高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究.pdf

第2 9 卷第6 期 岩石力学与工程学报V 0 1 2 9N o 6 2 0 10 年6 月 C h i n e s eJ o u r n a lo f R o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g J u n e 2 0 10 高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学 特性试验研究 邵保平1 赵阳升1 2 3 1 太原理工大学矿业工程学院 山西太原0 3 0 0 2 4 2 太原理工大学采矿工艺研究所 山西太原0 3 0 0 2 4 3 中国矿业大学矿业工程学院 江苏徐州2 2 1 0 0 8 1 摘要 采用自主研制的2 0M N 伺服控制高温高压岩体三轴试验机 对矿2 0 0m i l l x 4 0 0 r a m 的花岗岩体内含妒4 0m m 的钻孔在6 0 0 以内及60 0 0m 埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究 根据热弹性变形试 验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数 并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细 致的分析 研究结果表明 1 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3 个阶段 低温热变形微弱阶段 中 高温热变形快速增长阶段 高温热变形平稳阶段 且埋深 H P 应力大小 对于钻孔围岩的熟变形具有明显的影响 2 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏 花岗岩体在经历5 0 0 6 0 0 的高温仍呈现出脆性特征 岩 体破坏的条件为60 0 0m 埋深静水压力 6 0 0 左右 3 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律 减小 4 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势 5 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系 数不同 埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响 研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定 性维护提供理论依据与技术储备 关键词t 岩石力学 高温高压 花岗岩 钻孔围岩 熟物理特性 力学特性 中圈分类号lT u4 5文献标识码lA 文章缡号 1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 1 0 0 6 1 2 4 5 0 9 E X P E R I M E N T A LS T U D Yo FT H E R M o P H Y S I C o M E C H A N I C A L P R o P E R T Yo FD R I L L I N GS U R R o U N D I N GR o C KI NG R A N I T EU N D E R H I G HT E M P E R A T U R EA N DH I G HP R E S S U R E X IB a o p i n 9 1 2Z H A O Y a n g s h e n 9 1 2 3 1 C o l l e g eo f M i n i n gE n g i n e e r i n g T a i y u a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y T a i y u a n S h a n x i0 3 0 0 2 4 C h i n a 2 I n s t i t u t eo f M i n i n gT e c h n o l o g y T a i y u a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y T a i y u a n S h a n x i0 3 0 0 2 4 C h i n a 3 C o l l e g eo f M i n i n gE n g i n e e r i n g C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y X u z h o u J i a n g s u2 2 1 0 0 8 C h i n a A b s t r a c t U t i l i z i n gt h e2 0M N S g l W O c o n t r o l l e dt r i a x i a lr o c kt e s t i n gm a c h i n eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r ed e v e l o p e db yt h ea u t h o r s t h ei n t e n s i v ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h