近年来,随着我国新型资源开发力度的加大,高温问题在各种工程中越来越常见。核废料处置库选址以及煤炭地下气化技术等工程中岩石的热稳定性对工程的安全性与高效性意义重大,因此温度对岩石性质的影响是岩石力学研究中的一个重要课题。现有对岩石受温度影响的研究往往只测量各物理量的变化规律,而忽略了各物理量之间的联系以及造成变化的本质原因。以往采用的扫描电镜观测法也存在局限性,只能观察岩石表观形貌的变化,无法在有围压的条件下进行观测。因此本文采用多种试验手段,获得不同类型岩石质量、尺寸、波速、变异系数、孔隙度、渗透率等性质随温度变化规律,并结合扫描电镜直观观测结果,综合全面地分析岩石受热后内部结构演化规律。进一步根据岩石内部结构演化特征,建立适合不同类型岩石的波速-渗透率模型,为实现高温条件下采用超声波技术测量渗透率的技术提供理论依据。论文的主要研究内容和成果如下:1.获得了不同类型岩石各物理力学性质受温度影响的变化规律。根据岩石内部微观结构特征,对岩石进行分类(裂隙型岩石、孔隙型岩石和裂隙-孔隙型岩石),并选取五种典型的岩石(马峦山花岗岩、北山花岗岩、同忻砂岩、彭水页岩和龙口油页岩)进行高温试验研究。试验中对岩石的质量、尺寸、波速、孔隙度和渗透率等物理量进行测量,并根据各物理量测试试验的特点合理规划设计试验流程。岩石各物理力学性质随温度变化规律如下:(1)随着温度升高,岩石的质量逐渐降低。质量损失的主要原因为:a.岩石内部的吸附水、层间水、沸石水以及矿物结合水等的逸出;b.部分岩石中有机物的分解与挥发。由于孔隙度较大以及含矿物结合水成分多,孔隙型岩石质量损失率远高于裂隙型岩石。(2)岩石的尺寸参数(高度、直径和体积)随温度升高逐渐增大。油页岩特殊,升温过程中沿层理方向的尺寸参数会随温度的升高而降低,这主要与蒙脱石、方沸石等矿物脱水体积收缩有关。除油页岩外的几种岩石在550~600℃阶段均有体积剧增,这是由于石英相变产生了明显的体积膨胀。(3)岩石的轴向波速随温度的升高而降低。裂隙型岩石温度与波速近似呈线性关系,马峦山花岗岩和北山花岗岩在300℃和550℃左右存在两个波速突降阶段(表明大量裂纹的产生与扩展),在350℃左右存在波速微变阶段(表明裂纹量变化较小);孔隙型岩石温度-波速关系存在一个明显的加速变化转折点(石英相变温度),转折点前波速变化缓慢,转折点后波速急剧减小。(4)岩石的孔隙度随温度的升高逐渐增加。孔隙型岩石的孔隙度远高于裂隙型岩石。裂隙型岩石含水率较低,其孔隙度发生变化主要由热应力造成的;而孔隙型岩石含水率较高,其孔隙度发生变化主要由热应力及水分逸出共同作用造成的。与波速相同,裂隙型岩石的孔隙度也存在两个突增阶段和一个微变阶段,孔隙型岩石的孔隙度也存在明显的加速变化转折点。(5)随着温度的升高,岩石的渗透率逐渐增加。裂隙型岩石的渗透率随温度升高近似呈指数型增加;孔隙型岩石的渗透率在升温过程中有明显的下降阶段,造成该阶段的原因是,大颗粒团裂解和矿物脱氢作用使颗粒粒径快速减小,孔隙结构分散细化,对渗透率的减小作用大于孔隙度增加带来的影响,整体上造成了渗透率的回落。2.获得了不同类型岩石热处理后的微观形貌特征演化机制。采用扫描电镜对热处理的试件表面进行直接观测,分析了温度和放大倍数对裂纹统计的影响,统计了颗粒粒径的变化规律,结果如下:(1)统计了花岗岩和油页岩不同温度处理后的裂纹密度,发现温度和放大倍数都会引起裂纹密度的变化:温度越高,裂纹密度越大;放大倍数越大,裂纹密度越大。温度升高会导致裂纹的产生,使裂纹密度发生实质性增加;视野放大倍数增大会将小倍数下肉眼无法观测到的裂纹计入统计,从统计角度增加裂纹密度。(2)统计了花岗岩和页岩在50和500℃热处理后的颗粒粒径,发现岩石受热处理后颗粒粒径会明显减小,且分布更加集中。裂隙型岩石是由于热应力形成裂纹而减小颗粒粒径;孔隙岩石是由于黏土团脱水和矿物脱氢破坏颗粒共同作用减小颗粒粒径。