摘要
通过室内试验和数值模拟相结合的方式,研究了花岗岩在高温作用下物理性质和力学性能的演化规律,探讨了岩石内部微观特征随温度的演变过程,进而分析了高温后裂隙岩体剪切过程中渗流特性的变化规律。研究成果为加强水力剪切技术在增强地热系统中的作用,提高地热储层渗透性及推动深部地热资源开发提供有效数据支撑。论文主要内容及结论如下。对25℃~900℃高温后的花岗岩开展了单轴压缩和变角剪切试验,并采集试验中岩石的声发射信号,同时量测了岩石高温前后的密度和波速。结果发现:温度升高导致花岗岩力学性能减弱,使岩石破坏特征由脆性逐渐转变为延性,随着温度的升高,花岗岩单轴抗压强度、弹性模量、抗剪强度和粘聚力均呈减小趋势,而峰值应变和内摩擦角均呈增大趋势;在500℃~600℃时岩石力学特性发生显著变化,这是由花岗岩内部石英相变和孔隙变化以及裂隙结构迅速发育造成的。声发射活动随温度升高变得平缓,峰值计数下降,持续时间变长。此外,温度升高导致花岗岩内部水分逸出,体积膨胀,孔隙增多和裂隙结构发育,岩石密度和波速逐渐减小。对高温后花岗岩分别开展了SEM、CT和MIP试验,探讨了多尺度岩石裂隙结构随温度的演变过程,研究表明:从SEM图像中观察到,温度升高导致岩石内部裂纹萌生并交错,裂纹开度逐渐增大;CT扫描结果表明,随着温度升高,岩石内部逐渐发育成裂隙网络,并且高温使裂隙网络结构复杂化和分布均匀化;分析MIP试验结果发现,高温使岩石孔隙率增大,孔隙分布由离散变得集中。通过劈裂试验和3DSS扫描系统获得了高温后裂隙面三维形貌,依据上述力学试验得到的特性参数和Indraratna模型模拟裂隙岩体剪切滑移并生成裂隙开度空间数值模型,基于ANSYS FLUENT平台开展数值计算得到高温裂隙岩体剪切过程中的渗流特性。研究发现:裂隙面粗糙度随温度升高而逐渐增大;温度升高使裂隙空间开度减小和接触区域增大,而剪切位移增大导致开度增大和接触面积减小;随着温度升高,裂隙内水流量减小、等效渗透系数减小而临界水力梯度增大,反之随着剪切位移增大,流量增大、等效渗透系数增大而临界水力梯度减小。对高温后花岗岩的物理力学性质、微观特征及高温裂隙岩体剪切渗流特性进行总结分析,结果发现高温使花岗岩内部水分逸出、孔隙增大和裂隙发育,导致力学性能弱化及剪切滑移后的导水能力减弱,并且500℃~600℃可视为花岗岩微观结构、力学性能和剪切渗流特性发生突变的临界温度区间。本文有图74幅,表18个,参考文献129篇。