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高温下石灰岩膨胀特性和力学特性的试验研究Ξ秦本东1,2,门玉明1,谌伦建3,何 军2(1.长安大学地质工程与测绘学院,西安710054;2.河南理工大学土木工程学院,河南焦作454003;3.河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作454003)摘要:利用自行研制的岩石高温装置和RM T2150C岩石力学试验机,对石灰岩试件在200～700°C高温双向约束条件下的膨胀特性和力学特性进行了试验研究。
结果表明:升温过程中,随着温度的升高,石灰岩试件两个约束方向的膨胀应力在600°C前逐渐增加,600°C或650°C以后出现减小现象;石灰岩垂直层理方向的热膨胀应力大于平行层理方向的热膨胀应力。
恒温过程中,600°C以前的试件两方向膨胀应力曲线都随时间延长呈平稳上升,但曲线斜率远远小于升温过程;恒温一定时间后,膨胀应力趋于该温度的一个稳定值。
700°C恒温结束后,石灰岩两方向的膨胀应力小于恒温前的值,说明到一定温度后石灰岩已膨胀到极限。
在试验温度范围内,石灰岩峰值应力随温度升高而降低,700°C时,峰值强度值比常温下降低了58192%,说明高温对岩石的强度会产生明显的弱化作用。
石灰岩峰值应变随温度升高先增加后减少,500°C前峰值应变增加,之后逐渐减小。
由于受约束条件限制,在过高温度后,石灰岩内部裂隙部分闭合,空隙数量减少,致使一定温度后其热膨胀应力和峰值应变可能减小,但具体原因有待进一步研究。
关键词:石灰岩;高温试验;膨胀应力;力学特性中图分类号:TD315 文献标识码:A 文章编号:167222132(2009)06207022070 引言处理高温环境下或高温后的岩石工程问题是岩石力学的新课题。
高温作用对岩土介质的影响已在能源、地质、土木等众多领域中被提出来,例如由于煤炭地下气化、矿下煤或瓦斯爆炸、煤炭开采过程中煤炭自燃、高放射性核废料的地层深埋处理、石油的三次开采等,其周围岩体均可经历一定的高温作用。
高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性r影响的实验研究吴明静;平琦;张号【摘要】为研究不同高温状态下加载速率对砂岩动态力学特性的影响,采用自行组装?50 mm分离式Hopkinson压杆(split hopkinson pressure bar,SHPB)高温试验装置,对25～1000℃高温状态下的砂岩试件进行了6级加载速率的动态单轴压缩试验.结果表明:高温下砂岩的峰值强度与加载速率之间呈二次多项式增长;砂岩的峰值强度在200℃时,加载速率效应最明显,在1000℃时,加载速率效应最弱.砂岩的峰值应变与加载速率之间呈线性增加.总体表现出一定的加载速率强化效应.不同温度下动态弹性模量的变化规律差别很大.从砂岩的破坏形态可知,加载速率对砂岩的影响不仅与温度有关还与其本身的性质有关.可见,加载速率对峰值强度、峰值应变及动态弹性模量的影响与温度密切相关.分析结果对高温环境下岩石工程稳定性、安全性以及相关岩体的爆破效应具有重要参考依据.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)024【总页数】7页(P281-287)【关键词】岩石力学;高温;加载速率;力学性能【作者】吴明静;平琦;张号【作者单位】安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,淮南 232001;安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,淮南 232001;煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,淮南 232001;安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,淮南 232001【正文语种】中文【中图分类】TU452随着浅部资源的减少与枯竭，地下空间的开挖与利用将目光投向岩体深部。
地下岩体的温度随着深度增加而升高[1]，岩体表现出的力学、变形性质不仅要经受高温作用还受其外部加载速率作用[2]，加载速率是岩石力学特性的重要参数之一。
加载速率效应是随着试验加载速率的变化，材料力学特征发生改变的行为[3]。
关于加载速率对岩石力学性质的影响，国内外学者进行了大量的研究[4—8]。
高温岩石的热学和力学性质的研究现状及展望
高温岩石的热学和力学性质是探讨地质学和地球科学规律的关键，近年来受到越来越
多的关注。
在研究热力学和力学性质中，对气体、液体及固体岩石在高温环境下的性能及
其机制进行了深入的研究。
当前，高温岩石的热力学性质研究主要集中在几个方面，例如在高温环境下岩石的压缩、扩展及热传导、热改变以及岩石在高温环境下的稳定性等。
目前针对热力学特性的研
