975%;側(cè)向應(yīng)變由100時(shí)的0.004%增長(zhǎng)為一0.117%,增加了一0.121%;體積應(yīng)變由100時(shí)的一0.037%增長(zhǎng)為一1.254%,增加了一1.217%。溫度400時(shí),3000m埋深靜水壓力,軸向應(yīng)變

8、由100時(shí)的一0.072%增長(zhǎng)為一0.43l%,增加了一0.359%;側(cè)向應(yīng)變由100時(shí)的一0.063%增長(zhǎng)為一0.130%,增加了一0.067%;體積應(yīng)變由100時(shí)的一0.198%增長(zhǎng)為一0.691%,增加了一0.493%。溫度400時(shí),4000m埋深靜水壓力,軸向應(yīng)變由100時(shí)的一0.060%增長(zhǎng)一0.375%,增加了一0.315%:側(cè)向應(yīng)變由100時(shí)的一0.025%增長(zhǎng)為一0.174%,增加了一0.149%;體積應(yīng)變由100時(shí)的一0.110%增長(zhǎng)為一0.723%,增加了一0.613%。(3高溫?zé)嶙冃纹椒€(wěn)階段。溫度在400 600之間時(shí),巖體的熱變形雖然有增加的趨勢(shì),但增長(zhǎng)緩慢,幾乎維持在

9、一個(gè)不變的水平上。4000m 以內(nèi)埋深時(shí),巖體沒(méi)有發(fā)生塑性變形,但4000m 靜水壓力埋深時(shí),隨著溫度的增大,軸向應(yīng)變由伸長(zhǎng)狀態(tài)逐漸變?yōu)閴嚎s狀態(tài),這表明巖體已經(jīng)發(fā)生塑性破壞,巖體被壓縮,而側(cè)向應(yīng)變依然處于熱膨脹階段,體積應(yīng)變也轉(zhuǎn)為收縮狀態(tài)。深(應(yīng)力關(guān)系相同溫度時(shí)含有鉆孔的巖體的軸向熱應(yīng)變、側(cè)O234 5 6 7 8 9舊¨幢嗎憎巧哺盯慵第29卷第6期邵保平,等.高溫高壓下花崗巖中鉆孔圍巖的熱物理及力學(xué)特性試驗(yàn)研究1249向熱應(yīng)變及體積熱應(yīng)變與靜水壓力的關(guān)系曲線如圖5所示。靜水壓力/m個(gè)2敢倒恒蕃甲2 爭(zhēng)翅醛拉噙一(a軸向熱應(yīng)變靜水壓力/m(b側(cè)向熱應(yīng)變2003004005006002

10、00300400500600(c體積熱應(yīng)變圖5不同溫度下熱應(yīng)變與靜水壓力關(guān)系曲線Fig.5Curves on relation ofthermostrain Vs.temperature at different temperatures由分析可知,同一溫度下,隨著埋深的增大(即應(yīng)力的增大,軸向熱應(yīng)變和體積熱應(yīng)變的絕對(duì)值逐漸減小,規(guī)律較一致,而側(cè)向熱應(yīng)變總體上保持膨脹的趨勢(shì),橫向變形逐漸增大。埋深相同時(shí),溫度越高變形越大。比較2000m 埋深靜水壓力與4000m靜水壓力埋深的各溫度下軸向熱應(yīng)變可知:200時(shí)2000m埋深是4000m 埋深時(shí)的1.62倍,400時(shí)2000m埋深是4000m 埋深

11、時(shí)的2.72倍,600時(shí)2000m埋深是4000m 埋深時(shí)的3.57倍。由以上數(shù)據(jù)表明,埋深(即應(yīng)力大小對(duì)于鉆孔圍巖的熱變形具有明顯的影響。依據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容,在取得鉆孔圍巖的熱變形試驗(yàn)結(jié)果后,對(duì)試件施行分步加載加溫,直到試件破壞,從而獲得高溫高壓下含有鉆孔的花崗巖體變形破壞的臨界條件。圖6為含有鉆孔的花崗巖體14試件破壞圖片, 18試件破壞時(shí)高度由原來(lái)時(shí)的410.5mm變?yōu)?96 mm,中部呈鼓起狀態(tài)。將試驗(yàn)后的試件進(jìn)行解剖,查看鉆孔的變形狀況,在巖體軸向200"-210mnl的高度處形成縮頸,其縮頸部分長(zhǎng)度為100"-110mm,縮頸處直徑為31.5mm,在試件的兩端鉆孔的直

