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《重庆大学》 2012年
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含夹层盐穴建腔期围岩损伤灾变诱发机理及减灾原理研究

陈结  
【摘要】:我国目前正进入盐穴能源储库大规模建造时期,而国内盐矿地层中含有大量的难溶或不溶夹层,使得盐穴储库建造变得更加困难,从而增加了盐穴储库建造过程中发生灾变的可能性。因此,充分掌握含夹层盐穴储库建腔期灾变诱发机理,并提出合理科学的减灾理论和方案,这是保障含夹层盐穴储库安全成功建造的关键。 含夹层盐穴储库水溶建造期最为关键的至灾因素是围岩损伤破坏而诱发的系列灾害,如围岩大变形造成套管鞋破坏,夹层软化垮塌砸弯或砸断造腔套管,腔体应力集中过大导致围岩失稳等灾害。因此,论文重点在掌握含夹层盐穴建腔期围岩损伤诱发灾变的机理,并基于相应的灾变机理提出科学合理的减灾方法。 (1)利用荧光法和细观分析手段对岩盐及夹层岩体表面裂隙扩展特征开展实验研究,掌握了盐岩、夹层和层状盐岩裂纹扩展扩展特征,并建立了针对张拉裂隙的裂纹起裂判据。研究发现晶粒尺寸、夹层矿物成份、层状岩盐中岩盐部分与夹层部分的交界面形态对裂纹演化扩展均有影响,一般粗晶粒岩盐的强度和变形能力均要小于高纯度细晶粒岩盐。 (2)分析卤水、温度、应力加卸等因素对腔体围岩的影响,获得了建腔期围岩损伤弱化规律,指出卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用而浸泡弱化作用非常小,而卤水浸泡是夹层弱化的最主要因素,温度升高会促进弱化作用。 (3)通过三轴卸围压试验揭示了盐岩在建腔期的变形机理,并建立考虑卸荷效应和蠕变的损伤本构方程。指出在轴压恒定的情况下,随着围压逐渐减小,盐岩不会出现体积收缩而是一直表现为膨胀变形。当围压卸荷到一定值时会出现加速卸荷扩容,标志盐岩内部裂隙开始发育。当卸荷完成后,试件变形进入蠕变状态,其蠕变速率受卸荷完成时的偏应力和围压控制。 (4)分析损伤盐岩在不同温度、湿度、应力环境下的损伤恢复特征,掌握盐穴建造期环境下盐岩损伤自愈合机理,建立了损伤与愈合的关系式。研究表明,试件内部张开性裂纹增多,越不利于损伤恢复,但通过一定的围压作用压合裂隙,对损伤恢复有帮助。在有水份补给的条件下,温度的升高会促进晶体内的晶粒再结晶作用,而仅有温度作用,且水分不断蒸发减少时,温度会抑制损伤恢复。 (5)利用“选定物理法则”搭建了模拟含夹层盐穴建腔期流场的相似模型实验平台,获得了含夹层盐穴造腔期腔内流场运移规律,指出腔内流场可划分为6个作用区:浮羽流区、对流扩散区、饱和沉淀区、缓冲扩散区、边界溶蚀区和瀑布流区。试验发现,注水流量、套管间距及相应的空间位置、夹层赋存状态、夹层数量和注水循环方式对流场运移均有影响。另外计算发现,卤水的非均匀流动对夹层也会产生不同程度的扰动水压力,但这种动水压力相对于夹层自身重力而言非常小,故卤水流动产生的压力不足以使夹层垮塌破坏。 (6)基于盐穴建腔期围岩损伤弱化机理提出相应的减灾方案。根据含夹层盐穴造腔特点及夹层水软化机理,建立了预测夹层弱化垮塌模型。并针对含夹层盐穴腔体形状不规则,不利于造腔控制,设计开发出能模拟含夹层盐穴建造的造腔软件,可较好地解决含夹层盐穴形状过度畸形诱发灾害。 (7)通过自行研发的造腔软件模拟多夹层盐穴水溶造腔过程中的腔体形状扩展过程,选取几个关键造腔阶段,并同时考虑盐穴建造期围岩损伤弱化特征,获得了几个关键造腔阶段围岩损伤区域分布规律。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TD311

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【参考文献】
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