et h e r m o e l a s t i cd e f o r m a t i o no fl a r g es i z e g r a n i t es a m p l eo f 铊0 0m m x 4 0 0r f l mw i t h 妒4 0m n lb o r e h o l eu n d e rt r i a x i a lh y d r o s t a t i cp r e s s u r ei nd e p t ho f 60 0 0m a n dt e m p e r a t u r e sw i t h i n6 0 0 i sc a r r i e do u t B a s e do nt h er e s u l t so ft h e r m o e l a s t i cd e f o r m a t i o ne x p e r i m e n t s u n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei n v e r s i o nt oc a l c u l a t et h et h e r m o p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s a c a r e f u la n a l y s i so ft h et h e r m o p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fd r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c ki ng r a n i t ei sc a r r i a l T h er e s u l t ss h o wt h a t 1 T h et h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h ed r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c ki ng r a n i t eu n d e rh i 曲 收稿日期l2 0 0 9 1 2 2 5 修画日期l2 0 1 0 一0 3 一1 4 基金硬目t 国家自然科学基金重点项1 1 1 5 0 5 3 4 0 3 0 太原理工大学校科技发展基金项目 作者 介t 邹保平 1 9 7 6 一 男 博士 2 0 0 0 年毕业于太原理工大学建筑工程专业 现任讲师 主要从事岩石力学与地下工程方面的教学与研究工作 E m a i l m a s t e r x b p y a h o o e o m c n 万方数据 岩石力学q E 程学报2 0 1 0 短 t e m p e r a t u r ea n dh i g l lp r e s s u r ea td i f f e r e n td e p t h sc a r lb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s l o w t e m p e r a t u r et h e r m a l d e f o r m a t i o no faw e a kp h a s e t h er a p i dg r o w t hs t a g eh e a td i s t o r t i o nt e m p e r a t u r ea n dh i g h t e m p e r a t u r et h e r m a l d e f o r m a t i o no fas m o o t hp h a s e a n dt h ed e p t h p r e s s u r e i ss i g n i f i c a n ti m p a c t0 nt h et h e r m a ld e f o r m a t i o no f d r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c ki ng r a n i t e 2 T h ef a i l u r em o d eo fd r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c ki ng r a n i t eu n d e rh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ei so fc u t t i n gd a m a g e g r a n i t eb o d yi nt h ee x p e r i e n c eo f5 0 0 一6 0 0 h i g h t e m p e r a t u r ec o n t i n u e dt os h o wab r i a l ee m e r g e di nc h a r a c t e r i s t i c s A n dr o c km a s sd e s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa r e t r i a x i a lh y d r o s t a t i cp r e s s u r ei nd e p t ho fa b o u t60 0 0ma n dt e m p e r a t u r eo f6 0 0 3 T h ee l a s t i cm o d u