西部冻结凿井白垩系弱胶结红砂岩冻融劣化机理试验研究

论文摘要

我国西部地区白垩系和侏罗系煤系地层具有成岩晚、胶结差、强度低、遇水泥化砂化、无稳定隔水层、层间导水性强的特点,煤矿冻结建井冻结壁解冻后井筒渗水、淹井等事故频发。本文以白垩系富水弱胶结红砂岩为研究对象,充分考虑弱胶结红砂岩在地层内部赋存的地应力条件,对弱胶结红砂岩冻融劣化的机理进行试验研究。首先基于力学试验获得了弱胶结红砂岩冻结及冻融劣化后的力学强度与变形特征,阐述了弱胶结红砂岩冻融劣化机理及冻融过程中地应力的影响机制。然后结合CT扫描及三维微细观结构重构技术给出了冻融劣化导致的弱胶结红砂岩微细观孔隙结构变化的量化规律。之后基于三轴渗流试验并结合声发射技术获得了弱胶结红砂岩冻融前后渗流-应力耦合特性的变化规律,揭示了弱胶结红砂岩渗流-应力耦合作用下内部损伤、破裂的演化机制。最后建立了多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用下的统计损伤本构模型。详细结论如下:1.获得了白垩系弱胶结红砂岩冻结及冻融劣化后的强度与变形特性,阐述了弱胶结红砂岩冻融劣化机理及冻融过程中地应力的影响机制。白垩系弱胶结红砂岩强度低、胶结差、孔隙率高,对冻融作用非常敏感。相对于常温状态,-15℃冻结温度下红砂岩强度增加了 124.86%,但-15℃～20℃温度区间仅经历一次冻融后强度便下降了 33.50%。相对于无围压冻结及冻融,冻结及冻融过程中围压的存在使得红砂岩冻结力学参数增加,融化后的力学参数降低。白垩系弱胶结红砂岩含有大量不同尺寸的孔隙裂隙结构,孔隙裂隙网络可视为由若干冻融损伤单元组成,红砂岩冻融劣化是多种损伤机制的综合作用。冻融期间的地应力可认为是提高了孔隙裂隙的约束能力,防止冻结初期冻胀力过多消散,使冻结作用尽可能地向次级微孔隙发展,加深红砂岩的冻结程度,使红砂岩冻结力学参数提高,但随之红砂岩基质损伤加剧,融化后的力学参数降低。2.给出了由于冻融劣化导致的白垩系弱胶结红砂岩微细观孔隙结构变化的量化规律。白垩系弱胶结红砂岩孔隙的孔径大致分布在0～370 μm范围,其中以0～60μm孔径的微孔隙为主,占比超过68%。随冻融时围压的增加,红砂岩损伤加剧,冻融时的围压从0 MPa提高至12 MPa,红砂岩冻融后孔隙率的增加幅度从3.88%提高至8.53%。红砂岩冻融劣化主要体现在0～40 μm孔径区间的微孔隙数量及占比的增加,其中0～20 μm与20～40 μm半径区间的微孔隙占比增加幅度分别超过33%与 24%。3.获得了白垩系弱胶结红砂岩冻融前后渗流-应力耦合特性的变化规律。