巖石熱破裂與非均質性關系的研究

巖石熱破裂與非均質性關系的研究

巖石由各種材料組成，其中巖漿巖種類和含量的差異構成了不同的巖石類別，如形狀、結構和組成。隨著巖漿巖資源的熱脹，原始巖漿巖和支那的熱脹生物之間不可避免地會發(fā)生熱態(tài)平衡。隨著溫度持續(xù)上升，直到熱態(tài)平均力大于礦物的分解強度，巖芯內部出現裂縫，這就是巖石的熱斷裂。因此，在溫度載荷的作用下的變形破壞過程中，其均勻質量對破壞的影響是決定性的。幾十年來，基于均質度的研究取得了很大進展。巖石力學分析能否成功解決實際巖石工程中的問題，取決于巖石力學分析是否真實反映了設計巖體的不均勻性。前蘇聯學者馬胡夫和中國科學家王昌漢在他們的作品中討論了這一問題。巖石幾何特征分布的不均勻性導致巖石的內部強度是不均勻的，而且這些特征的分散程度非常大。由于強度不均，巖石受到破壞，裂縫從巖石的最脆弱部分開始，并延伸。這些裂縫的組合將導致巖石的最終破壞。因此，有必要考慮巖石破壞，并引入巖石的不規(guī)則特性。大量實驗證明,不同巖石在溫度的影響下會產生不同的熱破裂行為,這種熱破裂行為在一定溫度范圍內具有突變現象——巖石熱破裂具有溫度門檻值,即不同巖石具有不同熱破裂門檻值.綜合前人的研究成果,巖石在溫度作用下發(fā)生熱破裂行為主要與下列幾方面有關:(1)巖石中的成巖礦物種類及含量,各礦物晶體的結構、形態(tài)和物理性質等;(2)成巖礦物中所含結晶水、結構水的含量差異;(3)巖石具有的原生裂隙及其次生裂隙的數量、大小和形態(tài).巖石熱破裂的細觀實驗也充分說明了巖石在溫度影響下的熱破裂行為與巖石的種屬、結構有著密不可分的關系,巖石的組成、結構、形態(tài)等各不相同決定了其在溫度影響下會產生不同的熱破裂行為.其中,礦物成分在巖石的熱破裂行為的變化過程中起著決定性的作用,它導致了不同巖石具有不同的熱破裂門檻值.在此,本文通過對試驗確定的不同巖石熱破裂門檻值與巖石中所含礦物的對比研究,了解巖石本身的性質與巖石熱破裂門檻值之間的相關關系,為巖石熱破裂的深入研究提供思路.1巖石的異質質量1.1巖石礦物細觀結構與熱破裂為了研究問題的簡便,本文僅對影響巖石熱破裂行為的主要因素進行討論,暫不考慮其他因素.引入3點假設:(1)影響巖石熱破裂門檻值的主要決定因素是成巖礦物,不考慮巖石內部的原生微小裂隙和次生裂隙等因素的影響;(2)對巖石熱破裂門檻值具有決定作用的是質量(體積)含量大于1%的成巖礦物,而小于1%的成巖礦物則不予考慮;(3)巖石的熱破裂門檻值是一個溫度范圍,為了研究方便起見,這里取溫度上下限的算術平均值.通過以上假設,定義一個概念——巖石礦物的非均質度.它指的是巖石礦物某一物理量測量值的數學分布,表示巖樣內部各礦物的測量值大小及各巖樣測量值的變化.幾種巖石的細觀結構見圖1.通過巖石礦物的非均質度值,我們可以了解巖石內部礦物的空間分布關系以及巖石內部各礦物含量的相對關系(見圖1),并利用巖石非均質度指標對巖石熱破裂行為進行探討.非均質度定義包括兩個方面:巖石礦物質量非均質度與巖石礦物體積非均質度.本文采用巖石熱破裂門檻值與巖石礦物的非均質度,兩參數均由實驗測算得出,巖石的熱破裂門檻值由熱破裂實驗直接確定,而巖石礦物的非均質度值則由XRD實驗結果及下式計算得出.