l u so f d r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c ki ng r a n i t eu n d e rh i 曲t e m p e r a t u r ew i t han e g a t i v et e m p e r a t u r ed e c r e a s e se x p o n e n t i a l l y 4 T h eP o i s s o n Sr a t i oo fd r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c ki ng r a n i t eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ew i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e i n c r e a s e sw i t ht h eo v e r a l lt r e n do fi t sv a r i a t i o n 5 T h et h e r m a lc o e m c i e n t so fe x p a n s i o na b o u ts u r r o u n d i n gr o c k o fd r i l l i n ga td i f f e r e n th y d r o s t a t i cp r e s s u r e si nd e p t ha n dh i g ht e m p e r a t u r ea r ed i f f e r e n t t h ed e p t hh a sas i g n i f i c a n t i m p a c to nt h et 1 1 e r m a lt o e 伍c i e n to fe x p a n s i o n T h i se x p e r i m e n t a ls t u d yC a np r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa n d t e c h n i c a lr e s e r v e sf o rh o td r yr o c ko fd e e pd r i l l i n ga n dm a i n t e n a n c eo fs t a b i l i t yo fd r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c k K e yw o r d s r o c km e c h a n i c s h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e g r a n i t e d r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c k t h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 1 引言 随着地球科学的发展和工程设施的深延 高温 高压岩石力学已涉及越来越多的学科 并越来越受 到重视 同时 处理高温高压环境下的岩石力学与 工程问题也是对岩石力学新的挑战 在地热资源开 发 深部采矿 煤炭地下直接液化与气化 煤层气 开采 深部油气开采 高放射性核废料的深地层处 置 石油及天然气的地下贮存 矿山安全 建筑安 全等工程中 都需要考虑岩石在高温条件下的热物 理及力学性质 高温下岩石的力学性质主要涉及高温下岩石的 变形与强度特征及机制 如岩石在高温条件下的抗 压强度 抗剪强度及抗拉强度 变形破坏形式等 力学参数如弹性模量 泊松比与温度的关系等 而 高温条件岩石的热物理性质主要包括岩石的热膨胀 系数 导热系数 比热 热容量 热交换系数等 综合国内外的研究成果 高温高压下岩石的热物理 及力学特性研究可以归纳为 1 高温下岩石的力 学特性研究 2 高温下岩石的热物理特性研究 3 岩石的热破裂研究 2 0 世纪7 0 年代以来 国内外 学者在研究高温下岩石的力学特性方面取得了丰硕 成梨卜8 1 EE H e u z e 等 9 1 0 1 对一些岩石的变形模量 泊松比 抗拉强度 抗压强度 黏聚力 内摩擦角 黏度等参数进行了测定 并讨论了热膨胀系数对温 度 侧压的依赖性以及高温下岩石的蠕变特性 J T F r e d r i c h 和T EW o n g 1 1 从断裂力学的角度研究认 为当裂纹尖端的应力强度因子超过临界值时即可诱 发晶内裂缝 EH o m a n d E t i e n n e 和R H o n p e r t i t 2 1 对 致密花岗岩在热作用下形成的裂缝进行了深入研 究 发现经热处理后 岩石连通性提高并产生了新 裂缝 新裂缝的长度取决于晶粒形状和尺寸 朱合 华等 l3 1 对经历了不同高温后的熔结凝灰岩 花岗岩 及流纹状凝灰角砾岩的力学特性进行了研究 许锡 昌和刘泉声f 1 4 对花岗岩在2 0 6 0 0 单轴压缩 下主要力学参数随温度的变化规律进行了研究 然 而 对于高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性 试验研究报道很少 高温岩体地热 H D R 开发深钻施工中 井孔围 岩在高温高压状态下 缩径 变形失稳 井壁坍塌 等现象非常严重I l5 1 井孔失稳可能引起卡钻 挤毁 套管 甚至可能会导致侧钻新井眼或整个井孔报废 