新莊煤礦1.5 Mta新井設(shè)計含5張CAD圖-采礦工程.zip

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還有許多其他關(guān)于應(yīng)變率對巖石力學(xué)性能影響的研究。但是應(yīng)變率對巖石力學(xué)性能的影響的報告較少是可查的。在實驗室內(nèi)對此進行調(diào)查，我們在應(yīng)變率分別為2、2、2條件下對鹽巖和無水芒硝進行單軸壓縮試驗。這些結(jié)果是鹽巖儲氣性能的一個更普遍調(diào)查的一部分。 2 采樣和方法 2.1 采樣 “巖鹽”指的是主要成分為鹽礦物的一種巖石；而“鹽巖”指的是一種常見的巖石，它包括所有含有高速溶解鹽分得礦物質(zhì)，其中有氯化鈉、氯化鉀、光鹵石、鎂石、溢晶石、魚際司、芒硝、鈣芒硝、石膏等。 樣本是在江蘇儲存的兩個蒸發(fā)沉積芯樣本。蒸發(fā)巖是第三時期的鹽湖沉積物。巖石學(xué)研究的一種是位于900-1100米深礦床的巖鹽；另外一種是研究的是埋深2000米的無水芒硝硫酸鈉。兩者都是蒸發(fā)結(jié)晶的原因，而且都具有結(jié)構(gòu)緊密滲透性低的特性，可用于存儲液體和廢物處理。巖鹽樣品中偶爾會發(fā)現(xiàn)一些泥沙填充物，晶粒間的不溶性含沙量小于10的重量；但是無水芒硝樣本是純凈的。樣本在仔細包裝后被送到太原理工大學(xué)實驗室。 在實驗室，樣本按照ISRM建議的方法處理：樣本做成圓柱形，高和直徑比為2:1。九個樣本中八個成功測試的，其中有六個巖鹽樣品和兩個無水芒硝樣品。鹽巖的標本中，單軸壓縮試驗用三個，分別在不同的加載速率下進行，而兩個無水芒硝試樣的測試則是在較低的加載速率下進行。通常每個測試編寫需要3-5個標本以保證可靠性，但是我們由于缺乏可接受的核心知識而被阻礙了。在有限樣本設(shè)置情況下要比較加載速度的差異，每個測試兩個標本是可以切實分配的。不過，目前為止我們之所以選擇公布我們的測試結(jié)果是因為它們是相當一致的，因此可能是可靠的。 2.2 測試和裝置 測試的主要目的是研究單軸壓縮過程中加載速率對巖石力學(xué)性能的影響。所有的實驗都是在伺服可控測試設(shè)備TYT-600上進行的（圖1），這些機器是又吉林長春金立測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的?？蚣茏畲蟮呢撦d能力是6×千克，最小位移量是1×mm/s,加載速率可以隨著控制系統(tǒng)調(diào)整而改變。 2.3 研究方法 實驗采用三種單軸壓縮速度分別為2×，2×，2×。如上所述，六個巖鹽樣本每兩個放在一個加載應(yīng)變率條件下，兩個無水芒硝樣本分別在2×和2×/s的低應(yīng)變速率下進行測試。按照ISRM提出的方法，進行每個應(yīng)變率條件下的單軸壓縮試驗，使用相同的機械設(shè)備測試。 3 實驗結(jié)果 不同應(yīng)變率下的單軸壓縮試驗結(jié)果在表1中列出，圖2-6是測試結(jié)果繪出的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)曲線圖呈“梳子”形狀，并且?guī)r鹽的壓力波動在應(yīng)變率為2×/s的最低值波動，在應(yīng)變率為2×/s時，兩次測試的曲線圖為圖2和圖3. 