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高溫三軸應(yīng)力下花崗巖蠕變—滲透—熱破裂規(guī)律與地?zé)衢_采研究

來源:論文學(xué)術(shù)網(wǎng)
時(shí)間:2024-08-19 04:51:03
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高溫三軸應(yīng)力下花崗巖蠕變—滲透—熱破裂規(guī)律與地?zé)衢_采研究【摘要】:能源問題是世界各國十分關(guān)注的熱點(diǎn)問題,是關(guān)系到國家安全的重大戰(zhàn)略問題。高溫巖體地?zé)崾?9世紀(jì)70年代才提出并開始試

【摘要】:能源問題是世界各國十分關(guān)注的熱點(diǎn)問題,是關(guān)系到國家安全的重大戰(zhàn)略問題。高溫巖體地?zé)崾?9世紀(jì)70年代才提出并開始試驗(yàn)開發(fā)的,在美、日、英、法等國得到了較好的發(fā)展,被認(rèn)為是幾乎用之不竭的綠色的能源。高溫巖體地?zé)崮苤饕N(yùn)藏在花崗巖類巖體中,圍繞著高溫巖體地?zé)衢_采一系列工程與技術(shù)難題,急需揭示高溫三維應(yīng)力條件下花崗巖體的蠕變、滲流、熱破裂等一系列基本規(guī)律,為設(shè)計(jì)與制訂高溫巖體地?zé)衢_采的技術(shù)方案提供指導(dǎo),綜合已有的各類成果,以中國西藏羊八井地?zé)嵘畈扛邷貛r體地?zé)衢_采為例,研究經(jīng)濟(jì)高效的開采方案,對中國和世界高溫巖體地?zé)衢_采無疑具有重要意義。 采用中國礦業(yè)大學(xué)的“20MN高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)”,對ΦD200mm×400mm大尺寸花崗巖試件在高溫下的蠕變特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究,溫度高達(dá)600℃,軸向應(yīng)力最高達(dá)175MPa。圍壓最高達(dá)175MPa。本文詳細(xì)介紹了三維應(yīng)力作用下,花崗巖在高溫條件下的蠕變試驗(yàn)方法和結(jié)果,結(jié)合理論與試驗(yàn)結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)了花崗巖在300℃時(shí)軸壓94MPa圍壓75MPa時(shí)花崗巖經(jīng)歷蠕變的第一階段和第二階段,蠕變變形逐漸停滯,呈現(xiàn)明顯的穩(wěn)態(tài)蠕變的特征;在400℃,軸壓125MPa圍壓100MPa時(shí),呈現(xiàn)明顯的非穩(wěn)態(tài)蠕變特征。試驗(yàn)還揭示了花崗巖的蠕變性隨溫度和應(yīng)力的升高而增強(qiáng),蠕變性態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度門檻值在300℃到400℃之間。 通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)高溫三維應(yīng)力條件下平均主應(yīng)力引發(fā)魯灰花崗巖發(fā)生蠕變變形,提出了考慮平均主應(yīng)力應(yīng)力作用時(shí)穩(wěn)態(tài)蠕變率的本構(gòu)方程,得到了魯灰花崗巖蠕變本構(gòu)方程的參數(shù)A.、A2、△Q、m、n。研究還發(fā)現(xiàn)靜水應(yīng)力下的蠕變和差應(yīng)力下的蠕變曲線特征相同,同樣可以劃分為初始蠕變階段,穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段三個(gè)階段,在300-400℃之間存在一個(gè)門檻值,當(dāng)溫度達(dá)到這個(gè)門檻值后,在靜水應(yīng)力作用下,魯灰花崗巖蠕變曲線的初始蠕變階段消失。魯灰花崗巖的蠕變變形是溫度,差應(yīng)力和平均主應(yīng)力應(yīng)力的函數(shù),溫度、差應(yīng)力和平均主應(yīng)力應(yīng)力的升高都會加速魯灰花崗巖的蠕變變形。