这不仅影响钻井速度与测井 固井质量 而且甚至 无法钻到目的层而影响钻井工程的顺利进行 更甚 至钻井在建成投入运行后 随着时间的延长 井孔 围岩发生蠕变变形 造成缩颈 塌孔 挤碎套管等 影响正常使用 因此 保证高温岩体地热开发工程 顺利进行的首要问题是深部钻井施工及热一流一固 多场耦合作用下井孔围岩系统的稳定性技术 如何 保证井孔围岩在钻进过程及长期运行中井壁的稳定 性 不至于发生塌孔 缩颈以及造成失稳成为人类 探索地球深部能源及深钻施工中急需解决的一个重 要课题 万方数据 第2 9 卷第6 期邰保平 等 高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究 1 2 4 7 此外 钻井围岩系统稳定性分析中 井孔在施 工过程及建成投入运行后 热一流一固耦合作用下 岩体由于受到井孔的影响 钻井围岩的弹性模量 泊松比及热膨胀系数都不同于一般状态下岩体的力 学特性 为能够真实反映工程实际施工中钻井围岩 的力学特性 本文对2 0 6 0 0 三轴应力状态下 花岗岩中钻孔围岩升温阶段的热弹性变形进行了试 验研究 在此基础上编制计算程序反演计算出高温 高压下钻孔围岩的弹性模量 泊松比 热膨胀系数 对钻孔围岩的热物理及力学参数进行了认真细致的 分析 这些参数对岩体工程中温度场的形成 温度 F i g 2 H i g l lt c 品黑是慕s s i o n c h 锄b 盯 场的特征 热应力的计算以及热破坏等是非常重要 的 是高温岩体地热开发中相关数值模拟计算的基 础参数 它的准确程度直接影响到数值模拟计算结 果的可靠性 2高温不同埋深应力下钻孔围岩热弹 性变形试验研究 2 1 试验概况 1 试验设备 主要采用中国矿业大学 2 1 1 工程 重点建设 项目自主研制的2 0M N 伺服控制高温高压岩体三 轴试验机 1 6 1 如图1 所示 图2 为高温三轴压力室 图1 2 0M N 伺服控制尚温同址岩体三轴试验机 1 6 1 F i g 1 2 0M Ns e r v o c o n t r o l l e dl r i a x i a lr o c kt e s t i n gs y s t e m o f h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e l l 6 2 试件及其钻孔制备 花岗岩试样采自山东平邑 灰白色 致密 无 裂纹 商品名鲁灰 直接取自工程现场 原始状态 保持较好 先用立式圆柱加工机加工成圆柱形 再 用车床精车而成 加工成高径比为2 1 的矽2 0 0 m m x 4 0 0m m 的试件 其加工尺寸和精度符合岩石 试验标准 见图3 图3 试验用的含钻孔的花岗岩试件 F i g 3 G r a n i t es a m p l e sf o re x p e r i m e n t a t i o n 为了保证取得的钻孔内部光滑平整 对钻孔岩 体不造成任何损伤 利用水钻进行钻孔制备 制备 时将钻机与花岗岩试件分别固定在特制的工作台 上 这样可以保证钻孔的垂直度和同心度 制备钻 孔后经检测岩体没有受到任何损伤 钻孔直径矿4 0 m m 试验共用3 块试件 3 试验步骤及观测方法 对试件的尺寸进行量测 对同一试件量测多 组直径 高度以求取平均值 并做认真记录 然后 在辅机装料系统按操作规程安装试样 在常温条件下 将围压 轴压加到试验要求 的应力状态 依据试验预定的升温曲线及加载应力曲线 对试件加温 加温速率控制在3 一5 h a 电脑自动 记录岩体轴向位移 侧向位移 加载应力及温度等 试验数据 应用声发射仪对花岗岩体及钻孔的破坏进 行监测 并全程记录声发射现象 整理试验数据 得出含有钻孔的花岗岩体的 轴向应变 侧向应变及体积应变 万方数据 1 2 4 8 岩石力学与工程学报 2 0 1 0 芷 2 2 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形特征 将含有钻孔的花岗岩体在不同埋深应力下升温 阶段的岩体变形试验数据进行整理 可得到不同埋 深应力下岩体的热变形随温度的变化规律 如图4 所 示 根据岩石力学中的约定 正应变以压缩为正 拉 伸为负 而体积应变则以体积收缩为正 体积膨胀 为负 O 0 一O 2 毫一o 4 着二慧 瘊一1 0 一I 2 1 4 甲2 制 毯 崧 甲 2 制 翻 瘴 温度 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 a 5 0 M P a 20 0 0 m 埋深 温度 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 b 7 5M V a 30 0 0 m 埋深 温度 O1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 C o 1 0 0M P a 40 0 0 m 埋深1 图4 不同埋深静水压力下热应变与温度关系曲线 F i g 4 R e l a t i o ng t L r V 觑3o f t h e r m o s t r a i nV S t e m p e r a t u r ea t d i f f e r e n td e p t h s 分析图4 可知 虽然埋深不同 但随着温度的 升高 岩体变形一直处于热膨胀阶段 轴向应变 侧向应变随着温度的升高处于伸长阶段 随着温度 的升高体积逐渐膨胀 体积应变为负 同时 由应 变数值大小可明显地发现 随着埋深的增加 虽然 钻孔围岩处于热膨胀阶段 但是埋深对钻孔围岩的 热应变影响很大 埋深增大 