3.1 壓力和應(yīng)變率的關(guān)系 從表1和曲線中發(fā)現(xiàn)巖鹽的最大壓力值不受應(yīng)變率的影響。UCS平均值為13.6、13.9、12.4，對應(yīng)的應(yīng)變率值分別為2×/s、2×/s、2×/s，此外，測試巖鹽的UCS都低于在美國的十大天然巖鹽。 我們認為強度較低的原因是江蘇鹽礦礦床是在不同的地質(zhì)時期形成的不同種類。北美大部分鹽礦床形成于侏羅紀，二疊紀和泥盆紀時期；有些層鹽已再結(jié)晶；而且一般鹽殼經(jīng)過大量的再結(jié)晶和變形，孔隙度減少，先形成的會比新形成的巖鹽滲透性低。而在江蘇省形成的鹽礦床是第三紀始新世形成的鹽湖沉積形成的，沒有經(jīng)過由板塊運動引起的反復(fù)的再結(jié)晶和大量的蠕動變形。所有的東西都一樣，新的沉積物就應(yīng)該比老的沉積物多少有一些減弱。然而，應(yīng)變率對巖鹽壓力的影響就像Farmer和Gilbert報告的當應(yīng)變率取值為5×和2×/s時的曲線；他們還報告，應(yīng)力在3.5、7、14、35、42兆帕?xí)r的應(yīng)力應(yīng)變曲線頗為相似。這是巖鹽在應(yīng)變率上大大不同于脆性巖石如砂巖、大理石和花崗巖的方面。 例如，雷.等人發(fā)現(xiàn)許納爾砂巖的UCS值隨著e從2.5×增加到2.5×以及2.5×/s，而從64.0增加到75.1以及99.5兆帕。福井等人還報道說，三城目安山巖的抗剪強度依賴于加載速率。如果加載速率按照數(shù)量級增加，表觀黏力以6.1個百分點上升，這個比例和UCS相同，單軸拉伸強度、間接拉伸強度和斷裂韌性也是這樣。同樣，鄭.等人注釋熊本安山巖的UCS在相同的e條件下隨著水蒸氣減少呈線性增加，當增加的e在0.95×-1.91×/s范圍內(nèi)時它也和e呈線性關(guān)系。李.等分別在四種不同的加載速率（）下對武吉花崗巖進行三周壓縮試驗并且進行動態(tài)分析。結(jié)論是抗壓強度一般會隨著應(yīng)變速率的增加而增加，抗壓強度的增加速度比在高圍壓的情況下低。 應(yīng)變率e的影響可以用能量理論來解釋。材料損傷是微斷裂進一步的結(jié)果，在高應(yīng)變速率通過短時間快速的加載過程，材料中的微斷裂落后于加載增量。這意味著材料的晶粒變形速度比在更快的加載速度下慢，就像我們會注意到比較巖石負載率壓縮材料卸載過程中的負載減少速度和巖石本身的反應(yīng)時會出現(xiàn)滯后一樣。因為這“滯后”。材料吸收的能量不能在微裂縫擴展的那么短的時間內(nèi)充分使用或消耗，這些能量暫時儲存為材料壓縮，因此材料的強度有所增加。 與火成巖和其他許多沉積巖相比，鹽巖被稱為“軟巖”，它擁有低強度的力學(xué)性能和強大的流變學(xué)特征。許多研究表明，鹽巖的UCS值在12.0-20.0兆帕之間。鹽巖的流變通常作為彈粘塑性的組合產(chǎn)生，這個比例是加載速率和威壓的函數(shù)。大的粘性應(yīng)變變形縫可以通過長時間的加載實現(xiàn)，即使在相對較小的應(yīng)力下。這個大的粘性應(yīng)變包括軸向和橫向變形，所以在緩慢變形條件下，材料不發(fā)生膨脹。在非膨脹型粘塑性應(yīng)變機制下，鹽巖的泊松比基本上是0.5，理想的塑性變形條件是具有零可塑性角度。當然，在高的應(yīng)變速率下，鹽會發(fā)生膨脹，它也是e和局部應(yīng)力的一個函數(shù)。 