论文部分内容阅读
随着世界油气资源的紧缺,煤炭资源开采造成环境严重破坏,高温岩体地热等许多绿色新能源的开发被提出。高温岩体地热资源所处地层很深,施工时涉及到高温、高地应力的影响。岩体在热作用下发生热破裂,降低岩体强度,岩体在固-热耦合作用下会加速微破裂产生,对高温岩体的施工造成一定的影响,因此,研究固-热耦合作用下岩体的破裂及声发射特征有着重要的意义。本文主要进行无约束和三轴应力状态岩体的热破裂声发射、高温蠕变过程中破裂声发射特征、单轴和三轴高温蒸汽压裂试验来研究固-热耦合作用下岩体的破裂规律及声发射特征,得到如下结论：1)通过无约束花岗岩升温、降温、循环升降温热破裂声发射和25MPa均匀压力花岗岩升温过程热破裂声发射试验研究,得到：①无约束花岗岩升温过程,热破裂声发射现象明显,试样没有肉眼可见的裂纹产生,随着温度增高,热破裂发生次数增多,强度增大。热破裂可分为三个阶段：常温～160℃,压密热破裂阶段,热破裂声发射数量很少,强度很低；160～460℃,脆性热破裂阶段,热破裂声发射数量大幅增加,强度基本不变；460℃以后,弹塑性热破裂阶段,热破裂声发射数量、强度和持续性达到试验最高值。②无约束花岗岩降温过程,热破裂分为三个阶段：600～300℃,弹塑性热破裂阶段,声发射数量随温度降低增多；300～100℃,脆性热破裂阶段,热破裂声发射强度和数量为试验最大值；100～30℃,后脆性破裂阶段,热破裂声发射强度降低。③25MPa均匀压力大尺寸(φ200×400mm)花岗岩升温过程,岩石试样出现肉眼可见的裂纹,热应力局部集中和三轴应力导致热破裂产生。热破裂分为三个阶段：常温～110℃,压密热破裂阶段,声发射数量多、振铃高,能量较低,热膨胀导致原生裂隙发生变形、闭合；110～420℃,脆性热破裂阶段,声发射数量多、振铃数大、能量高,岩石矿物成分热膨胀不均匀导致热应力局部集中,发生热破裂；420～500℃,弹塑性热破裂阶段,声发射数量多,振铃数大,声发射能量峰值大,阶段性能量累积小,声发射由少数的高能量声发射和多数能量极低的声发射组成,热作用使岩石矿物软化,发生局部塑性破坏。④三轴应力状态可促进热破裂在较低温度进入脆性破裂阶段和弹塑性热破裂阶段,无约束花岗岩热破裂(声发射)比25MPa均匀压力状态滞后约40～50℃左右,滞后温度值的大小取决于试样三轴应力状态。2)通过大尺寸(φ200×400mm)花岗岩高温蠕变破裂声发射试验,发现300℃花岗岩蠕变试验,经历瞬态蠕变阶段和稳态蠕变阶段,声发射信号连续产生,蠕变第一阶段声发射振铃、能量为第二阶段2倍；400℃、500℃花岗岩蠕变,只有稳态蠕变阶段,均匀压力蠕变声发射比差应力蠕变少,振铃低一个数量级,间隔出现较大能量的声发射；温度增高,蠕变声发射参数降低。3)通过花岗岩单轴蒸汽压裂(尺寸120×120×300mm)试验和三轴蒸汽压裂(尺寸300x300x300mm)裂纹扩展和声发射特征试验,得到：①固-热耦合作用对岩体破裂有促进作用,热破裂起到了弱化岩体强度、加快起裂的作用。花岗岩单轴水力压裂破坏压力为6.5MPa,单轴430℃和350℃高增压速率蒸汽压裂试验,破坏压力分别为2.7MPa、2.2MPa,不足水力压裂破坏压力的50%；单轴450℃低增压速率蒸汽压裂试验,破坏压力为1.8MPa,为水力压裂破坏压力的1/4左右。②固-热耦合作用下花岗岩体水力压裂易出现多条裂缝。低增压率单轴蒸汽压裂只有1条裂缝能够贯通试样,其余裂缝起裂后不久止裂；三轴蒸汽压裂起裂时出现“T”型裂缝,平行最小主应力方向的裂缝扩展中转向垂直最小主应力方向。热破裂分布的随机性导致蒸汽压裂出现多条起裂裂纹。③单轴高增压速率蒸汽压裂,侧向变形速率很大,变形量为水力压裂的2倍以上,试样垂直破坏面的变形量为平行破坏面方向变形的5倍左右。单轴高温蒸汽压裂,试样轴向发生压缩变形,侧向变形为膨胀变形,单轴蒸汽压裂时间较短,热作用主要起到降低钻孔内壁强度、加速起裂的作用,轴向压缩变形和侧向膨胀变形主要为蒸汽压力增大所致。三轴蒸汽压裂裂纹扩展试验变形过程分为三个阶段：蒸汽压力增加阶段,由于蒸汽压力增加,轴向为压缩变形,变形速率逐渐降低,侧向为膨胀变形,变形率逐渐增大；保压阶段,热膨胀作用增强,侧向继续膨胀变形,变形量与时间基本呈线性关系,轴向变形由压缩逐渐转化为膨胀；蒸汽压裂阶段,热膨胀作用范围增大到整个岩石试样,轴向和侧向变形都为膨胀变形。④单轴高温蒸汽压裂时,裂纹扩展分为压裂前热破裂阶段和压裂破裂阶段。压裂前热破裂阶段,热破裂分布具有随机性,热破裂以钻孔为中心逐渐的向外围发展。压裂破裂阶段分为三个步骤：起裂、延伸、形成宏观裂缝。⑤高温三轴蒸汽压裂裂缝扩展分为3个阶段：蒸汽压力增加阶段,钻孔表面发生热破裂,破裂点少,随机分布；保压热破裂阶段,热作用范围增大,热破裂以钻孔为中心向外围扩展,沿着半径方向破裂密度逐渐减小；压裂阶段,几乎整个试样范围都发生热破裂,孔壁出现多处起裂裂纹,宏观裂缝的形成经历以下步骤：a热破裂集中出现,在压裂孔周围成核；b产生多条起裂裂纹；c裂纹在长度、宽度和高度方向扩展；d平行最小主应力裂缝止裂；e平行最小主应力裂缝转向垂直最小主应力方向扩展；⑥裂缝继续扩展,裂缝周围破裂点密度增大,试样破裂。