究大多是以实验的形式进行的，采用的手段有X射线衍射、显微镜观察、X射线光谱和实
验测定等手段。
现有的研究成果表明，温度变化会影响岩石的力学特性，岩石的抗压强度
会因温度升高而增大，而抗拉强度则会随温度降低而降低。
随着研究取得的进展，高温岩石力学性质研究也越来越广泛，已经开展了矿物力学性质、岩石温度和压力对力学性质的影响、粉质岩石力学特性计算和参数确定等方面的研究，其中粉质岩石力学性质的研究利用了颗粒力学模型，尝试分析致密粉质岩石的力学特性。
此外，研究人员也通过参数化研究的方法，结合温度、压力等环境因素，建立相应的
力学参数模型，以及不同类型岩石的力学参数之间的关系，多维空间中研究参数在不同环
境因素下的变化规律。
从而检验及确定地质和力学参数、力学模型，并可以解释出高温下
岩石的性能变化。
总体来说，高温岩石的热力学及力学特性的研究工作还处于初级阶段，还有许多有待
科学研究的问题需要深入探讨，例如开展更多的实验研究、在多维空间中建立模型及模拟、深入研究不同温度下岩石的变形机理、探索复杂地柱和混合岩石性质及其力学行为等，以
期对地球内地质构造、地球深部动力学及火山爆发等问题提供科学依据。
深部煤岩体高温高压下的力学性质理论研究国内近年来随着埋藏在中、浅部煤炭资源的不断减少，以及机械化水平的提高，人们逐渐把目光转移到深部煤炭资源。
我国东部和中西部的一些大型国有矿井相继进入深部开采阶段，如大同、平顶山、阳泉等煤矿，未来几年内将不断有更多的˚大型煤矿进入800m以上的深部开采。
在深部开采中，煤岩体的力学性质发生了很大的改变，破坏机理也随之改变，最常见的是煤岩体流变和热损伤问题。
因此碰到了许多与浅部开采不同的工程问题。
随着采深的增加，矿山压力与温度都随之不断增加。
在深部条件下，地温常达到30˚C～50˚C,围压达到很大，工人作业条件差，巷道维护困难，发生冲击矿压的次数与强度将显著增加，但对采场顶板压力大小的影响并不突出。
岩石圈及岩石流变已成为大陆岩石圈研究的前沿和热点之一，受到国内外的科学家的重视。
1、高围压对岩石力学性质的影响在三向压缩条件下，随着围压的增大，岩石的屈服极限强度、强度峰值和残余强度都随之增大。
大部分岩石在一定的临界围压下出现屈服平台呈现塑性流动现象。
因此随着采深的增加，围压变大，煤岩体的极限强度变大，承载能力变强，岩石的韧性加强，使一些在浅部表现为比较坚硬的岩石在深部表现出软岩的大变形、大地压、难维护特征。
深部开采中，在自重应力和构造应力作用下，围压相比浅部高出很多，岩石承载能力和参与强度变大，脆性向延性转化，流变现象明显，破坏机理与浅部有较大区别。
王绳祖等对岩石的脆——韧性及塑性流动网络进行了深入的理论和实验研究。
他指出，随着矿物组成、粒度、流变、压力、应变速率、液体介质因素的变化，岩石有脆性—>半脆性——>半延性——>延性转化,这种变化过程涉及力学行为、宏观结构和微观物理机制，尤其是岩石共轭剪断网络和塑性流动网络的实验成果不仅深化了脆-韧性转化认识，同时为岩层多层模和塑性流动网络关系提供了实验依据。
对辉绿岩、辉长岩和石灰岩的脆-韧性转化，高温高压实验结果与上述结论是一致的。
高温高压条件下岩石力学特性实验研究岩石力学是研究岩石在外界力作用下力学性质和变形规律的科学。
随着石油、天然气、地热等资源的开发利用和工程建设的迅速发展，对岩石力学特性的研究需求不断增加。
尤其在高温高压条件下，岩石受到的力作用更加复杂和严峻。
高温高压条件下的岩石力学实验研究是在模拟地下深部环境中进行的。
通过施加高温和高压条件，可以模拟地球深部的温度和压力环境，从而更好地理解和预测地下岩石的力学行为。
在高温高压条件下进行岩石力学实验研究，主要包括以下几个方面：1. 实验装置设计：实验装置设计是高温高压条件下岩石力学实验的关键。
为了模拟深部地下环境，需要设计合适的高温高压实验仪器，并选择适当的传感器和数据采集系统。
这样可以实时监测和记录岩石受力过程中的各个参数，例如温度、压力、应力、变形等。
2. 材料选择：在高温高压条件下，岩石的物理和力学性质可能发生显著变化。
因此，在实验研究中需要选择适当的岩石样本，并进行前期的物性测试。
同时，还需要考虑岩石样本的大小和形状，以及样本之间的连续性和均匀性。
3. 实验参数控制：在高温高压条件下，实验参数的控制是确保实验结果准确可靠的关键环节。
可以通过控制加热、降温速率和压力变化率等参数来模拟不同温度和压力条件下岩石的力学行为。
此外，还需要考虑实验时间的选择，以保证实验结果的稳定性和重复性。
4. 数据分析和结果讨论：完成岩石力学实验后，需要对实验数据进行分析和结果讨论。
可以利用岩石力学理论和模型对实验结果进行解释和验证。
同时，还可以比较不同试验条件下的结果，探讨岩石力学参数与温度、压力变化之间的关系。
高温高压条件下岩石力学实验研究的意义和应用广泛。
首先，对于深部地下工程和资源开发具有重要的指导意义。
例如，在油气勘探和开发中，了解岩石在高温高压环境下的力学特性可以帮助更好地设计和优化钻井、注水和压裂等作业方案。
此外，在地热能开发、地下储气库建设和核废料地质处置等领域也有重要应用价值。