渗透特性测试过程中,随冻融围压增加,白垩系弱胶结红砂岩冻融后的渗透率也显著增加,增幅超过13%,此外红砂岩渗透率随测试围压的增加而降低,随渗透压的增加而增加。三轴渗流加载过程中,不同围压下白垩系弱胶结红砂岩受力变形过程相似,具有明显的阶段性特征,但渗透率呈现出两种不同的演化模式,围压强度比小于0.5时,渗透率与受力变形阶段表现出很好的对应性,而围压强度比大于0.5时渗透率一直呈降低趋势。围压强度比小于0.5时,起裂应力之前红砂岩渗透率一直呈降低趋势,起裂应力后渗透率开始缓慢增加,扩容应力后渗透率增幅逐步加快,直至达到峰值渗透率,并且峰值渗透率滞后于峰值应力出现。受冻融影响红砂岩起裂应力之前的渗透率相对于冻融前显著增加,但起裂应力后的渗透率增加不明显,甚至出现降低。围压强度比大于0.5时,红砂岩逐步向延性发展,围压限制了竖向裂隙的扩展,红砂岩内部形成局部压缩带,渗透率一直呈降低趋势,与受力变形阶段间的关联性大大降低。4.揭示了白垩系弱胶结红砂岩冻融前后渗流-应力耦合作用下损伤、破裂的演化机制。基于AE累计能量可将白垩系弱胶结红砂岩冻融前后三轴渗流加载过程中的AE活动划分为平静阶段、稳定增长阶段、爆发阶段及峰后阶段,红砂岩内部损伤演化过程同样可按照这四个阶段划分。随围压增加红砂岩最终的损伤程度减小,峰后承载能力增加,但冻融后红砂岩最终的损伤程度增加,峰后承载能力下降。加载过程中,红砂岩内部以微型破裂为主,随围压增加初始加载阶段AE信号逐步减弱,甚至消失,但AE能量峰值会显著增加,此外受冻融影响,红砂岩冻融后的AE能量峰值要小于冻融前。起裂应力前红砂岩渗透率与AE信号呈负相关,进入塑性阶段后,围压强度比小于0.5时渗透率与AE信号正相关,围压强度比超过0.5后渗透率与AE信号负相关,峰后阶段渗透率与AE信号呈负相关。加载过程中红砂岩内部新生裂隙逐步向剪切型裂隙发展,同时受冻融影响及围压的增加,加载各阶段剪切型裂隙比例均会增加。宏观层面上,随围压增加主裂面与最大主应力方向的夹角增大,红砂岩延性增加,峰值应力附近渗透率增加幅度逐步降低乃至相对较高围压下渗透率一直处于降低趋势。5.建立了多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用下的统计损伤本构模型建立了多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用下的统计损伤本构模型,该模型综合考虑了多孔岩石冻融阶段的损伤及冻融后渗流-应力耦合作用下的损伤,并利用试验验证了模型的有效性。