在任何情況下，鹽巖的UCS值不會隨著應(yīng)變速率的增加而像脆性巖石增加那么多。實驗過程中由于快速壓縮累計在巖石中的能量被強大的流動變形吸收消耗，在脆性巖石中的偽局部應(yīng)力較弱。這似乎是鹽巖強度近不變性的一個合理解釋。還有其他因素也會導(dǎo)致鹽巖不同于脆性巖石在快速加載領(lǐng)域中的力學(xué)響應(yīng)。例如，礦物學(xué)的影響，礦物粒度，礦物硅質(zhì)面材料出現(xiàn)差異，盡管重要，但是這些額外的因素在此處并沒有被廣泛討論。 當e從2增加到2和2/s時，鹽巖樣本的彈性模量從2.6到3.0和3.4.彈性模量似乎隨著應(yīng)變率增長而緩慢增長的趨勢。這種趨勢類似于三峽花崗巖。 相同的應(yīng)變率條件下，無水芒硝的UCS值比巖鹽的稍高。除了晶格排列不同以外，我們認為主要是兩個晶粒粒度不同。表格7顯示了巖鹽標本和無水芒硝標本，從那里我們可以看到巖鹽的晶粒尺寸是110毫米，而無水芒硝的尺寸是13毫米。晶粒尺寸越小，就越難實現(xiàn)平面?zhèn)鞑ゾчg微破裂和嚴重破裂的峰值強度。此外兩個無水芒硝的標本是純潔的，而巖鹽標本是含有淤泥的。淤泥中的雜質(zhì)所代表的不同的硬度將成為應(yīng)力影響淤泥和巖鹽之間弱得連接使得拉伸變得很容易，這些都是UCS值的重要影響因素。最后，由于無水芒硝的埋藏深度比巖鹽大1000米，所以無水芒硝大多是扁平的而且強度更大。 3.2 變形與應(yīng)變率的關(guān)系 應(yīng)變率也和巖鹽的張力失效有很明顯的關(guān)系：隨著應(yīng)變率e的增加，在峰值附近的應(yīng)力會相應(yīng)減少。例如，當e等于2.0×10-5/s時張力時效為1.3-1.2%；然而當e增加到2.0×10-3時，它又減少到0.3-0.7%。如果我們定義一個規(guī)范化的割線變形系數(shù)E作為峰值強度點軸向應(yīng)變的值，那么三個快速增長的e對應(yīng)的E為0.93,1.52,1.92.很明顯，變形模量以一種類似與彈行模量的方式隨著e增長。然而，變形模量的增加大于彈性模量的增加。當e從2.0×10-5/s到2.0×10-3/s時，變形模量就以52%和28%的速度增加。而彈性模量則以15%和14%的速度增加。 不同的是因為樣本的可塑性變形，應(yīng)變速率越快塑性變形相對于彈性變形減少的越少。根據(jù)經(jīng)驗，使用數(shù)學(xué)表達式表達應(yīng)變速率和變形模量的關(guān)系：E0=lne+3.2。這個方程式已經(jīng)在表格8中描述。e有一個合理的范圍。 泊松比的關(guān)系并不是那么明顯，實驗發(fā)現(xiàn)v隨著樣本應(yīng)變率的降低而降低，樣本是指在e=2.0×10-5/s時測試的1號和2號樣本。隨著e從2.0×10-4增加到2.0×10-3/s，巖鹽樣本中的v從0.26減少到0.16。無水芒硝也有同樣的趨勢。和文獻相比，這些的價值不是很大，他們可能反映裂縫的閉合過程，通常是低圍應(yīng)力測試中的多晶鹽中的重要問題。此外，由于較低的e價值，有更多的時間對粘塑性進程進行試驗，給予更多的外側(cè)變形，因此泊松比比較高。 在應(yīng)變率范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)失效標本是一致的。巖鹽的失敗顯然是沿著裂縫邊界的脆性斷裂。