高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第27 期2023,23(27):11778-08科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:谢梓涵,李宇白,翟越.高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响J.科学技术与工程,2023,23(27):11778-11785.Xie Zihan,Li Yubai,Zhai Yue.Influence of high temperature-water cooling cycle on impact compression mechanical p
2、roperties of graniteJ.Science Technology and Engineering,2023,23(27):11778-11785.高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响谢梓涵,李宇白,翟越(长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054)摘 要 干热岩开采等实际工程中高温-水冷循环和强扰动加剧了岩体力学性能的劣化,极易影响工程安全性和经济性。为研究高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响,对 400 下经历不同次数(0、2、4、6 次)高温-水冷循环后的色季拉山花岗岩进行物理性质试验,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pr
3、essure bar,SHPB)进行冲击压缩试验,通过破碎形态和分形维数分析花岗岩试件破碎规律。结果表明:随着循环次数的增加,花岗岩外观颜色变暗、变黄,表面裂纹增多,粗糙程度增大;花岗岩密度、P 波波速、动态抗压强度与循环次数均呈负相关,P 波波速和动态抗压强度在前 2 次循环期间分别急剧下降 42.53%和 4.57%10.80%;在相同循环次数下,花岗岩动态抗压强度随加载速率的增大而显著增加,表现出明显的应变率强化效应;在相同加载速率下,花岗岩破碎程度随循环次数的增加而加剧,在相同循环次数下,花岗岩主要破坏形式随加载速率的增加由劈裂破坏变为块状、粉碎破坏;花岗岩分形维数变化规律与破碎形态变
4、化规律一致,经历 6 次高温-水冷循环,分形维数增幅为 3.44%11.52%。关键词 花岗岩;高温-水冷循环;SHPB;动态力学性能;分形维数中图法分类号 TU458;TU42;TU452;文献标志码 A收稿日期:2022-11-18;修订日期:2023-06-25基金项目:国家自然科学基金(211026220437)第一作者:谢梓涵(2000),男,汉族,河北定州人,硕士研究生。研究方向:岩石动力学。E-mail:xiezihan 。通信作者:李宇白(1991),男,汉族,陕西西安人,博士,讲师。研究方向:岩石动力学、地下空间安全。E-mail:liyubai 。Influence of
5、High Temperature-Water Cooling Cycle on ImpactCompression Mechanical Properties of GraniteXIE Zi-han,LI Yu-bai,ZHAI Yue(School of Geological Engineering and Geomatics,Changan University,Xian 710054,China)Abstract In practical projects such as dry hot rock mining,high temperature water-cooling cycle
6、and strong disturbance aggravatethe deterioration of mechanical properties of rock mass,which easily affects the safety and economy of the project.In order to study theinfluence of high temperature-water cooling cycle on the impact compression mechanical properties of granite,physical properties of
7、Se-jila Mountain granite after different times(0,2,4,6 times)of high temperature-water cooling cycle at 400 were tested.Split Hop-kinson pressure bar(SHPB)was used for impact compression test.The fracture law of granite specimen was analyzed by fracture mor-phology and fractal dimension.The results
8、show that with the increase of cycle times,the appearance of granite becomes dark andyellow,the surface crack increases,and the roughness increases.The density,P-wave velocity and dynamic compressive strength ofgranite were negatively correlated with the number of cycles.The P-wave velocity and dyna