研究發(fā)現(xiàn):(1)三維應(yīng)力條件下魯灰花崗巖300℃,500℃的軸向蠕變和300℃,500℃,600℃的體積蠕變變形均可劃分為:瞬態(tài)蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。(2)高溫三維應(yīng)力條件下,魯灰花崗巖試樣的體積、長度和半徑隨蠕變時(shí)間的增加出現(xiàn)增長,這是因?yàn)闊崞屏岩饚r石的內(nèi)部產(chǎn)生了大量的微裂紋,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)試樣的側(cè)向比軸向變形增長的速度快。(3)以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)將平均主應(yīng)力應(yīng)力引發(fā)體積蠕變,差應(yīng)力引發(fā)軸向蠕變作為三維應(yīng)力狀態(tài)下黏彈塑性問題的假設(shè),導(dǎo)出三維應(yīng)力條件下Burgers體模型體積蠕變的本構(gòu)方程。(4)通過對蠕變曲線的分析發(fā)現(xiàn),可以用Burgers體模型來模擬魯灰花崗巖300℃,500℃的軸向蠕變和300℃,500℃,600℃的體積蠕變,并且求出模型的參數(shù)。 在花崗巖蠕變——滲流實(shí)驗(yàn)的同時(shí),還實(shí)時(shí)測試花崗巖樣在熱破裂作用下的滲流規(guī)律,實(shí)驗(yàn)揭示了:(1)在三維應(yīng)力的條件下,花崗巖發(fā)生了熱破裂。在熱破裂升溫過程中,花崗巖樣的滲透率隨溫度的升高而表現(xiàn)為正指數(shù)增大的規(guī)律。(2)在熱破裂作用的初期,花崗巖樣滲透率隨溫度的增加而緩慢增加。在熱破裂作用的后期,花崗巖樣滲透率隨溫度的升高而急劇升高直至達(dá)到滲透率峰值。(3)在整個(gè)熱破裂升溫的過程中,各花崗巖樣的滲透率隨溫度的升高而不斷增加,滲透率變化率隨溫度的升高而不斷加速。(4)在靜水應(yīng)力和熱破裂作用下,花崗巖樣滲透率峰值和初始值的比值最高可達(dá)93倍,滲透率的變化率最高達(dá)3.5×10-07d/℃,熱破裂作用極大地增強(qiáng)了花崗巖的滲透特性。 上述實(shí)驗(yàn)同時(shí),還采用美國物理聲學(xué)公司24通道聲發(fā)射儀對蠕變實(shí)驗(yàn)期間的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。實(shí)驗(yàn)得到了高溫三維應(yīng)力條件下,巖樣在蠕變變形期間的聲發(fā)射規(guī)律如下:在瞬態(tài)蠕變變形階段此時(shí)聲發(fā)射信號較強(qiáng),隨時(shí)間的延長聲發(fā)射信號強(qiáng)度稍稍減弱。在巖樣的穩(wěn)態(tài)蠕變變形階段,巖樣的變形以粘塑性變形為主,聲發(fā)射信號進(jìn)入平靜期。在穩(wěn)態(tài)蠕變變形階段的后期,巖樣內(nèi)部重新開始產(chǎn)生裂紋,聲發(fā)射信號各參數(shù)越來越強(qiáng)。在巖樣的加速蠕變變形階段,聲發(fā)射各參數(shù)的強(qiáng)度越來越大并最終達(dá)到峰值。在高溫三維應(yīng)力條件下,巖樣聲發(fā)射的能量事件比、事件計(jì)數(shù)率、振鈴計(jì)數(shù)率、振幅計(jì)數(shù)率和能量計(jì)數(shù)率各參數(shù)之間具有較好的相似性。 詳細(xì)研究了中國西藏羊八井地區(qū)的高溫巖體地?zé)崽镄纬傻拇箨憚?dòng)力學(xué)環(huán)境,念青唐古拉山南坡、當(dāng)雄羊八井盆地的構(gòu)造特征、地應(yīng)力大小與方向,5-15km深部的高溫熔融巖體結(jié)構(gòu)、高溫巖體熱盆的溫度場分布和熱能資源量。羊八井高溫巖體地?zé)崽锟砷_發(fā)的高溫巖體地?zé)豳Y源量達(dá)5.4×108萬千瓦/年,是中國巨大的潛在的綠色能源。研究提出了利用高溫熔融區(qū)附近的斷層剪切滑移帶作為人工儲留層,沿?cái)鄬觾A斜方向的低處布置垂直注水井與高出布置傾斜生產(chǎn)井的羊八井高溫巖體地?zé)衢_采方案。深入分析了考慮地層應(yīng)力作用的熱流交換區(qū):的滲流場特征、人工儲留層特征,進(jìn)行了工程實(shí)施與投資概算分析,該人工儲留層的圍巖體積量3×1011m3,是英國Cornwall高溫巖體地?zé)衢_采試驗(yàn)工程采用水壓致裂建造的人工儲留層體積量的360倍。由一口注水井和兩口生產(chǎn)井組成的一套高溫巖體地?zé)衢_采系統(tǒng),可建造一座1000萬千瓦的電站,發(fā)電100年以上,具有極好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。 【關(guān)鍵詞】:高溫 三維應(yīng)力 花崗巖 蠕變 滲流 熱破裂 羊八井 高溫巖體地?zé)?/strong> 開采方案
