濕度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

1、巖層控制的試驗(yàn)方法與實(shí)測(cè)技術(shù)學(xué)習(xí)報(bào)告題 目：濕度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：姓 名： 指導(dǎo)教師:2015.6摘要：研究溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理。巖石礦物顆粒受到溫度的影響而 熱脹冷縮，導(dǎo)致礦物顆粒間接觸發(fā)生了變化，進(jìn)而使得其強(qiáng)度發(fā)生變化。巖石 的強(qiáng)度、彈性模量與溫度變化均呈線性相關(guān)關(guān)系，溫度和壓力組合變化狀態(tài)對(duì)巖 石力學(xué)性質(zhì)的影響相對(duì)比較復(fù)雜。關(guān)鍵詞:溫度力學(xué)性質(zhì)壓力礦物正文：隨著煤炭勘探開(kāi)發(fā)向地層更深處發(fā)展，有必要了解深部地層巖石力學(xué)性質(zhì)， 以便為工程研究和施工提供依據(jù)。而地層巖石總是處在一定的地溫環(huán)境中，與 地表巖石有很大不同。將常溫下巖石的力學(xué)性質(zhì)當(dāng)作地層巖石的力學(xué)性質(zhì)，會(huì)

2、給工程帶來(lái)極大的偏差，因此有必要研究溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。目前， 國(guó)內(nèi)外對(duì)此已做了大量研究。本文總結(jié)并歸納了國(guó)內(nèi)外溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影 響。影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素很多，除沉積巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等內(nèi)在因素 外，溫度、壓力等外在因素也起著重要的作用。在能源開(kāi)采過(guò)程中，巖石總是 處于一定的地溫場(chǎng)和地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境中，因此在進(jìn)行油藏開(kāi)發(fā)工程地質(zhì)問(wèn)題評(píng)價(jià)時(shí) 有必要了解巖石在不同溫度條件下的變形與強(qiáng)度特性。在研究溫度對(duì)巖石力學(xué) 特性的影響時(shí)，人們一般關(guān)注高溫的影響。當(dāng)溫度高達(dá)400C時(shí)其內(nèi)部會(huì)發(fā)生 物理和化學(xué)變化，這時(shí)溫度對(duì)巖石的性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生根本性的影響。但在4 5006 000m常規(guī)深井中，井底

3、溫度也只有100C左右。此低溫對(duì)堅(jiān)硬的巖石性質(zhì)有 沒(méi)有影響呢？研究表明，該深度范圍內(nèi)的溫度對(duì)巖石性質(zhì)同樣有影響。在石灰 劈裂拉伸試驗(yàn)中，116C時(shí)裂紋韌度比室溫狀態(tài)下高25%，不同壓力和2880C 間水飽和的砂巖縱波品質(zhì)因數(shù)隨溫度的增加而降低?？紤]到高溫高壓下巖石的 力學(xué)特性，不同溫度壓力條件下井壁屈服區(qū)域差別很大。1.溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響長(zhǎng)期地質(zhì)作用使得成巖礦物種類、顆粒排列方式、孔隙結(jié)構(gòu)類型和膠結(jié)物特性變 得十分復(fù)雜，所以成巖巖石是非均值、各向異性的礦物集合體。溫度加載改變了 巖石物理、力學(xué)性質(zhì)。這些作用包括：（1）礦物顆粒熱膨脹。受溫度作用，由于成巖礦物之間的熱膨脹系數(shù)存在一定 差異

4、，加之，礦物顆粒之間的相互約束，導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)高的礦物受到壓縮，而熱膨脹系數(shù)低 的礦物受到拉伸，其綜合結(jié)果是在巖石內(nèi)部形成熱應(yīng)力。由于熱應(yīng)力的存在，使 得作用在巖石礦物顆粒的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)高 溫作用下石灰?guī)r將發(fā)生熱膨脹，熱膨脹量與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系曲線可分為4個(gè)階 段，熱膨脹量的大小與溫度有關(guān)且為非線性關(guān)系。（2）含水性及比例。受沉積環(huán)境和成巖后生作用影響，通常巖石中存在吸附水、 層間水和結(jié)品水。溫度的改變，導(dǎo)致巖石中含水性質(zhì)和含水比例會(huì)發(fā)生變化。 低溫作用時(shí)，溫度增加，使得吸附水和層間水蒸發(fā)，巖石發(fā)生硬化，剛度變大， 導(dǎo)致巖石的彈性模量有升高趨勢(shì)；繼續(xù)升溫，達(dá)到一定