热变形的绝对值减 小 即钻孔围岩应力约束越大 钻孔围岩的热变形 越小 根据含有钻孔的花岗岩体的热变形特征分析 可以将其变形分为以下3 个阶段 1 低温热变形微弱阶段 当温度处于2 0 1 0 0 这一区间时 由于温度较低 含有钻孔的花 岗岩体热变形较小 当温度为1 0 0 时 20 0 0 m 埋 深静水压力时 轴向应变为一0 0 4 4 侧向应变为 0 0 0 4 体积应变为一0 0 3 7 30 0 0m 埋深静水压 力时 轴向应变为一0 0 7 2 侧向应变为一0 0 6 3 体积应变为一0 1 9 8 40 0 0m 埋深静水压力时 轴 向应变为一0 0 6 0 侧向应变为一0 0 2 5 体积应 变为一0 1 1 0 2 中高温热变形快速增长阶段 当温度在 1 0 0 4 0 0 时 含有钻孔的花岗岩体热变形增长 迅速 轴向应变 侧向应变及体积应变均处于迅速 热膨胀阶段 这一温度阶段含有钻孔的花岗岩体处 于热弹性变形阶段 岩体并没有发生塑性变形破坏 钻孔围岩的整体性较好 温度4 0 0 时 20 0 0m 埋 深静水压力 轴向应变由1 0 0 时的一0 0 4 4 增长 为一1 0 1 9 增加了一0 9 7 5 侧向应变由1 0 0 时的0 0 0 4 增长为一0 1 1 7 增加了一0 1 2 1 体 积应变由1 0 0 时的一0 0 3 7 增长为一1 2 5 4 增加 了一1 2 1 7 温度4 0 0 时 30 0 0m 埋深静水压 力 轴向应变由1 0 0 时的一0 0 7 2 增长为一0 4 3 l 增加了一0 3 5 9 侧向应变由1 0 0 时的一0 0 6 3 增长为一0 1 3 0 增加了一0 0 6 7 体积应变由1 0 0 时的一0 1 9 8 增长为一0 6 9 1 增加了一0 4 9 3 温 度4 0 0 时 40 0 0m 埋深静水压力 轴向应变由 1 0 0 时的一0 0 6 0 增长一0 3 7 5 增加了一0 3 1 5 侧向应变由1 0 0 时的一0 0 2 5 增长为一0 1 7 4 增加了一0 1 4 9 体积应变由1 0 0 时的一0 1 1 0 增长为一0 7 2 3 增加了一0 6 1 3 3 高温热变形平稳阶段 温度在4 0 0 6 0 0 之间时 岩体的热变形虽然有增加的趋势 但 增长缓慢 几乎维持在一个不变的水平上 40 0 0m 以内埋深时 岩体没有发生塑性变形 但40 0 0m 静水压力埋深时 随着温度的增大 轴向应变由伸 长状态逐渐变为压缩状态 这表明岩体已经发生塑 性破坏 岩体被压缩 而侧向应变依然处于热膨胀 阶段 体积应变也转为收缩状态 2 3 温度相同时含有钻孔的花岗岩体的热变形与埋 深 应力 关系 相同温度时含有钻孔的岩体的轴向热应变 侧 O 2 3 4 5 6 7 8 9 旧 幢吗憎巧哺盯慵 似吨吨州叫州堋州圳州 哪哪哪叫咖哪哪哪 万方数据 第2 9 卷第6 期邵保平 等 高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究 1 2 4 9 向热应变及体积热应变与静水压力的关系曲线如图 5 所示 静水压力 m 个 2 敢 倒 恒 蕃 甲 2 争 翅 醛 拉 噙一 a 轴向热应变 静水压力 m b 侧向热应变 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 c 体积热应变 图5 不同温度下热应变与静水压力关系曲线 F i g 5 C u r v e so nr e l a t i o no f t h e r m o s t r a i nV s t e m p e r a t u r e a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 由分析可知 同一温度下 随着埋深的增大 即 应力的增大 轴向热应变和体积热应变的绝对值逐 渐减小 规律较一致 而侧向热应变总体上保持膨 胀的趋势 横向变形逐渐增大 埋深相同时 温度越高变形越大 比较20 0 0m 埋深静水压力与40 0 0m 静水压力埋深的各温度下 轴向热应变可知 2 0 0 时20 0 0m 埋深是40 0 0m 埋深时的1 6 2 倍 4 0 0 时20 0 0m 埋深是40 0 0m 埋深时的2 7 2 倍 6 0 0 时20 0 0m 埋深是40 0 0m 埋深时的3 5 7 倍 由以上数据表明 埋深 即应力大小 对于钻孔 围岩的热变形具有明显的影响 2 4 高温高压下含有钻孔的花岗岩体变形破坏特征 依据试验内容 在取得钻孔围岩的热变形试验 结果后 对试件施行分步加载加温 直到试件破坏 从而获得高温高压下含有钻孔的花岗岩体变形破坏 的临界条件 图6 为含有钻孔的花岗岩体1 4 试件破坏图片 1 8 试件破坏时高度由原来时的4 1 0 5m m 变为3 9 6 m m 中部呈鼓起状态 将试验后的试件进行解剖 查看钻孔的变形状况 在岩体轴向2 0 0 2 1 0m n l 的 高度处形成缩颈 其缩颈部分长度为1 0 0 1 1 0m m 缩颈处直径为3 1 5m m 在试件的两端钻孔的直径 变化不明显 但较完好时有所减小 图6 含有钻孔的花岗岩体1 4 试件破坏图片 F i g 6 D e s t r u c t i o np i c t u r e so ng r a n i t e 撑1w i t hb o r e h o l e 通过对比分析3 块高温高压下的花岗岩体变形 破坏特征 可以清楚总结出如下特点 1 高温高压下 含有钻孔的花岗岩体依然以 剪切方式破坏 如图所示 破坏后沿试件高度方向 形成2 个锥体 锥体高度约2 