高温作用后花岗岩单轴压缩下变形破坏特征研究

本文采用TAW 2000伺服三轴试验机及声发射检测设备,对高温作用后的花岗岩在25~650℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析了高温作用后的花岗岩纵波波速、最大强度及振铃计数随时间的变化规律。研究结果表明:花岗岩的纵波波速和最大强度随着温度的升高而下降,当温度超过500℃时,纵波波速和最大强度下降幅度最大,可见花岗岩的阈值温度为500℃左右。高温作用后的花岗岩在加载过程中始终伴随声发射信号,并且与应力-时间曲线具有较好的对应关系,不同温度作用后的花岗岩声发射活动程度不同,温度越高,声发射活动愈强烈。500℃前花岗岩试样主要以劈裂破坏为主,温度达到500℃,花岗岩试样以剪切破坏为主,高温导致花岗岩试样内部结构发生改变,试样内部的裂纹逐渐发生扩展、贯通,最终发生破坏。     

中高温三轴应力下鲁灰花岗岩热破裂声发射特征的试验研究

在中高温三轴应力作用下岩石内部物理化学性质和结构特性将发生变化,随着岩石内部结构的变化会引发一系列的声发射现象。通过试验研究了大试件花岗岩在三轴压力状态下声发射随温度的变化规律。试验研究表明：①随着温度升高,岩石的声发射现象是间断发生的;②花岗岩存在一个开始发生热破裂的门槛值温度,其值为120 ℃左右;③试验温度范围内花岗岩热破裂的声发射现象可分为5个阶段,即岩石原生裂隙整合阶段、热破裂前声发射静默阶段、热破裂声发射阶段、大规模热破裂后声发射静默阶段、二次热破裂开始阶段。     

高温下花岗岩的细观结构与声发射特性研究

利用LEICA DM4500P偏光显微镜对实时温度作用下山东临沂花岗岩的细观形态进行了观测,结合其在高温下单轴压缩与声发射检测试验结果,对不同温度下花岗岩的强度和声发射与细观结构形态关系进行了初步的探讨。研究表明,高温下花岗岩细观结构形态的变化主要体现在不同温度下裂纹萌生及扩展速度的不同;随温度的升高,花岗岩内部形成的裂纹越多,内部损伤越严重,单轴压缩下其声发射活动越频繁;花岗岩的力学特性及声发射特征与岩样内部裂纹网络的形成具有对应的关系,裂纹扩展缓慢则其峰值应力曲线和振铃累计数曲线走势平稳,而裂纹网络急剧扩展则峰值应力曲线和振铃累计数曲线出现拐点导致突变。通过观测岩石在热作用下内部结构形态的变化,以期推断其在热破裂过程中物理力学特征参量发生变化的原因。     

单轴压缩下高温后砂岩的声发射特征

通过在单轴压缩下实施的声发射测试,研究焦作砂岩受20～1 200 ℃温度作用后的声发射演变过程;结合不同温度下砂岩的力学性质,通过声发射参数分析研究砂岩在不同受力阶段的声发射特点。研究表明：400 ℃以内温度对砂岩的声发射影响不太明显,在100 ℃后和600 ℃后声发射振铃累计数均发生急剧变化,100 ℃是砂岩裂纹扩展发育的门槛值,600 ℃后砂岩内部结构成分发生了变化,声发射现象较为明显。600～1 200 ℃时,砂岩呈现出明显的脆塑性转变现象,高温导致声发射信号的时间有所推迟,声发射信号增长率不断上升。1 200 ℃后,砂岩释放密集的声发射信号,呈现出塑性破坏特征。     

循环高温-快速冷却处理后的花岗岩力学特性及声发射响应特征

基于温度、循环次数对花岗岩试样内部结构损伤的考虑,通过高温处理后的花岗岩单轴压缩试验和声发射监测试验,研究了循环高温-快速冷却后花岗岩力学性质和声发射响应特征.研究结果表明:随着对花岗岩施加温度和循环次数的升高,花岗岩单轴抗压强度不断降低,而单轴抗压强度对应的峰值应变随之增大,花岗岩岩样的塑性特征愈发明显.常温下与高温...     

