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砂岩热损伤研究对煤炭地下气化、地热资源开发、核废料地下深埋处理和深部地下空间利用等涉及高温环境的岩石类工程具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以大同砂岩为研究对象,通过细观组构的描述和分析,探讨了砂岩组构随温度变化的损伤机制;采用细观和宏观相结合的方式,获得了孔隙-裂隙结构的演化规律;利用自主研制的多功能岩石高温试验机研究砂岩在温度和应力作用下的损伤破坏特性,得到了砂岩在温度和应力作用下从微观到宏观的破坏规律;采用自主研制的高温三轴渗透试验机对砂岩的渗透特性进行了实验研究,并利用渗透特性的演化规律揭示砂岩宏观热损伤破裂规律。主要研究内容与结论如下:(1)运用X射线衍射分析、显微薄片分析、扫描电子显微镜等手段对高温作用后(25-1000℃)砂岩的细观组构变化进行了研究,分析了砂岩的矿物成分、结构、孔裂隙分布随温度的变化规律,探讨了砂岩组构随温度变化的损伤机制,结果表明高温对砂岩中的晶体结构有损伤作用,随着温度的改变砂岩组构发生了温度响应,高温引起的热反应和矿物热膨胀作用是影响砂岩组构变化的两个主要因素,温度作用后砂岩表面有热开裂现象发生,分为萌生、扩展、连通和收缩四个阶段。(2)基于低温氮气吸附实验与低场核磁共振实验,对高温作用后(25-1000℃)砂岩的孔裂隙结构演化规律进行了研究,对孔裂隙类型、有效孔隙度、孔隙结构分布等孔隙参数进行了定量化表征。结果表明温度对岩石孔裂隙结构的发展具有促进作用,500℃为大同砂岩孔裂隙变化的阈值温度。由低温氮吸附结果可知,孔隙形态在温度小于500℃时以狭缝型孔为主,孔径分布曲线呈单峰分布,微孔含量随温度升高而增加;当温度大于500℃时以圆柱型孔为主,孔径分布曲线为双峰分布,过渡孔含量显著增加;比表面积及平均孔径在500℃分别达到最高值和最低值。岩石孔隙结构具有良好的统计分形特性,500℃孔隙分布最为复杂。(3)由核磁共振实验结果可知,岩石孔裂隙结构随温度变化具有阶段性特征。砂岩的孔隙度与温度关系符合玻尔兹曼方程。以500℃为界限,温度低于500℃时,其孔隙度和孔隙连通性变化不大;当温度超过500℃以后,砂岩的中孔和大孔-裂隙含量明显增多,孔裂隙连通性显著增强,形成了有效的流体运移的连通网络,导致渗透率增加。渗透率与温度关系符合SDR模型。(4)从高温状态下砂岩的单轴压缩实验出发,分析了不同温度下砂岩的应力应变特征。利用损伤力学的理论,计算了温度和应力耦合作用下砂岩的损伤变量,不同温度段砂岩的损伤程度具有差异性。(5)通过对高温-三轴应力作用下砂岩渗透规律的系统研究,分析和揭示了三轴应力条件下砂岩的损伤破裂机制。三轴应力条件下岩石的损伤受岩石组构、温度、应力、孔隙压力等多种因素影响。温度对砂岩的损伤总体表现为随着温度的升高,损伤程度增加。研究发现200℃左右和500℃左右分别为砂岩热破裂的阈值温度。砂岩的渗透性随温度变化规律为:200℃以前,渗透率增长缓慢;200℃左右时,渗透率出现陡升,热破裂急速加剧,损伤程度急增;在200℃到500℃之间,渗透率出现波动性变化规律;500℃时砂岩渗透率出现极小值;高于500℃表现为渗透率的快速增加。