定義巖石礦物的非均質度為:Bn=1∑i=1,nb21(1)Bn=1∑i=1,nb12(1)式中:n為巖石所含礦物種類數;bi為各礦物某一物理量所占總物理量值百分比.(質量百分比m,體積百分比v);Bn為巖石礦物的非均質度.(質量非均質度Mn,或體積非均質度Vn).從上式可以看出,巖石質量非均質度Mn表示內部所有礦物質量百分比的平方和的倒數,其值的大小反映了巖石中是否有一種或部分礦物質量在整個巖石中占據優(yōu)勢地位,從而決定了巖石物理力學性質的非均質性程度.當組成巖石的礦物種類越多,巖石內部會呈現質量的不規(guī)則占據.巖石礦物的體積非均質度Vn,則表示組成巖石內部所有礦物成分的體積含量百分比的平方和的倒數.Vn的大小,反映了巖石礦物在巖石內部所展現出空間分布上的非均質狀態(tài).顯然,當非均質度趨于1時,表明巖石為單質或幾種礦物的集合體,該巖樣具有統(tǒng)計均勻特性;當非均質度大于1并趨于無窮時,表明巖石為多種礦物的集合體,該巖樣內部礦物的物理性質有顯著差異,其熱破裂過程是一個非穩(wěn)定過程,具有明顯的非均質特點.根據不同巖石樣品的細觀熱破裂實驗,對實驗中獲取的各類巖石的熱破裂門檻值進行統(tǒng)計平均以及各巖樣的XRD衍射分析結果,對組成巖石的各礦物進行統(tǒng)計分析和換算,確定各巖石的非均質度值.實驗結果見表1.1.2巖石礦物非均質度與熱破裂門檻值的關系非均質性的存在使試樣的應力分布局部集中和變形局部化,是引起裂紋復雜相互作用和擴展貫通方式的根源.巖石的非均勻性對巖石的熱破裂行為影響很大.通過圖1可以直觀看出巖樣礦物的空間分布情況:魯灰花崗巖的礦物晶體顆粒較為粗大而完整,空間分布均勻;長石砂巖的礦物晶體顆粒的空間分布較差,但比永城中砂巖礦物發(fā)育情況好;阜新細砂巖的組成礦物較多,空間分布復雜.通過計算得知,各巖樣非均質度值的大小排序依次為:阜新細砂巖>永城中砂巖>永城長石砂巖>魯灰花崗巖,計算結果與實際觀察的結果是吻合的.XRD實驗及熱破裂試驗表明,巖石的熱破裂門檻值與所含礦物種類數呈反比關系,即隨著巖石中礦物種類個數的增加,巖石的熱破裂門檻值呈逐步下降的趨勢.以巖石Mn為例,對巖石非均質度與熱破裂門檻值進行分析,Mn—K關系見圖2,擬合圖2中的曲線,得到(2)式.質量非均質度與熱破裂門檻值的擬合關系:K=169.05Mn0.2934(2)相關系數R2=0.8642,擬合結果比較理想.可以看出,隨著巖石礦物非均質度值的減小,巖石的熱破裂門檻值呈逐漸增大的趨勢.曲線擬合結果表明,巖石的熱破裂門檻值與其非均質度具有較強的相關性,兩者表現出了較強的冪函數關系.統(tǒng)計分析表明,巖石礦物的Mn、Vn與巖石K的關系具有相似性.由上面實驗結果分析可以得到,巖石的非均質度對巖石熱破裂行為有影響作用,從而影響巖石熱破裂門檻值.實驗結果顯示,巖石的非均質度越大,巖石礦物的分布也越復雜,越容易形成應力集中,導致較早形成熱破裂網絡.2巖石礦物非均質性與熱破裂門檻值關系分析本文通過巖石熱破裂試驗以及XRD衍射分析,結合巖石的結構特征及非均質性,給出了巖石的非均質定量表征參數:質量非均質度和體積非均質度.對巖石非均質性與巖石熱破裂門檻值關系進行研究分析表明,以巖石礦物的非均質性為研究對象,采用巖石礦物的非均質度參數為指標,能夠較好地表征巖石熱破裂門檻值的規(guī)律性,兩者具有較為顯著的相關性.巖石的質量非均質度(Mn)—熱破裂門檻值(K)關系滿足