单轴压缩下层状含水页岩损伤破坏过程及特征

页岩在重庆地区分布较广,在隧址围岩赋存环境中占较大比重,考虑到层理和水对页岩性质影响显著,因此,对页岩在层理和含水率影响下损伤破坏过程和劣化机制进行研究。试验借助于MTS815岩石力学测试系统和PAC声发射仪,进行单轴压缩条件下层状页岩损伤破坏过程的声发射试验研究,并采用大型离散元软件3DEC对页岩破坏模式进行对比分析。研究结果表明:(1)页岩的矿物成分、矿物排列和加载方向决定其损伤破坏过程,原生微裂隙的分布、矿物晶粒大小和加载方向决定了宏观裂隙的分布,宏观裂隙则控制着页岩的破坏模式。(2)页岩内部沿层理方向原生微裂隙群是页岩破坏起裂部位,次生微裂隙常沿矿物边界发展,与加载方向基本一致,最终形成宏观裂隙,起到连通层理破裂面的作用。(3)层状页岩AE事件的生成和分布与试件内部的微裂隙分布关系密切,初始压密阶段积聚于试件中部层理附近,后沿层理法向方向向端部或两侧发展,最终沿宏观裂隙转折及交点处聚结成核。(4)层理和水对页岩的损伤劣化机制不同,层理对页岩的损伤作用本质上是沿层理分布的原生微裂隙群的损伤作用,而水对页岩的损伤作用主要是水的吸附和毛细管压力作用。     

单轴压缩下酸腐蚀花岗岩能量演化与分形特征

利用单轴压缩、声发射监测及X射线衍射试验手段分析了不同腐蚀时间花岗岩力学特性,获得了声发射特征参数变化规律,从腐蚀机制角度分析了花岗岩内部结构劣化原因,并对岩样破坏过程中能量演化规律及破碎分形特征进行研究。主要结论如下：随着腐蚀时间增加,单轴抗压强度和弹性模量分别降低了25.6%和38.3%;声发射累计振铃计数降低,高水平声发射振铃计数持续时间缩短;岩样内部结构因矿物成分分解而劣化,而二氧化硅悬浮物又会延缓这一劣化,导致力学参数折减速率与腐蚀时间呈负相关;塑性阶段之前,腐蚀岩样耗散能增长率较大,其内部损伤已经快速发育,耗散能也处于较高水平,在塑性阶段,损伤发育程度低于未腐蚀岩样;耗散能随腐蚀时间增加而降低,但耗散能占比由29.1%升高到35.0%,延性提高;总能量和弹性应变能的峰值、增长速率均随着腐蚀时间增加而减小,内部结构劣化程度增大,岩样吸能能力和储能极限降低;破坏模式由剪切-劈裂破坏转变为剪切破坏,中、小粒径碎块质量占比由44.6%降低到22.8%,破碎分形维数降低了9.5%,破碎程度降低,用于破碎的耗散能也随之降低。     

单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射频谱特征试验研究

通过开展饱水花岗岩单轴压缩声发射试验,采用快速傅里叶变换提取声发射信号主频及次主频,进一步提出了综合表征声发射信号频谱特征的参数:主频比F ,即主频与次主频的比值,研究岩石破裂过程声发射频谱特征。研究结果表明:饱水花岗岩破裂过程声发射主频、次主频频带数量呈现“3→6→3”先增大后减小的规律,与主频分布特征相比,次主频低频区间占比减小,中、高频区间占比增大,次主频总体平均值比主频高约5 kHz。声发射主频比尸分布区间在弹性阶段达到最大:0 < F < 8 ,且F≠1,根据主频比与1 的关系,可将声发射信号划分为2 类:A 类信号(0 < F < 1 ),其主频小于次主频;B 类信号(1 < F < 8 ),其主频大于次主频。总体来看,饱水花岗岩破裂过程声发射A 类与B 类信号的数量关系约为3:2, A 类信号数量相对较多,特别是塑性阶段A 类信号占绝对优势,其数量为B 类信号的3.0?3.5倍。饱水花岗岩破裂过程声发射A 、B类信号事件率近似同步变化,二者均出现明显的平静期前兆特征,在实际应用时,可以对岩石破裂过程数量庞大且计算繁琐的声发射信号进行甄别,选择A、B 两类信号中的一种,进而实现对岩石破坏前兆信息的快速有效识别。     