9、mic compressive strength decreased sharplyby 42.53%and 4.57%10.80%during the first two cycles,respectively.Under the same number of cycles,the dynamic compres-sive strength of granite increases significantly with the increase of loading rate,showing obvious strengthening effect of strain rate.Atthe
10、same loading rate,the fracture degree of granite deteriorates with the increase of the number of cycles.At the same number of cy-cles,the main failure modes of granite change from splitting failure to block failure and crushing failure with the increase of loadingrate.The change law of fractal dimen
11、sion of granite is consistent with the change law of fracture morphology.After six high-temperatureand water-cooling cycles,the fractal dimension of granite increases by 3.44%11.52%.Keywords granite;high temperature-water cooling cycle;SHPB;dynamic mechanical properties;fractal dimension 近年来,随着化石能源逐
12、渐枯竭和环境污染日趋严重,地热能迅速发展1-2。目前,全球主要利用增强型地热系统(enhanced geothermal system,EGS)来提取干热岩中储存的热能并用于发电3-6。在干热岩开采过程中,高温井壁与低温钻井液直接接触,井壁岩石急速冷却7-8,干热岩体经历了多次高温-水冷循环。此外,由于钻井作业产生的扰动载荷作用,岩石力学性能进一步劣化,井壁附近岩石稳投稿网址:2023,23(27)谢梓涵,等:高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响11779定性下降,极易造成井壁坍塌事故,甚至诱发地震等突发性地质灾害。因此,为了安全、持续、稳定地开发利用干热岩地热资源,研究高温-水冷
13、循环作用对岩石动态力学性能的影响具有重要工程意义。目前,国内外众多学者围绕高温后和高温下岩石的静态和动态力学性能开展了大量试验研究。在静力学方面,贾蓬等9在不同温度(25 800)下对高温-水冷却后的花岗岩试件开展单轴压缩试验,发现抗压强度、弹性模量与温度均呈负相关,并且得出 800 是弹性模量开始迅速降低的临界温度。Chen 等10在不同温度(25 800)下对高温-水冷却后的花岗岩试件开展单轴压缩试验,发现花岗岩峰值应力和弹性模量在 20 400 和 600 800 的温度范围内均随温度的升高而降低,在400600 温度范围内则均随温度的升高而增加。Xu等11在不同温度(25 850)实时
14、高温下对花岗岩开展单轴压缩试验,发现花岗岩峰值应力、弹性模量与实时高温温度均呈负相关。在动力学方面,平琦等12采用分离式霍普金森压杆(split Hopkin-son pressure bar,SHPB)试验装置对常温和经历100 800 高温作用后的石灰岩试件进行0.5 MPa冲击气压下的冲击压缩试验,发现试件动态抗压强度和动态弹性模量随温度升高表现为先小幅上升再大幅下降,破坏程度随温度上升而加剧。Fan等13采 用 SHPB 试 验 装 置 对 不 同 温 度(25 800)高温作用后的花岗岩进行冲击压缩试验,发现花岗岩动态抗压强度随温度的增加呈线性下降趋势。Guo 等14采用 SHPB
15、试验装置对不同升温速率(0、2、20、40 /min)和不同高温(400、600、800)下的花岗岩进行冲击压缩实验,发现花岗岩动态抗压强度、动态弹性模量与升温速率、温度均呈负相关,与峰值应变则呈正相关。国内外学者对高温循环作用后岩石的静态和动态力学性能开展了试验研究。在静力学方面,余莉等15对不同温度、不同高温-水冷循环次数下的花岗岩开展单轴压缩试验,发现相比循环次数的增加,温度升高对花岗岩物理力学性质的劣化作用更为强烈。彭海旺等16对 300 下经历不同次数高温水冷热冲击的花岗岩进行静态压缩试验,发现随着循环次数的增加,花岗岩抗压强度下降,破坏模式转变。杨敏等17对不同循环升温-水冷条件下
16、的花岗岩试件进行单轴压缩试验,发现升温导致花岗岩强度呈降低趋势,整体塑性增强,而循环次数的增加使岩石脆性提高。在动力学方面,Gao 等18采用 SHPB 试验装置对 500 C 下高温循环作用 0、1、3、5、7 次后的花岗岩试件进行 3 种冲击气压下的冲击压缩试验,发现花岗岩动态抗压强度随循环次数的增加呈指数函数下降趋势,并且应变率对动态抗压强度有明显强化效应。综上所述,学者们的研究主要集中于高温对岩石力学性能的影响,围绕高温循环后岩石静力学特性的研究也已取得较多成果,而针对高温循环后岩石动力学特性的研究相对较少,且冷却方式多为自然冷却,对水冷却鲜有研究。在干热岩开采等工程实际中,岩石往往处
17、于高温-水冷循环和动态荷载相互耦合的复杂应力状态之中,高温-水冷循环作用对岩石动态力学性能的影响有待进一步研究。鉴于此,现对经历不同次数高温-水冷循环后的花岗岩试件进行物理性质试验、冲击压缩试验和筛分试验,分析其物理性质劣化规律、冲击压缩力学性能变化规律、应变率效应及破碎分形规律,完善其动力学特性研究成果,以期为干热岩的安全开采提供参考。1 试验设备与方法1.1 试件制备本试验所采用的试件均来自色季拉山花岗岩体。试件主要矿物成分为:石英(53.4%)、斜长石(25.4%)、钾长石(6.8%)、云母(7.2%)、绿泥石(2.2%)和磁铁矿(5.0%)。根据工程岩体试验方法标准(GB/T 5026