(3)在对砂岩、页岩和油页岩的观测中发现,与周围粒径相差较大的大型颗粒周围较易形成明显的孔隙裂隙结构。这是由于热膨胀使大颗粒挤压周围小颗粒结构,使小颗粒结构产生不可恢复的变形,降温后大颗粒体积收缩,周围产生较大的孔隙裂隙结构。这也是孔隙型结构岩石内部结构受热演化的机理之一。3.建立了适用于不同岩石结构的波速-渗透率模型。对岩石物理力学性质随温度变化规律分析发现,岩石各性质之间是相互联系的,各性质变化的本质为岩石内部结构的演化。进一步,从理论上分析波速与渗透率之间的关系,结果如下:(1)基于Hudson裂隙介质模型,建立裂隙介质的波速-孔隙度模型,进一步结合广义Kozeny-Carman方程,建立适用于裂隙型岩石的波速-渗透率模型;将岩石材料看做背景材料与孔隙部分的组合,根据Reuss界限理论和多孔介质等效可压缩性,建立干燥多孔介质的波速-孔隙度模型,进一步结合广义Kozeny-Carman方程,建立适用于孔隙型岩石的波速-渗透率模型。(2)通过新建模型可反演得到岩石颗粒粒径随温度变化规律:低温阶段,颗粒粒径缓慢减小;达到阈值温度,颗粒粒径快速减小;高温阶段,颗粒粒径稳定,几乎不变。花岗岩颗粒粒径快速减小阶段与其第一个波速突降阶段对应,砂岩颗粒粒径快速减小阶段与高岭石脱氢温度对应。(3)基于岩石孔隙裂隙结构的自相似性,假设热处理前后裂隙纵横比、孔隙形状因子和颗粒形状因子等均不发生变化。由此简化模型,并将试验结果与新建模型进行比较,结果显示新建模型可较好地反映岩石波速和渗透率之间的关系,为实现超声波技术测量渗透率提供了理论基础。4.总结了不同类型岩石热处理后内部结构的演化规律。结合岩石各物理力学性质受热变化规律的反演结果,以及扫描电镜法的直接观测结果,综合全面地分析了岩石受热后内部结构的演化规律,结果如下:(1)裂隙型岩石内部结构受热演化过程可分为四个阶段:阶段Ⅰ,原生微裂纹稳定发育,新生裂隙逐渐生成;阶段Ⅱ,热应力升高至阈值,原始微裂纹快速发育,大量微裂纹新生与扩展;阶段Ⅲ,微裂纹密度达到阈值,部分合并成大裂纹,附近区域应力释放,部分微裂纹闭合;阶段Ⅳ,鲜有新生裂纹产生,闭合微裂纹重新张开扩展,已有裂纹持续发育。(2)孔隙型岩石内部结构受热演化过程可分为三个阶段:阶段Ⅰ,吸附水和层间水等逸出,孔隙增加,热应力引起结构微调;阶段Ⅱ,达到阈值温度后,胶结物颗粒团脱水裂解,矿物颗粒脱氢晶格破坏,引起颗粒粒径急剧减小;阶段Ⅲ,颗粒粒径稳定,石英相变产生的高热应力引起结构剧变,大量孔隙裂隙结构产生,波速快速下降,孔隙度和渗透率等快速增加。5.研究岩石受温度影响的宏细观试验中还有以下发现:(1)对热处理前后的岩石波速各向异性进行比较,发现发现随温度的升高,波速各向异性程度逐渐增加,但其方向性并未改变,表明岩石热裂纹的扩展方向与原生裂纹的优势分布方向相同。因各向异性不明显而无法采用波速各向异性法判断地应力方向的试样,经热处理后即可判断出地应力方向。(2)引入变异系数作为衡量各向异性程度的标准。变异系数可消除单位和平均数不同对各向异性程度比较的影响。裂隙型岩石的变异系数在新裂纹产生的阶段Ⅰ和Ⅱ中不断增加,在鲜有新裂纹产生的阶段Ⅲ和Ⅳ中几乎不变;孔隙型岩石的变异系数随温度一直升高。这表明变异系数可反映新裂纹的产生。(3)在砂岩、页岩和油页岩中观察到大颗粒周围易产生较大孔隙裂隙结构的现象。该现象揭示了热Kaiser效应的力学机理:热Kaiser效应是岩石对热处理造成岩石结构重新分布的记忆。岩石受热,内部结构重新调整,产生了降温也无法恢复的塑性变形,再次升温且未达到之前所受最高温度时,岩石内难以产生较大热应力,难以产生声发射现象。(4)试验发现岩石中不同形态水分的逸出、矿物成分的脱氢反应以及有机质的分解挥发,对岩石结构和各物理力学性质的影响作用极大。分析岩石成分并了解各成分热稳定性对研究岩石受热后物理力学性质及内部结构的演化意义重大。