白垩系冻结岩石的力学试验及其损伤演化声发射特征研究

【摘要】：我国西部矿区井筒建设需要穿越侏罗系、白垩系地层,且该地层成岩晚,胶结强度低,软弱富水,极易造成渗水及淹井事故发生。目前富水软弱岩层冻结研究均严重滞后于工程建设的需要。岩石的破坏始于拉应力引起的微裂隙,开展在中生代富水软弱岩层在冻结过程中的物理力学性质的研究对于掌握该地层岩石在冻结过程中的损伤劣化程度有重要的研究意义。本文选取内蒙鄂尔多斯梅林庙矿区白垩系地层中粒砂岩和砂质泥岩为母材,分别进行了岩石结构的微细观特征分析,并研究了两种岩石在负温条件下的巴西劈裂试验及单轴压缩试验,通过实时监测试验过程中岩石试样内部的声发射活动,揭示了负温冻结岩石内部损伤劣化的规律。分析了三轴渗流试验中冻融后泥质砂岩变化特征,通过粘贴在三轴压力室外壁的声发射探头研究了试验过程中的试样内部的劣化规律。针对单轴和三轴的试验数据,分别探讨了负温和围压对岩石的起裂和扩容特征的影响,得到了以下结论:1.冻结岩石在劈裂试验中的声发射研究通过对中砂岩和砂质泥岩的细观结构发现,砂岩由不规则的砂颗粒胶结而成,孔隙大,颗粒直径在0.5~1 mm范围的含量最多;泥岩细观结构相对紧密,冻结后裂隙中水分相变成冰,其体积膨胀引起的冻胀作用使得泥岩表面微裂隙不同程度的张开,造成冻结初始损伤。砂岩的劈裂抗拉强度随着试验温度的降低而增加;常温下砂岩的劈裂抗拉强度随含水量的增加而减小,而负温冻结砂岩的变化相反。常温含水砂岩的平均劈裂抗拉强度为0.614 MPa,而负温下的砂岩的平均劈裂抗拉强度分别为1.563 MPa(-10℃)和1.778 MPa(-20℃),增加了154.6%(-10℃)和189.6%(-20℃)。泥岩的劈裂抗拉强度与砂岩的变化相反。由于受裂隙水相变冻胀造成的初始劣化损伤,泥岩的劈裂抗拉强度随温度的降低而减小,常温泥岩试样的平均劈裂抗拉强度约为4.25 MPa,而低温冻结泥岩的平均劈裂强度分别为3.13 MPa(-10℃)和2.84 MPa(-20℃),分别降低了26.35%和33.18%。含水量也是造成劈裂抗拉强度变化的重要原因。声发射能量、幅度和峰值频率三参数从不同角度揭示了岩石在负温试验过程中的内部变化特征,综合三参数变化规律较好的反映负温下岩石内部在加载过程中的微裂隙萌生、扩展、发育、汇集、破坏的劣化损伤过程。2.冻结岩石在单轴压缩试验中的声发射研究砂岩试样的主要成分为石英、斜长石与钾长石构成,其中石英含量最高,达到43.0%。砂颗粒表面风化严重,有明显的碎屑剥落现象,颗粒之间胶结较弱,孔隙较大且贯通性良好,颗粒之间的孔隙通道畅通,渗透性好。而泥岩的裂隙发育,但开度仅为1~10μm。地质构造作用使得泥岩由呈薄片状颗粒胶结而成,在外力及水的作用下,这种胶结作用易被破坏,使得片状颗粒相互错动变形。声发射能量和幅度的综合分析表明砂岩和泥岩在冻结过程中声发射活动主要集中在冻结前期,随着冻结时间的增长,声发射活动逐渐减少,冻结损伤逐渐减弱。冻结过程中砂岩的峰值频率主要集中在50~100khz和150~170khz两个频率范围,而泥岩的峰值频率主要在110~120khz和160~170khz的范围。孔隙冰填充了砂岩内部孔隙并承担部分荷载,砂岩的单轴抗压强度随着温度的降低而增加。常温砂岩的强度17.918mpa,而低温试验下的冻结砂岩强度较常温试样分别增加了44.83%(-10℃),82.59%(-20℃)和95.99%(-25℃)。泥岩本身结构裂隙开度小连通性较差,岩石渗透性差,泥岩的单轴强度随温度降低增加较少,-20℃和-25℃的冻结泥岩其单轴抗压强度分别为43.81mpa和46.11mpa,较常温泥岩的强度分别增加了1.73%和4.03%。常温砂岩和泥岩在压密阶段几乎没有声发射活动产生,而冻结砂岩在此阶段却不断有声发射活动,随着温度的降低,其声发射活动越活跃。声发射能量、幅度的变化与试验过程中的应力-应变曲线变化相对应,揭示了负温冻结岩石内部在试验过程中的变化特征。3.基于声发射能量参数的冻结岩石损伤演化研究不同温度下砂岩和砂质泥岩在劈裂试验中的累计声发射能量变化曲线可以分为初始加载阶段(Ⅰ),稳定扩展阶段(Ⅱ)和迅速破坏阶段(Ⅲ)三个阶段。基于累计声发射能量变化建立的损伤变量d描述了负温下砂岩和泥岩内部损伤演化过程,同样可以将其损伤过程分解为三个阶段,即初始损伤阶段、损伤发展阶段和损伤破坏阶段。冻结过程中的砂岩,由于内部孔隙水在负温环境中相变膨胀,导致岩石颗粒之间边界产生不协调变形,造成冻结过程中的初始损伤。