孔隙岩石变形破坏机制及其影响因素研究_熊良锋.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220421 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774020，51934003)Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.51774020 and 51934003)作者简介：作者简介：熊良锋(1993)，男，2022 年于北京科技大学采矿工程专业获博士学位，导师为吴顺川教授，主要从事岩石力学和工程稳定性方面的教学与研究工作。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0402 孔隙岩石变形破坏机制及其影响因素研究孔隙岩石变形破坏机制及其影响因素研究 熊良锋(江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000)博士学位论文摘要：博士学位论文摘要：岩石局部化变形在地壳中普遍存在，其通常是各类地质运动、自然和工程次生灾害的主要原因。岩石变形响应在低围压时往往表现出脆性特征，而在高围压时进入延性状态，但孔隙空间的附加变形可能会引起局部化压缩破坏、并降低其输运性质，进而影响火山活动、油气开发和原位流态化采矿等。然而，孔隙岩石的微观结构性质和所处应力环境尤其复杂，该现象对于理解其本征力学行为造成诸多困扰。为此，本文将基于室内试验和数值模拟方法探讨孔隙岩石变形问题，以更好地揭示其微观机制和潜在的影响因素。(1)通过不同孔隙率岩石的循环加卸载试验，描绘其损伤演化规律和宏微观破裂特征，由此建立基于微观结构的孔隙岩石数值模型，并验证其合理性和反映脆延性转化的一般规律。室内试验发现，不同压缩机制下的岩石变形均表现出非线性，其损伤始终在不断发展、而变形参数具有明显的应力依赖性；岩石破坏是一渐进过程，微破裂活动主要集中在宏观破裂面附近，而孔隙空间和围压往往会促进局部的颗粒破碎活动。数值模拟表明，基于矿物颗粒和宏观孔隙的数值模型，可反映岩石脆延性转化过程中的微破裂活动和能量演化规律；变形局部化过程往往伴随着剧烈的微破裂活动和能量释放，而压缩带的形成通常需要较高的孔隙率、围压和压缩变形；提高围压水平通常会促进剪切破裂和颗粒内破裂，而增加孔隙率有助于提高拉伸破裂和颗粒间破裂的相对比例。(2)通过调整矿物和胶结状态、矿物颗粒尺寸、宏微观孔隙结构和孔隙率等内部因素，分析不同压缩机制下微破裂活动和能量组分的变化规律，以探讨岩石微观结构对其变形破坏机制的影响。数值模拟表明，孔隙率是岩石变形响应的主要控制因素，但其微破裂活动和能量释放过程通常受到矿物粒径分布、矿物和胶结强度、宏观孔隙相对尺寸、微观孔隙比例等内部因素的作用；在高围压环境下，细粒岩石倾向于均匀的碎屑作用，而矿物和胶结状态对岩石破坏形态的作用较小；宏观孔隙是压缩带产生的必要条件，而增加宏观孔隙尺寸和微观孔隙比例均可促进压缩带的发展。(3)通过引入宏观非均质结构、边界条件和钻孔空间等外部因素，分析不同压缩机制下微破裂事件和颗粒破碎活动的发展规律，以研究非均质应力场对其变形破坏过程的作用。数值模拟表明，刚性和摩擦边界对孔隙岩石高压响应的影响较小，而宏观孔隙结构往往起控制作用，其中边缘孔隙是局部化变形的起始区域，但非均质结构所引起的应力重分布会影响局部化变形的发展过程；含孔岩石受压时的破裂范围通常位于切向应力的高水平区域，其具体特征与边界压力、钻孔尺寸和岩石微观结构有关；在考虑钻孔过程时，围岩破裂表现出明显的应力环境依赖性，其强度和规模均可能高于含孔岩石的受压响应；扩孔过程往往会加剧微破裂活动，但围岩破裂形态在钻孔边缘的露头取决于其初始阶段。关键词：关键词：岩石力学；脆延性转化；变形带；局部化；破裂；能量 中图分类号：中图分类号：TU 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03078001 Mechanisms and factors of the localized deformation in porous rocks XIONG Liangfeng(School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China)