【學(xué)位授予單位】:太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2013
【分類號】:TD872.2
【目錄】:
  • 摘要3-6
  • Abstract6-11
  • 第一章 緒論11-31
  • 1.1 概述11-12
  • 1.2 課題研究背景和意義12-15
  • 1.3 熱破裂引起的巖石力學(xué)問題的研究現(xiàn)狀及問題15-29
  • 1.4 本文主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線29-31
  • 第二章 高溫三維應(yīng)力下魯灰花崗巖的蠕變實(shí)驗(yàn)研究31-53
  • 2.1 引言31-32
  • 2.2 高溫三維應(yīng)力下魯灰花崗巖的蠕變變形特性32-43
  • 2.3 高溫三維應(yīng)力下魯灰花崗巖的蠕變模型43-52
  • 2.4 本章小結(jié)52-53
  • 第三章 靜水應(yīng)力下魯灰花崗巖蠕變變形機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究53-67
  • 3.1 引言53
  • 3.2 實(shí)驗(yàn)介紹53-54
  • 3.3 靜水應(yīng)力下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析54-61
  • 3.4 靜水應(yīng)力下魯灰花崗巖蠕變本構(gòu)方程61-62
  • 3.5 討論62-65
  • 3.6 本章小結(jié)65-67
  • 第四章 三維應(yīng)力下花崗巖熱破裂的滲透實(shí)驗(yàn)研究67-90
  • 4.1 引言67-68
  • 4.2 高溫三維應(yīng)力下,花崗巖滲透率的實(shí)驗(yàn)方法68-70
  • 4.3 三維應(yīng)力下溫度對花崗巖氣體滲流規(guī)律的影響70-76
  • 4.4 三維應(yīng)力對非均質(zhì)巖石熱破裂規(guī)律的影響76-83
  • 4.5 不同孔隙壓下花崗巖熱破裂的滲流規(guī)律83-86
  • 4.6 加溫速率對花崗巖熱破裂規(guī)律的影響86-88
  • 4.7 本章結(jié)論88-90
  • 第五章 三維應(yīng)力下花崗巖高溫蠕變的聲發(fā)射演化規(guī)律研究90-100
  • 5.1 引言90-91
  • 5.2 實(shí)驗(yàn)介紹91-92
  • 5.3 高溫三軸蠕變聲發(fā)射的規(guī)律92-98
  • 5.4 本章小結(jié)98-100
  • 第六章 西藏羊八井地區(qū)高溫巖體地質(zhì)特征與地?zé)衢_采方案100-110
  • 6.1 引言100-101
  • 6.2 羊八井高溫巖體地?zé)釡囟葓龇植寂c熱能資源估算101-103
  • 6.3 羊八井地?zé)崽铿F(xiàn)今構(gòu)造地應(yīng)力場特征103-105
  • 6.4 羊八井深部高溫巖體地?zé)衢_采技術(shù)方案分析105-109
  • 6.5 本章結(jié)論109-110
  • 第七章 結(jié)論與展望110-112
  • 7.1 結(jié)論110-111
  • 7.2 展望111-112
  • 參考文獻(xiàn)112-125
  • 致謝125-126
  • 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文126-127
  • 博士學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性說明127


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