砂岩的累计声发射能量变化呈现阶跃式增长,随着冻结时间的增加,砂岩内部的声发射活动逐渐减少,累计声发射能量基本不再发生变化,通过拟合给出了砂岩在冻结过程中损伤演化方程。单轴试验过程中负温冻结砂岩的累计声发射能量变化呈现阶跃式累积损伤,在每一级损伤后均有一段平静期,每一次的阶跃表明岩石内部进一步的损伤,而常温砂岩的变化则是损伤持续累积直至试样破坏。试验过程中常温砂岩的损伤在加载初期较小,经历了较长时间的累积后突然破坏。而低温冻结砂岩的损伤过程则呈现出了阶梯式的累积增长破坏过程。泥岩在冻结过程中的累计声发射能量变化历时较短即达到了平稳阶段。冻结砂岩和砂质泥岩在正冻过程的损伤存在时间极限,随着冻结时间的增加,其损伤程度逐渐变缓。单轴试验过程中的累计声发射能量变化也是呈现了阶跃式增加趋势,但与砂岩有所不同,泥岩在试验中的平静期仍然在累积增长。与砂岩相比,泥岩在加载中损伤量增长较快,直至突然破坏为止。4.单轴冻结岩石的起裂与扩容分析常温砂岩的起裂应力较低,均在在0.5~1.0mpa的范围;而负温试验中的冻结砂岩,由于内部孔隙冰的存在,使其起裂应力均高于常温砂岩。考虑到岩石本身的差异性对起裂应力的影响,选取起裂水平作为参考。常温砂岩的起裂水平集中在0.051~0.076的范围,-5℃的冻结砂岩其起裂应力水平较接近,约为0.09左右,-10℃~-25℃的冻结砂岩起裂应力水平变化差异较大,通过拟合给出了不同温度下砂岩起裂应力水平的变化范围。岩石内部含水量的不同也是引起起裂应力水平差异的重要原因。冻结砂岩的扩容应力随着温度降低有所提升。常温砂岩的扩容应力约在4~7mpa的范围;通过数据拟合给出了不同温度扩容应力与峰值应力的关系。扩容应力比具有良好的相关性,常温砂岩的扩容应力比值较小,主要集中在0.3~0.4的范围,负温下冻结砂岩的扩容应力比有所增长,研究了负温砂岩扩容应力比的范围。同一试验温度下的砂质泥岩,其起裂应力随着峰值应力的增加而呈现不同程度的增长。-10℃的冻结泥岩其起裂应力水平最高,在0.3~0.4的范围,而其它负温的冻结泥岩主要集中在0.15~0.25的范围,常温泥岩的起裂应力水平最低,均在0.1~0.15的范围,通过拟合给出了不同温度泥岩的起裂应力水平变化范围。泥岩在负温下的扩容应力变化趋势与起裂应力变化相近,常温泥岩的扩容应力随着其峰值强度的提高而增加,-10℃的冻结泥岩其扩容应力基本不变,-20℃和-25℃的冻结泥岩扩容应力较小,主要集中在7.5~12.5mpa的范围,表明了其内部由裂隙冰冻胀造成的损伤劣化程度更高。泥岩内部的含水量对其后期的扩容应力影响明显,其扩容应力比值随着含水量的增加而降低。5.冻融泥质砂岩的三轴渗流试验研究浸水泥质砂岩在冻结后孔隙、裂隙中的水分在低温环境中相变成冰,冻结过程中的冰的冻胀力引起岩石内部微裂隙的产生和孔隙的扩展,使得砂岩整体的致密程度减小,导致了岩石在冻融以及加载破坏前后纵横波速的迅速降低。孔隙水压恒定为3mpa,冻融后砂岩的强度随着围压的增加而增大,围压25mpa的岩石试样的偏应力值最大,达到69.24mpa,较围压分别为20mpa和15mpa的砂岩试样,分别增长了11.82%和31.84%;偏应力作用使得8mpa围压下砂岩试样渗透率达到增长了64.86%。15mpa和20mpa围压下岩石的渗透率变化呈现阶段性增长,与其受荷载后内部结构的变形相关。25mpa围压下的砂岩试样其渗透率变化最小,高围压对岩石的渗透率影响明显。岩石的渗透率变化峰值均滞后于岩石的峰值应力。通过粘贴在三轴压力室外壁的声发射探头分析了不同围压下泥质砂岩的三轴渗流试验中的声发射特征。提取声发射能量、幅度和峰值频率研究了试验过程中的声发射特征变化规律。8 MPa围压下的砂岩试样在整个加载过程中声发射活动最多,而其它围压条件下由于围压下岩石内部孔隙、裂隙进一步被压密,整体致密性和刚度得到提高,试验过程中的声发射活动相对较少。累计声发射能量的变化与岩石在试验过程中的渗透率变化较好的吻合,其变化过程反映了岩石内部的损伤演化过程。岩石在加载过程中,其体积应变在三向应力作用下经历了体积压缩和体积扩容两个阶段。先期围压作用下,岩石内部的竖向裂隙首先被压密,施加轴向荷载后,偏应力作用下使得岩石内部的横向裂隙开度进一步减小。通过拟合得到了冻融后泥质砂岩在不同围压条件下的起裂应力水平和扩容应力比值变化曲线。建立了岩石冻胀后的渗透模型,分析不同参数对岩石渗透系数的影响规律;并通过COMSOL多物理场耦合软件对岩石的微观结构重构模型进行了渗透特征研究。