温度-围压耦合作用下岩石断裂机理
温度-围压耦合作用下岩石断裂的机理是指当岩石受到外部应
力作用，同时还受到温度的影响时，岩石内部发生断裂的过程。
温度-围压耦合作用会对岩石的力学性质产生影响，导致岩石
的强度、黏滞性和脆性等发生改变。
在高温和高围压的条件下，岩石的强度通常会减小，黏滞性增加，脆性增强。
这是由于温度的上升会使岩石内部的粘结和结构变化，使岩石更容易发生断裂。
岩石在温度和围压的作用下，会经历以下断裂机制：
1. 脆性断裂：脆性断裂是指在高温-高压条件下的岩石受到外
部应力作用后，出现突然断裂的现象。
这种断裂通常发生在岩石的强度较高的部分，形成裂缝和断层。
2. 塑性变形：低温-高压下的岩石，由于温度较低，无法发生
脆性断裂，而通过塑性变形来承受外部应力。
塑性变形会导致岩石内部发生屈服和流动，形成折叠、滑移等现象。
3. 变质作用：温度-围压耦合作用会引起岩石中的矿物质结构
发生改变，形成新的矿物组成。
这种变质作用会导致岩石的物理性质发生变化，进而影响岩石的断裂机理。
总体而言，温度-围压耦合作用下的岩石断裂机理是一个复杂
的过程，受到多种因素的共同影响。
研究岩石断裂机理对于理解地壳运动和构造演化具有重要意义。
《高温作用下油页岩热物理、渗流、力学特征各向异性演化规律及其应用》篇一一、引言随着能源需求的持续增长和传统资源的日益枯竭，油页岩作为一种重要的替代能源资源，其开发和利用受到广泛关注。
在高温作用下，油页岩的热物理、渗流和力学特征会发生显著变化，呈现出各向异性的演化规律。
本文旨在探讨这一现象的内在机制及其在实际应用中的价值。
二、油页岩热物理特征各向异性演化规律1. 热传导与热膨胀高温环境下，油页岩的热传导系数和热膨胀系数随温度的升高而发生变化。
由于矿物成分和结构的非均质性，这些参数表现出显著的各向异性。
研究表明，垂直于层面方向的热传导性能优于平行于层面方向，而热膨胀系数则在不同方向上存在明显差异。
2. 热物理性质变化机制油页岩在高温作用下，内部矿物结构发生变化，导致热物理性质发生各向异性变化。
这种变化主要与矿物的相变、晶体结构的重组以及有机质的热解有关。
此外，水分的迁移和孔隙度的变化也对热物理性质产生影响。
三、油页岩渗流特征各向异性演化规律1. 渗流特性变化随着温度的升高，油页岩的渗流特性发生显著变化。
在高温作用下，油页岩的孔隙度和渗透率增大，渗流路径变得更加复杂。
由于矿物成分和孔隙结构的各向异性，渗流特性在不同方向上表现出明显差异。
2. 渗流模型及模拟研究基于高温作用下的渗流特性变化，建立了相应的渗流模型，并运用计算机模拟技术对渗流过程进行模拟研究。
模拟结果表明，各向异性的渗流特性对油页岩的开发和利用具有重要影响。
四、油页岩力学特征各向异性演化规律1. 力学性质变化高温作用下，油页岩的力学性质发生显著变化，主要表现为弹性模量、泊松比和抗拉强度的变化。
由于矿物成分和结构的各向异性，这些力学参数在不同方向上存在明显差异。
2. 破坏机制及影响因素高温作用下，油页岩的破坏机制主要为热应力引起的裂纹扩展和矿物相变引起的体积膨胀。
此外，水分的迁移和孔隙度的变化也对力学性质产生影响。
不同矿物的热稳定性和膨胀系数差异也是导致力学性质各向异性的重要因素。
高温后粉砂岩动态力学特性及破坏机理研究的开题报告
一、研究背景
随着我国经济的快速发展，建筑、交通、水电等基础设施建设不断加快，对于研究岩石的动态力学特性及破坏机理显得尤为重要。
其中，粉砂岩作为一种广泛应用于
地下隧道、地下空间以及高速公路等工程建设中的常见围岩，其力学性能及其稳定性
一直是工程建设中的重要问题。
尤其在高温环境下，粉砂岩的力学性质往往会发生变化，其破坏机理也随之发生改变，因此，对粉砂岩在高温环境下的动态力学特性和破
坏机理进行研究，对于进一步提高工程建设的安全性和有效性，具有重要的研究价值。
二、研究目的
本研究旨在通过对粉砂岩在高温环境下的动态力学特性和破坏机理进行深入探究，为工程建设提供可靠的理论支持和技术保障。
三、研究方案
1. 文献综述：对国内外关于粉砂岩在高温环境下力学性质及其破坏机理研究的文献进行综述和分析，梳理现有研究成果，为本研究提供参考。
2.高温实验：通过高温环境下进行材料的实验，目的是重现实际工程条件下的物理过程，测试出粉砂岩的动态力学特性和抵抗高温膨胀的能力。
3. 数学模型：引入岩土力学的理论和方法，建立粉砂岩的数值模型，分析高温环境下粉砂岩的破坏机理，预测粉砂岩在不同温度下的强度和稳定性。
四、研究意义
通过实验和数值模拟，本研究旨在探究粉砂岩的高温强度和稳定性，为工程建设提供基础数据和理论支持。
同时，可以深入了解粉砂岩在高温环境下的变化机理，为
实际工程操作提供可靠的指导意见，进一步提高工程建设的安全性和有效性。
温度对常见岩石力学特性的影响规律作者：钟玄张恺宁管棋隆来源：《中国科技纵横》2017年第02期摘要：本文对砂泥岩和石灰岩在常温及经历100℃～800℃温度作用后的力学特性进行试验研究，考察了三种岩石在加温后的峰值应力、应变、弹性模量随温度的变化特征，并对其高温劣化机制制作了探讨。