18、2013),花岗岩试件加工为直径为 49 mm、高度为25 mm的圆柱形,试件高径比为 0.51。本试验循环次数设置为 0、2、4、6 次,加载速率设置为 8.6、14.6和 18.8 m/s,共 12 种工况,每种工况重复 3 次,共36 块花岗岩试件,所用试件如图 1 所示。经测量,本试验选取的试件平均密度为 2.63 g/cm3,密度变异系数为 0.40%;平均 P 波波速为 3.51 km/s,波速变异系数为 2.81%。图 1 花岗岩试件Fig.1 Granite specimen投稿网址:11780科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engine
19、ering2023,23(27)1.2 高温-水冷循环试验适合商业开发的干热岩储层主要是花岗岩,深度为5 6 km,温度可达500 19。此外,根据相关研究成果,400 高温循环温度是影响岩石动态力学性能的重要温度阈值20,因此,本试验将目标温度设置为 400。在 P 波波速检测试验中,循环次数由 4 次增加至 6 次,花岗岩试件的波速变化幅度很小,仅有 7.5%,因此,本试验将最大循环次数设置为 6 次。将常温花岗岩试件在 SX2-8-12TP 型高温电阻炉内以 10 /min 的升温速率加热至目标温度,随后保持恒温2 h,使各试件受热均匀;打开炉门,将试件快速放入水中冷却至室温。将上述过程
20、定义为一次高温-水冷循环,分别重复 2、4、6 次,从而得到不同工况高温-水冷循环花岗岩试件。1.3 冲击压缩力学试验采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统(图 2)进行冲击压缩力学试验。杆件弹性模量为210 GPa,密度为 7 800 kg/m3,撞击杆、入射杆、透射杆长度分别为 500、2 500 和 2 000 mm,各杆件直径均为50 mm。本次试验冲击气压设置为 0.2、0.4 和0.6 MPa,对 应 加 载 速 率 分 别 为 8.6、14.6 和18.8 m/s。经测算,本工况下平均应变率为 102103s-1。图 2 SHPB 系统Fig.2 SHPB system收集冲击压
21、缩试验后破碎的试件,采用 ZBSX-92A 型震击式标准振摆仪对破碎试件进行筛分试验,筛孔直径分别为 0.5、2.36、4.75、9.5、13.2、16和 19 mm。2 试验结果分析2.1 外观分析分别对经历 0、2、4、6 次高温-水冷循环后的花岗岩试件进行外观观测,试件外观如图 3 所示。从图 3 可以看出,随着循环次数的增加,试件表面颜色由灰白色逐渐变为暗黄色,并且粗糙程度逐渐增大;从图 3(c)可以看出,循环 4 次时,由于花岗岩中含铁矿物磁铁矿的氧化,试件表面有棕橙色斑图 3 不同循环次数下的花岗岩外观Fig.3 Appearance of granite under differ
22、ent cycles点出现;从图 3(a)图 3(c)可以看出,花岗岩试件在经历 4 次循环后底面开始出现裂纹(红色虚线);从图 3(d)可以看出,花岗岩试件在经历 6 次循环后底面部分边缘处发生破碎,裂纹数量增多、长度增长、深度加深。这说明高温-水冷循环作用使花岗岩内部的矿物成分发生了复杂的理化反应,对花岗岩有一定劣化作用。2.2 密度、P 波波速变化规律经历 0、2、4、6 次高温-水冷循环后花岗岩试件的体积、质量、密度和 P 波波速等基本物理性质参数如表 1 所示。各项数据均为去掉最大值和最小值后的平均值。表 1 基本物理性质参数Table 1 Basic physical proper
23、ty parameters循环次数体积/cm3质量/g密度/(kg m-3)P 波波速/(km s-1)046.826123.3432 634.03.513246.616122.3882 625.52.019447.254123.6322 616.41.782647.922124.9722 607.81.649投稿网址:2023,23(27)谢梓涵,等:高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响11781 可以看出,花岗岩试件密度随循环次数的增加整体呈下降趋势。根据表 1 中数据,经历 6 次高温-水冷循环,花岗岩密度由 2 634.0 kg/m3下降至2 607.8 kg/m3,降幅为
24、 0.99%。分析认为,试件质量的减小和体积的增大导致了其密度的降低。质量减少有两方面的原因,一方面,花岗岩内部附着水在100 左右逸出,结合水在100 300 的温度范围内逸出,结晶水在 400 以内的温度范围从岩石内部析出,并汽化逸出21,随着加热升温至 400,试件内部水分不断蒸发;另一方面,高温作用大大减弱了花岗岩内部矿物成分间的胶结能力,导致脱落的矿物颗粒增多。此外,加热过程中的高温作用使花岗岩内部矿物晶体膨胀,高温-水冷循环作用产生的循环热应力导致花岗岩内部裂纹增多,从而造成试件体积的增大。因此,随着循环次数的增加,试件密度逐渐降低。P 波波速能够很好地反映岩石内部的损伤情况,岩石
25、内部越致密、均质性越好,波速越大。根据表 1 中数据,花岗岩试件 P 波波速随循环次数的增加呈先快后慢的下降趋势。试件经历 6 次高温-水冷循环,波速由 3.513 km/s 下降至 1.649 km/s,降幅高达53.06%,试件经历2 次高温-水冷循环,波速降幅高达 42.53%,而之后每两次循环间的降幅则分别为 11.74%、7.46%。分析认为,岩石内部因裂纹产生而出现的空洞和不密实区会降低超声波传播速度,P 波波速的下降说明随着循环次数的增加,试件内部裂纹不断产生、扩展,试件损伤程度逐渐增大。当循环次数达到 4 次,试件内部裂纹与空洞的增长速度有所减缓,当循环次数增加至 6 次,试件
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