热力耦合作用下花岗岩热破裂规律数值模拟研究

发布时间：2020-08-09 09:25

【摘要】：随着经济快速发展,传统煤炭石油等资源趋于枯竭,同时带来巨大的生态问题,为实现可持续发展,寻找绿色可替代能源已是燃眉之急。储量丰富的地热资源是绿色可再生能源,将是未来社会发展的源动力。花岗岩在高温高压下的力学性质研究和热破裂机理将对高温地热开发有极大的指导作用。花岗岩的热破裂本质是由于成岩组分具有不同的热膨胀系数,在温度升高时,不同组分颗粒的热膨胀变形不同,但在岩体内部,任何组分颗粒不能按照自身热膨胀系数进行膨胀变形,受热后,组分颗粒会受到周围颗粒的挤压或拉伸,由此产生热应力,又因为组分间胶结物质较弱,热应力往往会在这里集聚,首先引发破裂。受限于当前技术条件,无法在高温高压环境下对岩体内部热破裂作出实时有效观测,因此,数值模拟成为一种热破裂研究必不可少的手段。本文在总结前人数值模拟研究的基础上,为合理表征花岗岩非均质性是由不同大小成岩组分颗粒在空间上的随机分布造成的这一本质,利用数字图像处理技术,构建了基于花岗岩表面细观组分分布的二维PFC颗粒流模型,并对照室内标准单轴压缩试验,完成了PFC模型的参数标定。并参照高温三维应力下花岗岩渗透率测定试验和声发射采集试验,完成了花岗岩热破裂的数值模拟,应力状态和升温过程与试验保持一致。通过与试验结果相比较,初步证明了这种数值模拟方法的正确性。本文的主要结论如下:(1)基于数字图像技术构建花岗岩二维平面模型,能够准确表征花岗岩成岩矿物的颗粒大小以及空间分布形态,为合理的表征花岗岩等岩土体材料的非均质性提供了一种新的方法。(2)进行了室内标准单轴压缩试验,使用“试错法”,根据试验结果对所建模型进行了标定,获取了本次数值试验所需的各项细观颗粒接触参数,完成了数值模型力学特性的构建。(3)花岗岩的热破裂存在两个阈值温度区间,一是170-230℃,二是370℃左右,特别是370℃左右,热破裂剧烈产生。花岗岩在100℃以前热破裂发展缓慢,第一个阈值温度区间与花岗岩的非均质度有关。(4)热破裂主要产生于石英-云母和石英-长石边界,在岩体边界处破坏较严重;岩体的非均质度对热破裂具有极大的促进作用;花岗岩在应力状态下的热破裂,随着所施加的轴压和水平压的应力差增大,热破裂时剪切破坏所占的比例相应提高。(5)花岗岩的热破裂起始于组分边界,在430℃时已经形成包围组分团块的不规则封闭裂纹,部分组分产生穿晶裂纹,这与利用CT观测花岗岩热破裂的实验结果相吻合。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD313

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本文编号：2786927