0 0m l n 锥角2 1 5 锥 面呈现明显的剪切擦痕 2 钻孑L f f L 径明显变小 其直径沿两端到中部 由大变小 3 3 块试件都清楚表明 尽管施加了很高的 温度和应力 而且压力以静水压力为主 花岗岩的 变形仍不同于一般的软岩变形 而是呈现以破裂成 相对较小的碎块的破坏方式出现永久的变形 由此 可以认为 花岗岩体在经历5 0 0 6 0 0 的高温 时 依然呈现出脆性特征 对照高温后花岗岩破裂 的细观分析可知 其岩石颗粒间出现破裂 颗粒间 黏结力变得很低 因而其强度降低很多 但并不呈 现明显的流动性特征 4 3 块花岗岩试件的破坏临界条件见表1 3高温高压下钻孔围岩的热物理及力 学参数的变化规律 通过高温不同埋深压力下钻孔围岩的热弹性变 万方数据 1 2 5 0 岩石力学与工程学报 2 0 1 0 芷 由图7 钻孔围岩的弹性模量随温度变化趋势曲 表1 高温高压下含有钻孔的花岗岩体破坏临界条件描述 线可见 弹性模量的总体趋势随着温度的升高而减 T a b l 1 D e 8 c r i p t i o no f d e s t r u c t i o nc f i t i c a lc o n d i t i o n s o n 4 根据反演计算结果将其分为以下3 个阶段作进 r o km 鼬8 鲫1 t ew 油b o r e h 1 a td 触 一步讨论 d e p t h sa n dh i g ht e m p e r a t u r e s 薹霉破坏方式 i 5 雾 备注 1 5 0 翌竺孔轴向2 0 02 1 0 m m 的 压燃 6 0 0 0 m J 嬲s z 裟凳譬嚣搿 茎 静水压力 箬j 磊茹 径菇 I 聂i 淼馨篡1 2 三5 著s o o 嚣 形试验研究 对高温高压下钻孔围岩的弹性模量 泊松比 热膨胀系数进行反演计算 其反演计算过 程及程序见邵保平 1 5 1 的研究 从而获得弹性模量 泊松比 热膨胀系数随温度的变化规律 这些参数 对于岩体及地下工程中岩体的热变形 热应力的计 算及热破坏等都是非常重要的 在三维应力以及温 度作用下钻孔围岩的力学参数随着温度及埋深的增 加变得更加复杂 也只有在三轴应力状态才更加符 合工程实际情况 表2 为不同温度下钻孔围岩的弹 性模量与泊松比反演计算值 表2 不同温度下钻孔围岩的弹性模量与泊松比反演计算值 T a b l e2C o m p u t e dr e s u l t so f e l a s t i cm o d u l ia n dP o i s s o n sr a t i o s 2 旦 竺2 竺 坚 竺茎2 1 塑 些g 苎垒垡 竺兰塑匿壁兰 兰 温度 c弹性模量 G P a泊松比 3 1 弹性模 随温度的变化规律 芒 殳 嘲 j 趔5 掣 敏 E 7 8 3 6 6 e 0 7 0 9 6 11 低温段 中高温段 卜卜 一 高温段 05 01 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 4 0 04 5 0 5 0 0 5 5 06 0 0 6 5 0 温度 1 2 图7 不同温度下钻孔围岩的弹性模量计算值 F i g 7 E l a s t i cm o d u l io fs u r r o u n d i n gr o c kw i t hd r i l l i n ga l d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 1 从常温 2 0 0 的低温段 钻孔围岩的弹性 模量随温度升高而下降缓慢 常温时 钻孔围岩的 弹性模量数值较大 为7 0 2 5G P a 随着温度的逐渐 升高 钻孔围岩的弹性模量呈缓慢下降趋势 2 0 0 时弹性模最为6 3 7 6G P a 下降了9 2 4 即每升高 l 弹性模量平均减小0 0 3 6G P a 2 从2 0 0 4 0 0 的中高温阶段 钻孔围岩 弹性模量迅速减小阶段 在这一温度阶段 钻孔围 岩的弹性模量减小速率大大增加 由2 0 0 时的 6 3 7 6G P a 下降到4 0 0 时的4 0 3 5G P a 下降了 3 6 7 1 即每升高l 弹性模量平均减小0 1 1 7 G P a 3 从4 0 0 6 0 0 的高温阶段 钻孔围岩的 弹性模量基本保持不变 如4 5 0 弹性模量为3 8 5 9 G P a 5 0 0 5 5 0 时弹性模量基本维持在3 5 3 7 G P a 直到6 0 0 时为3 3 5 0G P a 以后基本保持不 变 对不同温度下钻孔围岩的弹性模量曲线进行指 数函数拟合 可得常温 6 0 0 钻孔围岩弹性模量 随温度变化的拟合方程 E 7 8 3 6 6 e x p 0 0 0 15 T R 2 0 9 6 11 1 由式 1 可见 高温高压下钻孔围岩的弹性模量 随温度的升高呈负指数规律减小 3 2 泊松比随温度的变化规律 图8 为钻孔围岩的泊松比随温度变化趋势曲 线 泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势 常温 下钻孔围岩的泊松比较小 常温 2 0 0 时 钻孔 舳加 如 如 m o 万方数据 第2 9 卷第6 期邰保平 等 高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究 1 2 5 1 0 5 0 0 4 5 筮0 4 0 枣0 3 5 粤 0 3 0 O 2 5 0 2 0 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 03 