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预存微裂纹对岩石破碎性能的影响研究

预存微裂纹对岩石破碎性能的影响研究

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作者：李继铭吉林大学

学位级别：硕士

近年来,随着经济发展,能源需求日益增长,深部资源的开发利用逐渐引起重视。目前,钻探工程中仍然以机械破岩为主要方法。由于深部岩石赋存于高围压、高上覆岩层压力的地质环境中,岩石表现出高强度、高研磨性等物理力学性质。导致传统的... 详细信息

近年来,随着经济发展,能源需求日益增长,深部资源的开发利用逐渐引起重视。目前,钻探工程中仍然以机械破岩为主要方法。由于深部岩石赋存于高围压、高上覆岩层压力的地质环境中,岩石表现出高强度、高研磨性等物理力学性质。导致传统的机械刀具破岩方法存在钻速（ROP）低、钻头磨损快、钻井成本高等问题,阻碍了深部资源的开发利用。因此,研究适合深部硬地层的新破岩理论与技术迫在眉睫。关于新型破岩理论与技术,学者们提出了火焰射流、液氮、超临界CO2、水射流、电脉冲等众多方案。这些技术尚不足以取代采用刀具直接破岩,但可作为机械破岩前的预处理手段在岩体内产生微裂纹或裂隙,有效降低岩石破坏的阈值,并减少刀具的损伤及更换。这种通过新型破岩技术预先弱化岩石,从而降低后续机械破岩难度的方法通常被称为新型辅助破岩方法。目前对于新型辅助破岩方法的研究主要基于宏观试验与工艺参数,探索更优破碎效率的工艺参数组合。新型破岩技术多是基于岩石宏观力学性质与内部微裂纹的密切联系提出的。但不同破岩方法之间的工艺参数迥异,导致不同破岩技术间难以对比。因此,量化分析微裂纹对岩石宏观力学性质与破碎性能的影响,可以为岩石弱化方法的设计和参数优化提供统一参考。本文通过热应力法在岩石中诱发微裂纹,并采用荧光环氧树脂浸渍结合图像处理的方法获取微裂纹形态参数,以探究不同密度、不同倾向等的微裂纹群对花岗岩宏观力学性能与破碎性能的影响。本文的主要研究内容与成果如下:（1）提取和量化了不同热损伤条件下的花岗岩的微裂纹形态,并对损伤后岩样开展了准静态和动态压痕实验。实验表明热应力法可以诱发出梯度明显的微裂纹,单个微裂纹长度分布均在0.2-1.1 mm之间,且受温度影响并不显著。压痕实验下微裂纹密度与峰值力、吸收能量存在良好的线性关系,与脆性指数存在幂律关系。表面微裂纹的总长度与力学特性的关系同样如此。微裂纹与岩石破坏性能的关系存在阈值。当微裂纹密度超过0.3 mm-1以及表面微裂纹总长度超过1400mm时,破碎坑的深度与体积迅速上升。为以更少的能量消耗获得更大的弱化效果,应当选择合适的微裂纹参数作为判断指标。在这项研究中发现,当微裂纹密度较高时,分形维数对于微裂纹变化的敏感度不高。这说明在微裂纹密度较高时,分形维数作为微裂纹评价指标适用性不佳。（2）对含不同程度预存微裂纹的花岗岩样品开展了单轴压缩和巴西劈裂声发射试验。实验结果显示,预存的微裂纹会显著影响岩石的断裂行为和机理,影响程度取决于预先存在微裂纹和后续的应力诱发微裂纹的相对优势。将预存微裂纹的线性密度作为判定标准,当预存微裂纹密度较低时,岩石破坏以拉伸破坏模式为主导,反之将以剪切破坏模式为主。而微裂纹的各向异性程度对断裂模式的影响并不显著。岩石强度与微裂纹密度呈负相关关系,存在一个微裂纹密度的最佳区间,可对岩石产生理想的弱化效果。（3）为了解表面局部预存微裂纹的岩石的钻齿破岩机理,采用压痕试验来评估岩石表面附近预存微裂纹对花岗岩岩石力学响应和破碎性能的影响。试验结果表明,微裂纹的扩展需要一定的初始长度,太短的预存微裂纹对其继续扩展没有明显的积极作用。当单位面积中微裂纹数量较多时,微裂纹会相互交叉,更易在机械应力作用下扩展合并,形成岩屑。而且破岩比功的变化对单位面积微裂纹数量更为敏感。

关键词：预存微裂纹微裂纹量化热处理岩石力学性质岩石破碎

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