5、的溫度，品格中的結(jié)品 水脫出，微裂紋端部水發(fā)生聚集和水解作用以及其他物理、化學(xué)反應(yīng)，這些因素使得微裂縫迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。（3）巖石孔隙結(jié)構(gòu)。溫度對(duì)巖石孔隙結(jié)構(gòu)的影響比較復(fù)雜。溫度升高使得非均 值的巖石顆粒差異膨脹變形，可能導(dǎo)致新的微裂縫出現(xiàn)，或擴(kuò)大原來(lái)空隙，也 有可能導(dǎo)致原裂縫的閉合，這主要取決于巖石性質(zhì)；溫度升高，導(dǎo)致巖石內(nèi)部可 能出現(xiàn)熱開(kāi)裂，造成不可逆的熱損傷。（4）礦物結(jié)構(gòu)及成分。當(dāng)溫度高于閾值溫度后，組成礦物出現(xiàn)相變，改變了礦 物的結(jié)構(gòu)，巖石介質(zhì)活化和塑性成分增加，從而促進(jìn)巖石由脆性向延性轉(zhuǎn)化。通 常該閾值溫度較高，大于工程領(lǐng)域研究的溫度，所以在研究工程問(wèn)題時(shí)，可以忽 略。2

6、應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律溫度加載作用下，巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致經(jīng)歷四個(gè)階段：壓密階段、線彈性階 段、弱化階段和破壞階段。隨溫度增加，巖石變形特征從脆性向塑性變化，峰值 強(qiáng)度降低，彈性模量降低，壓密階段應(yīng)變變長(zhǎng)，線彈性階段的應(yīng)變減小，峰后階 段的應(yīng)變?cè)黾?，從脆性破壞向拉剪破壞過(guò)度。研究花崗巖力學(xué)特性的溫度效應(yīng)發(fā) 現(xiàn)：常溫下，巖石非彈性變形過(guò)程相對(duì)較短，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，巖樣迅速破裂，呈脆性破壞；溫度升高，彈性段的斜率降低， 表明彈性模量隨著溫度的升高而降低；溫度超過(guò)某臨界溫度以后，峰值強(qiáng)度明顯 降低，對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，主要是因?yàn)閹r樣的脆性減弱而延性增 強(qiáng)。從熱-力學(xué)的角度，當(dāng)溫度升高

7、時(shí)，巖石品體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)間的 結(jié)合力相對(duì)減弱，質(zhì)點(diǎn)容易位移，故塑性增強(qiáng)而強(qiáng)度降低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究砂巖力 學(xué)特性隨溫度的變化關(guān)系即全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在峰值前的斜率隨著溫度的增加 而明顯變緩，破壞荷載降低，表現(xiàn)為巖石的剛度和強(qiáng)度均隨溫度的增大而降低； 同時(shí)，隨著溫度的增加，巖石破壞后其殘余強(qiáng)度值相對(duì)也降低。研究熔結(jié)凝灰?guī)r、 花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖在溫度加載作用下變形特征：高溫后三種巖石的峰值 應(yīng)力、彈性模量均有不同幅度的降低，且經(jīng)歷的溫度越高，降低的幅度越大對(duì)于 峰值應(yīng)變，熔結(jié)凝巖、花崗巖的峰值應(yīng)變隨溫度的升高而大幅度的增加；但對(duì)于 流紋狀凝灰角礫巖，峰值應(yīng)變隨著溫度的升高在降低。3抗壓

8、強(qiáng)度變化規(guī)律巖石抗壓強(qiáng)度受溫度影響顯著，溫度增加，巖石抗壓強(qiáng)度降低，呈線性遞減關(guān)系。 也有實(shí)驗(yàn)表明，在低溫范圍，溫度增加，由于吸附水和層間水被蒸發(fā)，巖石強(qiáng)度 增強(qiáng)，溫度對(duì)巖石強(qiáng)度性質(zhì)的影響主要取決于溫度的作用范圍和巖石性質(zhì)。分析 了不同溫度作用下，花崗巖強(qiáng)度變化規(guī)律?；◢弾r單軸抗壓強(qiáng)度具有較大的離 散性，這是由于巖石自身的結(jié)構(gòu)差異所致。高溫作用下，強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢(shì)，在800r時(shí)峰值強(qiáng)度由常溫時(shí)的191.90 MPa降低至62.17 MPa，降幅達(dá)到67.6%。高溫作用下巖樣的力學(xué)性能劣化呈連續(xù)變化。 研究得出：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度隨溫度的增加，呈線性遞減關(guān)系。其線性遞減比例系 數(shù)與巖石。成巖作用強(qiáng)