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 06 0 0 6 5 0 温度 图8 不同温度下钻孔围岩的泊松比计算值 F i g 8 P o i s s o n sr a t i o so f s u r r o u n d i n gr o c k w i t hd r i l l i n ga l d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 围岩的泊松比随温度的升高呈明显的上升趋势 由 常温时的0 2 5 增大到0 3 5 2 0 0 4 5 0 时 钻 孔围岩的泊松比随着温度的升高而继续增大 由 2 0 0 时的0 3 5 增大到0 4 2 4 5 0 6 0 0 时 钻 孔围岩的泊松比基本维持在0 4 5 左右保持不变 对钻孔围岩的泊松比随温度变化的曲线进行对 数函数拟合 可得常温 6 0 0 钻孔围岩的泊松比随 温度变化的拟合方程 0 0 6 99 I n T 0 0 0 28 R 2 0 8 9 51 2 综上所述 高温高压下钻孔围岩的泊松比随温 度的升高呈对数函数规律变化 3 3 热膨胀系数随温度的变化规律 岩石热膨胀系数是指岩石试件温度升高l 时 在长度方向引起的应变量 1 7 o 由于热膨胀系数影响 岩体工程的热变形和热应力 关系到岩体工程的稳 定与安全 因此 必须确定岩石的热膨胀系数 通常情况下岩石的热膨胀系数采用特定的装置 进行测量 岩石棒完全处于无约束状态 通过测定 温度和伸长量即可求得岩石的热膨胀系数 然而对 于工程岩体 在进行具体工程计算时 岩石均处于 各种约束中 这样应用这些参数进行计算时给工程 带来很大的误差 因此为了能够真实地反映钻孔围 岩在不同埋深应力状态下的热膨胀系数 根据 20 0 0 40 0 0m 埋深应力下含有钻孔的花岗岩体热 变形 即原位埋深状态 测得试验数据可反演计算求 得高温不同埋深静水压力下钻孔围岩的热膨胀系 数 表3 为高温不同埋深静水压力下钻孔围岩的热 膨胀系数反演计算值 从图9 可明显的看出埋深 即 钻孔围岩所在的应力状态 对于钻孔围岩的热膨胀 系数具有很大的影响 埋深越深 即钻孔围岩所处应 表3 高温不同埋深静水压力下钻孔围岩热膨胀系数反演计 算值 T a b l e3C a l c u l a t e dv a l u e so f t h e r m a lc o e f f i c i e n to f e x p a n s i o n o f s u r r o u n d i n gr o c k w i t hd r i l l i n ga td i f f e r e n th y d r o s t a t i c p r e s s u r e si nd e p t h sa n dh i g ht e m p e r a t u r e s p n 2 搽 垛 髻 蛰 辏 4 0 0 0 m 埋深静水压力 一 30 0 0 m 埋深静水压力 忒 飞 p 呐 J 01 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 06 0 0 温度 图9 高温不同埋深静水压力下钻孔围岩的线性热膨胀系 数计算值 F i g 9 L i n e a rt h e r m a lc o e f f i c i e n to f e x p a n s i o no f s u r r o t m d i n g r o c kw i t hd r i l l i n ga td i f f e r e n th y d r o s t a t i cp r e s s u r e si n d e p t h sa n dh i g ht e m p e r a t u r e s 力越大 热膨胀系数越小 如4 0 0 时 20 0 0m 埋深 静水压力下 热膨胀系数为2 7 6 x1 0 5 30 0 0m 埋深静水压力下为1 1 4 x 1 0 5 而40 0 0m 埋深 静水压力下 热膨胀系数则变为9 9 5 1 0 6 由此可见 温度虽然相同 但是埋深越大热膨胀系 数却越小 究其原因为 钻孔围岩的热膨胀系数受 约束的影响 埋深越大 原岩应力越大 约束越强 热膨胀越不明显 尽管不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不 同 但其变化趋势基本相同 根据不同埋深应力下 钻孔围岩的热膨胀系数的变化趋势可将其划分为3 个阶段 1 从常温 1 0 0 的低温段 钻孔围岩的热膨 胀系数迅速减小 在此阶段 热膨胀系数变化达l 万方数据 1 2 5 2 岩石力学与工程学报 2 0 1 0 玺 2 个数量级 2 1 0 0 4 0 0 的中高温段 钻孔围岩的热 膨胀系数随温度的升高逐渐增大 4 0 0 时数值达 到最大 40 0 0m 埋深静水压力下 热膨胀系数每升 高1 增大4 2 1 X 1 0 30 0 0 m 埋深静水压力下 热膨胀系数每升高1 增大7 5 1X1 0 20 0 0m 埋 深静水压力下 热膨胀系数每升高1 增大7 0 0 x 1 0 同时由以上数据可看出 埋深越大热膨胀系 数越小 3 4 0 0 6 0 0 的高温段 钻孔围岩的热膨 胀系数随温度的升高而降低 这一温度区间由于岩 体在高温下发生塑性破坏 岩体的热膨胀系数表现 为逐渐减小 对不同静水压力下钻孔围岩的热膨胀系数随温 度变化的曲线进行多项式拟合 可得常温 6 0 0 钻 孔围岩的热膨胀系数随温度变化的拟合方程式 2 0 0 0 m 埋深静水压力下 式破坏 