盐岩损伤特性表征方法试验研究与理论分析

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盐岩是地下能源储备的理想介质,中国的盐岩地下储备库正处于大规模建设之中。与国外的巨厚盐丘构造不同,我国盐矿地质条件复杂,单层厚度薄、杂质含量高,岩体力学特性与损伤演化规律更为复杂。利用自主研发的岩石声波-声发射一体化测试装置,系统地研究了盐岩在加载破坏过程中的声波与声发射特点,分析得出盐岩的损伤演化参量与基本力学参数,并以此作为盐岩损伤演化特性的表征指标。主要完成如下工作:  (1)自主研发了一套岩石声波与声发射一体化同步测试装置,它主要由声波测试系统,声发射测试系统,数据采集、存储、处理系统三部分组成,可以实现一次加载试验过程中的岩石声波与声发射信息的同步监测。为了验证该装置的适用性,将其应用于盐岩、大理岩、花岗岩的单轴加载试验以及盐岩的三轴加载试验中,均获得了较为理想的试验效果。结果表明,所研发的测试装置性能稳定,测试数据精度较高,为探索岩体的破裂机理及损伤定量评价提供了新的研究手段。  (2)单轴压缩试验过程中盐岩声波与声发射活动规律:加载初期,盐岩裂纹体积减少,超声波波速显著增加,声发射事件极少,约占声发射事件总量的0.04%;弹性压缩阶段时,盐岩体积应变增大,纵横波波速保持稳定,声发射活动较弱,约占声发射事件总量的2.66%;裂纹稳定增长阶段时,横波波速缓慢下降,盐岩声发射开始活跃,约占声发射事件总量的13.8%;裂纹加速增长阶段时,纵横波波速均开始显著降低,声发射活动最为激烈,并呈现震群型特征,数量约占声发射事件总量的75.2%;峰值应力后,岩体波速降至最低,有少量声发射事件产生。  (3)三轴压缩试验过程中盐岩声波与声发射活动规律:在整个加载试验过程中,盐岩的纵波波速一直较为稳定,横波波速对应力的反应更为敏感,在岩体破裂损伤后期呈现明显的下降趋势;试验初期,盐岩的声发射事件较少,随着应力的进一步增大,声发射活动开始变得活跃,并一直持续至试验结束。研究了不同围压下盐岩的声发射活动规律,结果表明,当岩体轴向应变达到10%时,围压5MPa、10MPa、15MPa、20MPa时岩石的声发射事件数量分别为16271个、8764个、3041个和906个,可见,围压应力越高,岩体声发射事件数量越少,这就是“围压致密效应”。  (4)研究了单轴、三轴循环荷载条件下,盐岩的超声波波速特征与声发射活动规律。结果表明,盐岩的超声波波速和声发射活动与应力状态表现出良好的一致性。加载过程中,纵横波波速上升,声发射活跃;卸载过程中,纵横波波速下降,声发射平静。统计应力与声发射事件活动规律,得到盐岩受载过程中的Felicity比,结果表明,随着循环试验的进行,岩体的损伤程度逐步累积,Felicity比呈现降低趋势。比较不同围压下岩石的Felicity比可知,围压应力越高,盐岩的Felicity比也较高。  (5)利用岩石的超声波波速信息,计算得到岩体破坏过程中的波速比与裂隙密度变化;依据岩石的声发射能量特点,定义损伤变量Dw描述岩体的损伤演化过程。结果表明:初始损伤阶段时,岩体处于压密阶段或弹塑性应变阶段初期,损伤变量Dw很小,声发射能量释放程度低,岩体结构完整;损伤稳定发展阶段时,盐岩损伤变量Dw逐步加大,声发射活动开始活跃,岩石内部新生裂纹萌生、拓展;损伤加速发展阶段中,损伤变量Dw处于较高水平,声发射能量大量释放;损伤破坏阶段时,岩石内部产生宏观破坏面,岩体损伤严重,此时盐岩依然具有较高的承载能力,声发射活动有所减弱,但活跃性依然较高。  (6)盐岩地下储气库腔体以钻井水溶方式开采,溶腔形态可见性差、形态发展可控性难度高,针对畸形溶腔进行科学的稳定性评价是保证其安全运营的重要手段。通过室内岩石力学试验,结合岩体的声波、声发射信息,判定得到盐岩的基本力学参数;将变权和相对差异函数理论引入到盐岩溶腔的安全评价中,建立适用于盐穴储气库畸形单腔的稳定性评价模型,首次以溶腔声纳测腔数据为基础,建立三维真实仿真模型并进行数值模拟,将数值模拟结果作为评价指标的评分依据,最后应用该方法对金坛储气库某腔体进行稳定性评价,并针对评价结果提出安全改善措施。
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