12、徑變化不明顯,但較完好時(shí)有所減小。圖6含有鉆孔的花崗巖體14試件破壞圖片F(xiàn)ig.6Destruction pictures on granite撐1with borehole通過(guò)對(duì)比分析3塊高溫高壓下的花崗巖體變形破壞特征,可以清楚總結(jié)出如下特點(diǎn):(1高溫高壓下,含有鉆孔的花崗巖體依然以剪切方式破壞,如圖所示,破壞后沿試件高度方向形成2個(gè)錐體,錐體高度約200mln,錐角21.5。錐面呈現(xiàn)明顯的剪切擦痕。(2鉆孑LffL徑明顯變小,其直徑沿兩端到中部由大變小。(33塊試件都清楚表明,盡管施加了很高的溫度和應(yīng)力,而且壓力以靜水壓力為主,花崗巖的變形仍不同于一般的軟巖變形,而是呈現(xiàn)以破裂成相對(duì)較小

13、的碎塊的破壞方式出現(xiàn)永久的變形。由此可以認(rèn)為:花崗巖體在經(jīng)歷500600的高溫時(shí),依然呈現(xiàn)出脆性特征,對(duì)照高溫后花崗巖破裂的細(xì)觀分析可知,其巖石顆粒間出現(xiàn)破裂,顆粒間黏結(jié)力變得很低,因而其強(qiáng)度降低很多,但并不呈現(xiàn)明顯的流動(dòng)性特征。(43塊花崗巖試件的破壞臨界條件見(jiàn)表1。3高溫高壓下鉆孔圍巖的熱物理及力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律 通過(guò)高溫不同埋深壓力下鉆孔圍巖的熱彈性變 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 萬(wàn)方數(shù)據(jù) 高溫高壓下花崗巖中鉆孔圍巖的熱物理及力學(xué)特性試驗(yàn)研究作者:郤保平, 趙陽(yáng)升, XI Baoping, ZHAO Yangsheng作者單位:郤保平,XI Baoping(太原理工大學(xué),礦業(yè)工程學(xué)院,

14、山西,太原,030024;太原理工大學(xué),采礦工藝研究所,山西,太原,030024, 趙陽(yáng)升,ZHAO Yangsheng(太原理工大學(xué),礦業(yè)工程學(xué)院,山西,太原,030024;太原理工大學(xué),采礦工藝研究所,山西,太原,030024;中國(guó)礦業(yè)大學(xué),礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇,徐州,221008刊名: 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)英文刊名:CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING年,卷(期:2010,29(6參考文獻(xiàn)(17條1.趙陽(yáng)升;孟巧榮;康天合顯微CT試驗(yàn)技術(shù)與花崗巖熱破裂特征的細(xì)觀研究期刊論文-巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2008(012.黃炳香;鄧廣哲;王廣

15、地溫度影響下北山花崗巖蠕變斷裂特性研究 2003(增3.趙陽(yáng)升;萬(wàn)志軍;康建榮高溫巖體地?zé)釋?dǎo)論 20044.林睦曾巖石熱物理學(xué)及其工程應(yīng)用 19915.趙陽(yáng)升;萬(wàn)志軍;張淵20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)的研制期刊論文-巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2008(016.郤保平熱-流-固多場(chǎng)耦合作用下鉆井圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性研究 20097.徐錫昌;劉泉聲高溫下花崗巖的基本力學(xué)性質(zhì)初步研究期刊論文-巖土工程學(xué)報(bào) 2000(038.朱合華;閆治國(guó);鄧濤3種巖石高溫后力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究期刊論文-巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2006(109.HOMAND-ETIENNE F;HONPERT R Thermally in

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