研究结果表明：砂岩在常温～200℃内，峰值应力、应变呈下降趋势，弹性模量变化不大，而在200℃～600℃内，峰值应力、应变呈上升趋势，弹性模量变化不大，在T>600℃后，峰值应力与弹性模量都急剧下降，峰值应变略微上升；泥岩峰值应力、应变和弹性模量在常温～400℃内都呈上升趋势，在400℃～700℃内下降，而在T>700℃后又回升；石灰岩的峰值应力、应变和弹性模量在常温～200℃内，随温度的升高缓缓下降，在200℃～600℃内变化不大，当T>600℃后，峰值应力与弹性模量都急剧下降，峰值应变急剧上升。
温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致砂岩力学性质发生改变与高温劣化。
关键词：高温作用；力学特征；砂泥岩；石灰岩；弹性模量；矿物成分中图分类号：TD84 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0154-031 引言高温环境下的岩石工程问题，已成为岩石力学发展的新方向。
国内外学者对此展开了大量的研究，并已取得相应的研究成果。
张连英等采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下大理岩、石灰岩、砂岩的力学性能进行了研究，考察了三种岩石的全应力-应变曲线，给出了其峰值强度、峰值应变、弹性模量E随温度的变化特征；李明等人利用MTS652.02高温炉与φ50mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，对800℃加热后的砂岩试样进行单轴冲击压缩试验，分析了17.904～62.600s-1应变率范围内砂岩动力特性的变化规律；秦本东等利用自行研制的岩石加温装置和MT-150C岩石力学试验机，对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究；谌伦建等人采用偏光显微镜、扫描电镜及岩石力学试验系统等仪器设备研究了煤层顶板砂岩在常温到1200℃范围内的力学特性和破坏机理；查文华等利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱，对经历不同温度后煤系泥岩的力学特性进行试验研究，分析不同温度下煤系泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量以及泊松比受温度的影响；刘瑞雪等人利用MTS810电液伺服材料试验系统以及高温炉MTS652.02，在常温（25℃）～800℃条件下对泥岩试件进行了单轴压缩实验，分析了温度对泥岩的应力-应变曲线、弹性模量、峰值应力及峰值应变的影响。
温度与压力作用下页岩气井环空带压力学分析刘奎;高德利;曾静;房军;王宴滨【摘要】为解决页岩气井环空带压的问题,进行了压裂及生产过程中温度和压力变化对页岩气井环空带压影响的力学分析.以弹性力学为基础,建立了页岩气井直井段双层套管系统的力学模型,基于界面上应力相等及位移连续条件,推导了各界面的径向应力计算方程,并讨论了套管内压、温度、地应力等因素对水泥环封隔能力的影响规律.研究结果表明:温度升高、内压及地应力增大、水泥环弹性模量增大均有利于提高水泥环的封隔能力,减小套管壁厚有利于增加界面的径向应力;随着井深的增加,界面径向应力变大,水泥环封隔能力增强,提高直井段下部水泥环的封隔能力是降低井口环空带压风险的关键;第一界面和第二界面是固井失效的危险点,提高第一、第二界面的固井质量,有利于降低形成环空带压的风险.%With consideration of the severe problems related to annulus pressure in shale gaswells,mechanical analysis were performed to clarify the impact of changes in temperatures and pressures during fracturing and production on the annulus pressure in shale gas wells.According to elastic mechanical theories,a mechanical model of a double casing system was established.The formula in calculating the stress of each contact surface was derived based on a displacement continuity condition.In addition,the impact of casing internal pressures,temperatures and in-situ stresses on the sealing ability of a cement sheath were