對于無水芒硝來說，這種斷裂的發(fā)展是沿著二維曲面。失敗的風格差異是由于巖石的不同結(jié)構(gòu)。巖鹽粒微晶無水芒硝，巖鹽晶間淤泥使得相鄰巖鹽晶體之間的粘性減弱，拉伸接近90度的可能性很大。相比與均質(zhì)的無水芒硝，含有雜質(zhì)的巖鹽更容易被破壞，在一個松散的環(huán)境中脆性破壞隨著柱狀曲面的發(fā)展。 3.3 壓縮過程中體積膨脹的壓力 通常，巖石s-e曲線可以分為五個階段，第一階段是微裂隙的閉合或者隨著壓力向一個方向的發(fā)展。這一階段對于巖鹽來說并不是那么明顯因為他的低孔隙度，但是，晶體間的伸展取樣會造成傷害。第二部分主要是彈性變形。 第三階段的特點是擴張和近線性的增長，這是為了抵消持續(xù)的壓縮。據(jù)推測在這個階段微斷裂的發(fā)生是以一種固定的方式。它的上邊界是最大壓實點和零體積變化點，這一點的壓力稱為體積擴張的臨界點。對于大多數(shù)巖石來說峰值壓力大概是80%.如果在臨界點以后壓力不斷增加，就到了第四階段，樣本膨脹伴隨著微裂縫的增加發(fā)生。內(nèi)部會產(chǎn)生許多可滲透的孔，直到第五階段才會脫膠。在第五階段，擴張才會停止。這里我們需要檢測的是在不同應(yīng)變率下，樣本體積膨脹的臨界壓力。 體積應(yīng)變可以從圖表10和11中看出，體積應(yīng)變的臨界壓力是兩個標本分別在e為10-3和10-4/s時測試的。在e為10-4/s時體積應(yīng)變的臨界壓力是9.6和8.6對應(yīng)3號和4號標本。然而在e增加到10-3/s時，5號和6號增加到94%和96%。顯然在低應(yīng)變速率下應(yīng)力觸發(fā)裂紋快速發(fā)展的速度不及在高應(yīng)變速率下。這個可以通過前面討論的在快速應(yīng)變率下的變形和響應(yīng)的滯后來解釋。由它可以知道，應(yīng)變速率越高，巖鹽擴張所需要的臨界應(yīng)力越大。 4 低應(yīng)變速率下的“壓力波動”現(xiàn)象 在e等于2.010-5/s時的單軸壓縮試驗中發(fā)現(xiàn)了一個“壓力波動”現(xiàn)象。當加載壓力達到8.0兆帕也就是峰值強度的60%時，塑料樣本開始變形，定義為塑性變形的臨界值。當加載應(yīng)力增加到10兆帕約為峰值強度的75%時，壓力突然暴跌為塑性變形的臨界值，然后恢復(fù)到原始壓力或略高；這個“壓力波動”現(xiàn)象持續(xù)到標本的應(yīng)變?nèi)趸? 這種現(xiàn)象也在參考29中提到，機械測試期間對包含分層的大青巖和無鹽夾層的巖鹽的研究。在e等于1 10-4/s時，應(yīng)力下降會出現(xiàn)一直到軸向應(yīng)力達到高峰之前。壓力下降大致是4兆帕，結(jié)論是堅硬的脆性的夾層在巖鹽完好無損的情況下很難斷裂。壓力下降是巖鹽和夾層材料之間的差異造成的。 為了研究e等于2 10-5/s時的變形特性，我們分析了用其他三個巖鹽樣本所做的實驗。很不幸，我們沒有像1號和2號樣本一樣的巖鹽樣本。補充測試進行所用的三個標本是從洪澤鹽礦床取得的，也是在江蘇省但是埋藏深度類似于無水芒硝，約兩千米。在后者單軸壓縮試驗中，壓力不均勻的現(xiàn)象沒有找到。 在第一個實驗中，壓力下降恢復(fù)不斷發(fā)生，這個現(xiàn)象出現(xiàn)在塑性變形的臨界值。