9、的巖石，其孔隙度小，巖石導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致巖石單軸抗 壓強(qiáng)度隨溫度的增加降低較快，反之，較緩。4彈性模量變化規(guī)律巖石彈性模量受溫度影響顯著，溫度增加，巖石彈性模量降低，呈線性遞減關(guān)系。 研究了巖石的楊氏模量隨溫度升高而變化的情況，安山巖、花崗巖、石英粗面巖 等的楊氏模量在300C以下隨溫度升高而急劇減小，但超過(guò)300C后，楊氏模量幾乎保持恒定；而 凝灰?guī)r和陶石等隨溫度的升高，彈性模量變化不大。研究指出，砂巖彈性模量隨 溫度的增加，呈線性遞減關(guān)系。其線性遞減比例系數(shù)與巖石的成巖作用有關(guān)。成 巖作用強(qiáng)的巖石，其孔隙度小，巖石導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致巖石彈性模量隨溫度的增 加降低較快，反之，較緩。分析了砂巖受熱導(dǎo)

10、致熱損傷，并將熱損傷分為四個(gè)階 段：不穩(wěn)定熱損傷階段、初始熱損傷階段、穩(wěn)定熱損傷階段和快速熱損傷階段。 分析認(rèn)為，砂巖不穩(wěn)定熱損傷階段，砂巖黏土物質(zhì)還有水分，而自由水逐漸被 加熱。升溫使得自由水溶解能力增強(qiáng)，溶解的礦物間黏結(jié)物和黏土等增多， 使砂巖逐漸軟化。因此，升溫使得砂巖的彈性模量有所降低。在初始熱損傷階 段，溫度繼續(xù)升高超過(guò)水的沸點(diǎn)，部分自由水被蒸發(fā)，冷卻后的砂巖重新硬化， 剛度變大，這種機(jī)制導(dǎo)致砂巖的彈性模量有升高趨勢(shì)。但在穩(wěn)定熱損傷階段，砂 巖開(kāi)始產(chǎn)生熱開(kāi)裂，熱開(kāi)裂的出現(xiàn)導(dǎo)致砂巖剛度變小。在水分蒸發(fā)和砂巖的熱 開(kāi)裂兩種耦合下，砂巖彈性模量有所波動(dòng)，但總體有升高趨勢(shì)。在快速熱損傷階 段

11、，隨著溫度的升高砂巖的熱開(kāi)裂增多，并且溫度越大，熱開(kāi)裂數(shù)目越多，且熱 開(kāi)裂的長(zhǎng)度和寬度都變大，此時(shí)熱開(kāi)裂占主導(dǎo)地位，從而使得砂巖彈性模量迅速 降低。指出花崗巖彈性模量的分布具有一定的離散性，但總體上隨著溫度升高而 降低。實(shí)時(shí)高溫作用下花崗巖力學(xué)性質(zhì)衰減得較快，彈性模量由常溫時(shí)的38.37GPa降低至7.22GPa，降幅達(dá)81.2%。高溫作用下巖樣的力學(xué)性能劣化呈 連續(xù)變化。5.結(jié)論：溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響顯著，涉及深部地層的工程問(wèn)題，應(yīng)考慮溫 度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)理，主要包括礦物顆粒熱膨脹性、含水 性及比例、巖石孔隙結(jié)構(gòu)和礦物結(jié)構(gòu)及成分。從應(yīng)力應(yīng)變曲線上看，隨溫度增加，巖石變形特征從脆性向塑性變 化，峰值強(qiáng)度降低，彈性模量降低，壓密階段應(yīng)變變長(zhǎng)，線彈性階段的應(yīng)變降低， 峰后階段的應(yīng)變?cè)黾樱瑥拇嘈云茐南蚶羝茐倪^(guò)度。溫度增加，巖石的強(qiáng)度和彈性均會(huì)降低?？偨Y(jié)：本文主要通過(guò)深部資源開(kāi)采條件下溫度對(duì)砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行單因素