reviewed.Research results suggest that the increase in temperatures,internal pressures,in-situ stresses,and elastic modulus of cement are beneficial and may improve the sealing ability of the cement sheath.On the other hand,decreasing casingthicknesses can be damaging because it increases the radial stress on the interfaces.Radial stresses on interfaces may increase with well depths,so the key to relieving the annulus pressure in the wellhead is to improve the sealing ability of the cement in the lower section of the vertical well.The first and second interfaces are the dangerous positions and they are where there is maximum risk of cementing failure.Improving the cementing quality of the first and second interfaces is helpful in reducing the risk of annulus pressure generation.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2017(045)003【总页数】7页(P8-14)【关键词】温度;压力;页岩气井;环空带压;双层套管;水泥环;径向应力【作者】刘奎;高德利;曾静;房军;王宴滨【作者单位】石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京)),北京 102249;石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京)),北京 102249;石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京)),北京 102249;石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京)),北京 102249;石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京)),北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE21页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气。
高温高压条件下页岩储层特性与流体运移模拟标题：高温高压条件下页岩储层特性与流体运移模拟摘要：随着页岩气的大规模开发，对于高温高压条件下页岩储层的特性和流体运移模拟的研究日益重要。
本文将系统性地探讨高温高压条件下页岩储层的特性以及对流体运移行为的影响，并介绍了目前常用的流体运移模拟方法。
1. 引言页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，具有巨大的潜力和开发价值。
然而，高温高压条件下页岩储层的特性和流体运移行为相较于常规储层而言更为复杂，需要深入研究和模拟。
2. 高温高压条件下页岩储层特性高温高压条件下页岩储层主要特性包括：储层孔隙结构、岩石力学性质、流体吸附特性和渗流性能等。
其中，储层孔隙结构对储层的孔隙度、孔隙分布和孔隙尺寸等起着重要作用。
岩石力学性质是评估储层稳定性和产能的关键因素。
流体吸附特性表征了流体与岩石表面的相互作用，影响着储层中流体的吸附和解吸行为。
渗流性能则决定了页岩储层中流体的渗流速度和能力。
3. 高温高压条件下流体运移模拟方法为了准确模拟高温高压条件下页岩储层中流体的运移行为，研究者们采用了多种模拟方法，包括经验公式法、数值模拟法和实验模拟法等。
经验公式法基于实验数据和统计模型，简化了模拟过程，适用于初步评估和预测。
数值模拟法则通过建立适当的物理模型和数学方程，模拟储层中流体的运移和分布情况，能够提供更为详细和准确的结果。
实验模拟法则通过构建类似页岩储层的实验装置，模拟高温高压条件下的流体运移过程，得到实际可观察的数据。
4. 结论在高温高压条件下，页岩储层的特性与流体运移行为受到多种因素的影响。
对于高温高压条件下页岩储层的特性和流体运移模拟的研究，有助于预测储层中流体运移的能力和产能，优化开发方案，并为相关工程提供科学依据。