因為這點，我們假設(shè)這是在加載速率下測試巖鹽的固有的反應(yīng)，而且它與巖鹽內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有一種聯(lián)系。我們在以前使用過這種設(shè)備的實驗中沒有觀察到這種現(xiàn)象。我們繼續(xù)探討在特定e值情況下的奇怪反應(yīng)的原因。 5討論 鹽巖是一個特殊的具有低強度屬性和強大的流變性能的巖石類型。在巖石工程中，所有的巖石材料的強度，變形都受到加載速率，溫度，含水量等等的影響，鹽巖也不例外。在二十世紀七十年代，大多數(shù)研究集中在蠕變，不同壓力和溫度下鹽巖損傷和核廢料處理上。大多數(shù)鹽巖被用來儲存天然氣和烴類液體，一般來說，存儲的注氣率不同于放射性廢物存儲相關(guān)的加載速率，不同于儲存氣體時候的大量范圍，在氣體放出時有一個更高的加載速率。 我們的實驗結(jié)果，希望得到更充分的證實，更多核心變成可利用的。用于儲存氣體的鹽巖洞穴周圍的氣體壓力不會不同于氣體快速抽出時的壓力，另一方面，隨著變形模量隨e的增加而增加，鹽巖洞穴的收縮變得更小，洞穴中的氣體注射比預(yù)期的要大。當然，總體而言，溶洞由于長時間的封閉，壓縮蠕變行為和變形明顯有問題，在損壞的區(qū)域，晶體開放度的范圍更大，有效圍壓較小，高滲透導(dǎo)致?lián)p壞區(qū)域中的壓力均衡。因此單軸壓縮條件是接觸巖洞并且了解和預(yù)測巖洞中問題的好方法。 6 總結(jié) 加載應(yīng)變率的變化發(fā)生在鹽巖洞穴儲存器。不同應(yīng)變率下的鹽巖的力學(xué)性能是一個安全評估的重要議題。一系列關(guān)于應(yīng)變率影響的實驗在實驗室中進行，主要結(jié)論如下： 鹽巖應(yīng)變率只輕微的影響鹽巖強度。彈性模量隨應(yīng)變率略有增加，但增加的不多。相同加載率條件下無水芒硝的強度比巖鹽的稍大，主要和礦物晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)相關(guān)。 隨著應(yīng)變率增加，鹽巖的泊松比稍微減少，他的側(cè)向變形能力有所減弱。在它生成之前，鹽巖應(yīng)變率也影響應(yīng)變峰值強度。應(yīng)變在峰值強度點隨著應(yīng)變率增加減小。變形模量和加載應(yīng)變率之間有對數(shù)關(guān)系。 鹽巖破壞樣式不隨著應(yīng)變率的變化而變化，這不同于脆性巖石。鹽巖風格的故障是脆性斷裂點剪切破壞，而無水芒硝的故障是沿線剪的樣式平面扭曲。鹽巖的強粘性變形能力使它能夠在單軸壓縮過程中吸收能量。標本中得到的內(nèi)部橫向效果會降低，所以鹽巖強度與破壞風格幾乎不會改變應(yīng)變速率。 壓力波動現(xiàn)象發(fā)生在單軸壓縮試驗中當e等于2 10-5/s時。我們相信這是實際存在的而不是實驗的假象。但是這仍然需要我們更深入的調(diào)查。 在實際存儲巖洞，注射和戒斷率是不同的。在我們實驗結(jié)果范圍內(nèi)，鹽巖強度在整個巖洞有較小的影響。因此，在其整個操作過程中影響較小，更穩(wěn)定洞室條件在低圍應(yīng)力和應(yīng)變率的影響下較快的加載或者注射速率。 致謝 這項工作是由中國國家資助自然科學(xué)（編號50874078）和中國新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（07-0594）資助并受到極大贊賞。 參考文獻：