花岗岩体在经历5 0 0 6 0 0 的高温仍 呈现出脆性特征 岩体破坏的条件为60 0 0m 埋深 静水压力 6 0 0 左右 4 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高 呈负指数规律减小 常温 6 0 0 钻孔围岩弹性模 量随温度变化规律为E 7 8 3 6 6 e x p 0 0 0 15 T 5 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总 体呈增大的趋势 常温 6 0 0 钻孔围岩的泊松比 随温度变化规律为 0 0 6 99 I n T 0 0 0 28 6 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系 数不同 埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影 响 常温 1 0 0 的低温段 钻孔围岩的热膨胀系 数变化达1 2 个数量级 1 0 0 4 0 0 的中高温 段 钻孔围岩的热膨胀系数随温度的升高逐渐增 大 4 0 0 时数值达到最大 且埋深越深热膨胀系 数越小 4 0 0 6 0 0 的高温段 钻孔围岩的热膨 胀系数随温度的升高而降低 口 一9 1 0 1 8 T 5 2 x 1 0 1 4 T 4 1 x 1 0 1 1 r 3 4 l O 9 丁2 5 1 0 7 r 2 1 0 5 参考文献 R e f e r e n c e s R 2 0 9 6 65 3 l 30 0 0 m 埋深静水压力下 口 1 X 1 0 1 8 T 5 1 x 1 0 1 5 T 4 I x l 0 1 3 T 3 l x l 0 1 0 T 2 2 x 1 0 S T l 1 0 5 尺2 0 8 7 19 4 2 40 0 0 m 埋深静水压力下 口 一l X l 0 1 7 T 5 2 x 1 0 1 4 T 4 一l x l 0 一 T 3 4 x 1 0 g T 2 5 x 1 0 7 T 3 x 1 0 5 R 2 0 9 1 08 5 3 4 结论 1 高温不同埋深应力下花岗岩中钻孔围岩的 热变形可分为3 个阶段 低温热变形微弱阶段 中 4 高温热变形快速增长阶段 高温热变形平稳阶段 2 温度相同时 随着埋深的增加 即应力的增 大 轴向热应变和体积热应变的绝对值逐渐减小 规律较一致 而侧向热应变总体上保持膨胀的趋势 横向变形逐渐增大 埋深相同时 温度越高变形越 大 埋深 即应力大小 对于钻孔围岩的热变形具有 5 明显的影响 3 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方 康健 岩石热破裂的研究及应用 M 大连 大连理工大学出版 社 2 0 0 8 K A N GJ i a n R e s e a r c ho nt h e r m a lc r a c k i n go f r o c k sa n di t s a p p l i c a t i o n M D a l i a n D a l i a nU n i v e 瑙i Wo fT e c h n o l o g yP r e s s 2 0 0 8 i nC h i n e s e 赵阳升 万志军 康建荣 高温岩体地热导论 M 北京 科学出 版社 2 0 0 4 Z I L A OY a n g s h e n g W A NZ h i j t m K A N GJ i a n r o n g A n 试h o d I I c l i 伽t oh o td l yr o c k 曲R g e o t h e n m le x p l o i t a t i o n M B 面h g S c i e n c eP r e s s t 2 0 0 4 i nC h i n e s e 黄炳香 邓广哲 王广地 温度影响下北山花岗岩蠕变断裂特性 研究 J 岩土力学 2 0 0 3 2 4 增 2 0 3 2 0 6 H U A N GB i n g x i a n g D E N GG u a n g z h e W A N GG u a n g d i R e s e a r c ho nc h a r a c t e ro f c r e e p a n dr u p t u r ef o rB e i s h a ng r a n i t eu n d e rt e m p e r a t u r ee f f e c t J R o c k a n dS o i lM e c h a n i c s 2 0 0 3 2 4 S u p p 1 2 0 3 2 0 6 i nC h i n e s e 赵阳升 孟巧荣 康天合 等 显微C T 试验技术与花岗岩热破 裂特征的细观研究m 岩石力学与工程学报 2 0 0 8 2 7 1 2 8 3 4 Z S A OY a n g s h e n g M E N GQ i a o r o n g K A N GT i a n h e e ta 1 M i c r o C re x p e r i n l e i R a t e c h n o l o g ya n dm e s o i n v e s t i g a t i o nO i lt h e r m a l f r a c t u r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg r a n i t e J C h i n e s eJ o u r n a lo