论文目录

摘要

Abstract

1 引言

1.1 选题来源

1.2 选题背景及研究意义

1.3 课题的国内外研究现状

1.3.1 岩石冻融物理力学性质研究

1.3.2 岩石冻融损伤机理研究

1.3.3 岩石CT扫描及三维重构

1.3.4 岩石流固耦合研究

1.4 存在的问题与不足

1.5 本文研究内容及技术路线

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线

2 白垩系弱胶结红砂岩冻融力学性质及劣化机理

2.1 红砂岩基本特征

2.1.1 红砂岩XRD成分分析

2.1.2 红砂岩细观结构

2.1.3 红砂岩基本物理参数

2.2 红砂岩冻结及融化后力学性质试验

2.2.1 试样制备及试验设备

2.2.2 试验方案

2.3 试验结果

2.3.1 常温试验结果

2.3.2 围压冻结试验结果

2.3.3 围压冻融试验结果

2.3.4 无围压冻结及冻融试验结果

2.3.5 结果分析

2.4 红砂岩冻结力学性质

2.4.1 冻结时的围压对红砂岩冻结力学性质的影响

2.4.2 红砂岩围压冻结强度

2.4.3 红砂岩围压冻结弹性模量与泊松比

2.4.4 红砂岩围压冻结粘聚力及内摩擦角

2.4.5 红砂岩围压冻结起裂及扩容应力

2.5 红砂岩冻结融化后的力学性质

2.5.1 冻融时的围压对红砂岩冻融后力学性质的影响

2.5.2 红砂岩围压冻融后的强度

2.5.3 红砂岩围压冻融后的弹性模量及泊松比

2.5.4 红砂岩围压冻融后的粘聚力及内摩擦角

2.5.5 红砂岩围压冻融后的起裂及扩容应力

2.6 白垩系红砂岩冻融劣化机理及冻融过程中地应力的影响机制

2.7 本章小结

3 白垩系弱胶结红砂岩冻融劣化的微细观孔隙结构量化研究

3.1 冻融循环及CT扫描试验

3.1.1 试验设备

3.1.2 试样准备及参数

3.1.3 试验方案

3.2 CT图像处理及红砂岩三维孔隙结构模型建立

3.2.1 阈值分割

3.2.2 红砂岩三维孔隙结构模型建立

3.3 红砂岩冻融前后孔隙结构变化

3.3.1 红砂岩冻融前后孔隙率变化

3.3.2 红砂岩冻融前后孔隙半径分布变化

3.4 本章小结

4 白垩系弱胶结红砂岩冻融前后渗流-应力耦合特性研究

4.1 红砂岩冻融前后渗透特性及渗流-应力耦合特性试验

4.1.1 岩样制备及试验设备

4.1.2 试验方案

4.2 红砂岩冻融前后的渗透特性

4.2.1 红砂岩渗透率测试结果

4.2.2 渗透压对红砂岩渗透率的影响

4.2.3 测试围压对红砂岩渗透率的影响

4.2.4 冻融围压对红砂岩渗透率的影响

4.3 红砂岩冻融前后的渗流-应力耦合特性

4.3.1 红砂岩冻融前后三轴渗流应力-应变关系曲线

4.3.2 红砂岩冻融前后三轴渗流加载中的力学特性

4.3.3 红砂岩冻融前后三轴渗流加载中的渗透特性

4.3.4 渗透率与变形关联性分析

4.4 本章小结

5 白垩系红砂岩冻融前后渗流-应力耦合下的损伤演化规律

5.1 声发射系统简介及信号处理

5.1.1 声发射系统简介

5.1.2 特征参数提取

5.1.3 声发射定位

5.2 试验方案

5.3 声发射与变形及渗透性关联分析

5.3.1 红砂岩变形破坏过程中的声发射特征

5.3.2 红砂岩声发射特征参数与渗透率关系

5.3.3 红砂岩三轴渗流加载过程中的损伤演化

5.3.4 红砂岩声发射空间演化及损伤定位

5.4 声发射拉、剪破裂识别及能量统计

5.4.1 基于声发射特征参数组合法的拉、剪破裂识别

5.4.2 红砂岩冻融前后加载过程中的拉、剪破裂演化规律

5.4.3 红砂岩冻融前后加载过程拉、剪破裂AE能量分布

5.5 本章小结

6 多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用统计损伤本构模型

6.1 岩石统计损伤本构理论研究现状

6.2 多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用统计损伤本构模型的建立

6.2.1 冻融阶段损伤的表征

6.2.2 渗流-应力耦合作用阶段损伤的表征

6.2.3 多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用统计损伤本构模型的建立

6.2.4 模型参数的确定

6.3 本构模型的试验验证

6.3.1 考虑渗流影响时本构模型的试验验证

6.3.2 不考虑渗流影响时本构模型的试验验证

6.3.3 与其他本构模型的比较

6.4 本章小节

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 本文创新点

7.3 课题研究展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 马永君

导师: 刘波

关键词: 弱胶结红砂岩,冻融劣化,微细观重构,渗流应力耦合,声发射

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学(北京)

基金: 国家自然科学基金《西部富水中生代煤系地层冻结凿井中冻融劣化机理及渗害预控》(NSFC41472259),国家自然科学基金《深部富水软弱岩层立井冻结工程稳定机理与冷能优化研究》(NSFC51274209),国家自然科学基金《地下海水高速渗流条件下超低温含盐冻土的冻结机理研究》(NSFC41771083)

分类号: TU45

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000022

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