不同加载条件下陕西华山花岗岩破坏过程的声发射特性

对陕西华山花岗岩试样进行单轴和常规三轴破坏过程的声发射参数测试,研究单轴和三轴两种应力条件下花岗岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,两种加载条件下,声发射特征均基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,单轴下峰值应力前声发射平台现象明显,三轴下未出现明显声发射平台。弹性阶段内声发射信号均比较少,进入塑性阶段后声发射信号开始密集出现;破坏过程中声发射幅值主要范围都集中在40~100dB;在岩样破坏之前,都会出现事件计数、振铃计数率和累计释放能量逐渐升高的过程;达到峰值强度时,均出现振铃计数率和累计释放能量跳跃性的增长,因此可以将振铃计数率和累计释放能量的突增作为岩样破坏的前兆。此外,研究发现此花岗岩的声发射特征与其承载的路径密切相关,从而进一步验证了岩石材料声发射中的Kaiser效应。     

热应力影响下干热岩水压致裂数值模拟

干热岩水压致裂过程中低温诱导热应力与注入水压共同影响裂缝的萌生与扩展。首先通过THM耦合分析了低温压裂液注入过程中注入水压与热应力的相互作用及其对裂缝萌生的影响,随后建立描述岩石细观结构的THMD耦合模型对热应力影响下高温岩石水压致裂过程进行初探。结果表明：低温压裂液注入高温岩石产生的热应力包括岩石自身温度梯度形成的热应力与岩石颗粒非均匀膨胀导致的热应力,并在井筒周围呈现为拉应力。高注入压力将抑制热应力导致的多裂缝萌生,井筒附近热应力的存在对注入压力也具有削弱作用。基岩温度升高,裂缝萌生阶段更多裂缝在井筒附近起裂,缝网沿最大地应力方向的扩展速度减慢,但改造规模增加,同时多裂缝的存在也使得裂缝延伸压力增加。     

含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验研究

通过开展含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验,并利用高速摄像系统和声发射（acoustic emission,简称AE）系统监测岩爆过程,探究了不同产状裂隙岩石的破坏模式、强度变形和声发射演化特性,分析了裂隙产状与岩爆过程及弹射动能之间的关系,对比了含裂隙岩石岩爆发生机制与无裂隙完整岩石的差异。有关力学特性的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样破坏模式大体呈现由“内剪外劈”向“Z型斜剪”变化的趋势,裂隙对岩石强度的削弱作用不断增大。当裂隙倾角小于30°时,岩石峰值应力普遍仅为完整岩样的一半左右;小倾角裂隙的长度越大,岩样岩板劈裂现象变得显著,形成岩爆坑略微变大,且强度折减幅度越大,峰值轴向应变相应变小;裂隙位置向临空面靠近会加剧岩板的劈裂效应,塑性阶段普遍会产生较大变形并萌生大量裂纹,当裂隙已出露且切断临空面将不易形成岩爆坑。有关岩爆过程及弹射动能的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样弹射动能呈现先显著降低后小幅回升的变化规律,30°倾角为转变拐点;岩样内部裂隙距临空面越近,裂隙岩样的弹射动能越小;树脂填充裂隙使得岩样弹射动能极大提升,而水泥填充的则无明显提升。有关声发射特征的分析表...     

Hydraulic Conductivity Characteristics of Hot Dry Rocks under Different Fracture Modes

Enhanced geothermal system (EGS) is an effective method for developing and utilizing hot dry rock (HDR). The key to the effectiveness of EGS is the construction of an artificial fracture network. The permeability of fractures has severe effects on the heat transfer efficiency and sustainability of geothermal energy. However, the evolution characteristics of hydraulic conductivity under different failure modes have not been adequately studied for HDR. To clarify this, rocks with different failure modes were investigated by conducting thermal triaxial compression experiments, and the fluid seepage related to different rock failure modes was comprehensively investigated. The results showed that the characteristic stresses and crack surface roughness of the rock increased as the confining pressure increased. The permeability in the composited failure mode was the largest (11.4 μm2), followed by that in the Y-shaped shear failure mode (9.7 μm2), and that in the single-shear failure mode was the smallest (7.2 μm2). The confining pressures had an inhibitory effect on permeability. As the confining pressure increased from 5 to 30 MPa, the permeability decreased by 88.8%, 88.4%, and 89.9%, respectively. In contrast, the permeability was significantly enhanced by 128.3%, 94.6%, and 131% as the flow rate increased from 3 to 7 mL/min.     

