西部白垩系地层人工冻结砂质泥岩蠕变力学特性研究

发布时间：2020-07-11 23:32

【摘要】：西部建井都要穿越大含水量的白垩系地层,该地层软岩具有强度低、胶结弱的性质,在采用人工冻结法穿越该富水岩层时,冻结软岩的力学性质直接影响到冻结井壁的稳定性,为确保矿区的安全生产,本次以不同低温条件下的岩石力学试验为主线,结合流变力学理论和蠕变损伤理论,建立能够反映白垩系地层人工冻结软岩力学特性的蠕变模型,对于正确预测和有效控制建井过程冻结井壁稳定性问题具有重要的理论指导意义。本文以甘肃新庄煤矿风立井筒冻结工程为背景,取白垩系砂质泥岩为研究对象,在室内进行测试岩石的基本参数和不同低温条件下的热物性测试,探究了低温条件对砂质泥岩的热参数影响,结果说明低温条件使砂质泥岩的比热容减小,热扩散系数逐渐增大。对冻结饱和砂质泥岩开展不同低温条件下的抗压强度测试,分析了不同低温条件对砂质泥岩抗压强度以及弹性模量的影响,结果表明温度越低岩石强度有了明显的提高,弹性模量也在不断增大,并给出了岩石峰值强度、弹性模量与温度条件之间的关系式。通过对不同埋深的砂质泥岩开展不同低温条件下的蠕变试验,得出白垩系冻结砂质泥岩其蠕变特性较为显著。岩石的变形是由瞬时变形和蠕变变形组成,荷载水平不断提高初始蠕变速率增长,并随时间而逐渐衰弱;围压增大蠕变衰减阶段经历时间越长,岩石试样延性增强;冻结温度越低软岩的蠕变应变量减小脆性增强,对蠕变稳定阶段的蠕变速率敏感度不高,但是稳定阶段应变发展速率有随荷载等级的提高而增大的趋势;用非稳定蠕变判别法对岩石试样的长期强度进行确定,估算结果较为保守适用于工程使用,为瞬时破坏强度的50%左右。提出了弹塑性损伤体,对典型开尔文体进行优化,利用Lematrie应变等价假说引入了损伤变量蠕变寿命tF对Kachanov所提出的损伤演化方程进行了改进,推导得出能够反映白垩系冻结砂质泥岩蠕变全过程的损伤模型,并给出了5个参数的确定方法,最后通过蠕变曲线数据对岩石蠕变损伤模型进行了验证,结果证明了本文所建立的蠕变损伤模型的可靠性,势必对冻结井壁的稳定性问题提供了理论支撑。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45
【图文】：

技术路线图

岩样,试样,岩石物理力学性质,工程岩体

直罗组、延安组砂岩孔隙、裂隙承压水的含水层。岩样采集与制备.1 岩样的采集所研究的岩样取自甘肃新庄煤矿风立井白垩系地层砂质泥岩，采样图 3.1。参考工程岩体试验方法标准》(GB50266-2013)和《煤和岩石物理力学性质测定方B/T23561.1-2009)关于采样的相关规定，依照本文研究方案，岩样的选取严格按规定进行：提前获取工程背景所属地的地质信息，熟悉采样点的地层信息和水文地质特征（2）每组试样的选取需保证其力学特性相同。（3）为保证试验准确性，需选取较大体积的试样，且表面无显著裂缝。（4）根据试验中所需试样的个数，预估所需采集的岩样。（5）岩样在运输途中，需用对层泡沫填实防止振动对岩石结构引起的破坏。为确保试验精确性，在取样时用保鲜膜密封以减少水分丢失，进一步分类，记的性质、埋深、日期等详细现场数据，而后运输到指定位置。

岩样,实验室,钻取

样；（5）如图 3.2（d）所示，选取符合标准的岩样依次标号，按照要求测量 2 次岩样度及直径，并取 2 次测值的均值为最终结果。由于风立井在穿越富水岩层时采用冻结法施工，因此对于钻取好的试样全部进行空，再全部进行饱和，对筛选好的试件进行编号，编号 X-Y 所表示的意思为：字母表三种不同温度常温（20℃、-5℃，-10℃，-20℃）；字母 Y 代表 4 种不同围压条Pa，6MPa，8MPa，10MPa。详见表 3.2。(a) 岩样钻取 (b) 切割前岩样

【参考文献】