地热井花岗岩地层钻进提速技术研究与应用进展北大核心CSCD

地热资源是一种非碳基清洁能源,开发地热资源可为实现碳中和提供有力支撑。随着地热资源勘查开发进度的不断加快,花岗岩地层的钻遇率不断提高。花岗岩地层岩石硬度高、可钻性差,钻进难度大,开展花岗岩地层钻进提速技术及应用研究对促进地热资源开发利用有重要意义。本文系统梳理了国内外花岗岩地层钻进提速技术,分别介绍了螺杆马达、涡轮钻具、蓄能式提速工具、液动冲击器、气动潜孔锤等井下提速工具的特点和研究进展,结合钻探工程应用实践对每种提速钻进工具的应用情况进行了分析,针对不同工程地质特点总结提出了提速技术优选建议。对于常规地热井或温度小于150℃的花岗岩地层,宜采用螺杆马达配合牙轮钻头复合钻进技术;对于不含水或出水量较小的花岗岩地层,宜采用气动潜孔锤钻进提速技术;对于温度高于150℃或硬度高、研磨性强的花岗岩地层,采用涡轮钻具复合钻进技术提速效果更为明显。     

使用图像分析方法研究单轴压缩条件下花岗岩中细观组分的定向性变化

使用图像分析方法,根据室内单轴压缩试验视频图像对花岗岩细观组分定向性的变化情况进行了分析。在对原始视频图像进行可读格式转换后,将可读视频图像转换成多帧静态图像,截取相同位置、相同大小的图像区域进行灰度化处理。对截取的每帧静态图像使用不同阈值识别花岗岩细观组分,得到不同时刻不同细观组分区域的分布情况。计算不同细观组分区域的长轴和短轴大小,根据各区域长短轴大小确定最小外接矩形,由长短轴交点与长轴中点定义长轴方向向量以计算全方向[0°,360P°P]内的长轴方向,进而计算不同细观组分区域的长轴走向,绘制不同时刻不同组分的长轴走向等值线图;计算不同时刻不同细观组分区域的面积以及概率熵,得到整个加载过程面积和概率熵的变化曲线。整个计算分析过程由自编程序自动实现。结果表明,在单轴压缩条件下花岗岩细观组分的定向性发生改变;不同细观组分的定向性增强区间相间分布、定向性减弱区间互不重叠,但某些区间为一种组分的定向性增强区间、另一种组分的定向性减弱区间;石英、长石、黑云母在加载过程中依次受力;不同细观组分在受力时面积变化出现明显异常;花岗岩中黑云母分布的有序性高于石英和长石;石英和长石在受力后区域分布变得有序,而黑云母在整个试验过程中的定向性无明显变化。研究成果对岩石变形破坏过程机理研究具有一定的参考价值。     

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论:致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5.7倍和1.7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。     

单轴应力下的孔洞–裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙（简称\     

单轴压缩与劈裂荷载下灰岩声发射b值特性研究

通过开展灰岩巴西劈裂和单轴压缩声发射试验,探讨两种加载方式下岩石破裂声发射b值特性及b值计算影响因素。结果表明,累积计算b值拟合度高,误差较小;步距为5 dB时不同门槛值下b值随时间变化的总体规律基本一致,选择5 dB的步距和40 dB的门槛值计算b值比较合理,能够降低非岩石破裂信号对b值变化的影响。由动态b值的波动程度可以看出,在劈裂荷载下灰岩损伤演化过程可分为3个阶段,即(0～40%)?c(?c为峰值强度)、(40%～90%)?c和(90%～100%)?c,而在单轴加载下可分为：(0～80%)?c和(80%～100%)?c两个阶段,且不同阶段岩石内部损伤的程度不同。在裂纹扩展阶段,相比单轴加载,劈裂荷载下动态b值增加较为稳定,但在整个破坏过程中劈裂荷载下动态b值波动更大,在单轴压缩和劈裂加载方式下b值的大小取决于灰岩破裂面上的结构性质及破裂模式。