高温水冷后花岗岩微观孔径及渗透性分析

高温热处理后岩石的物理力学性质的变化与其内部孔隙结构的改变有关.以高温水冷处理后的两种花岗岩为研究对象,进行了气体渗透试验,研究了其渗透性随温度的演化规律及微观孔隙结构的变化,并利用比表面积及孔径分析测试从微观层面分析了高温水冷处理后花岗岩的损伤演化和裂隙发育机理,为宏观物理性质改变提供了理论依据.结果表明,两种不同的花岗岩在受到高温水冷后表现出相同的规律,随着温度的升高,岩石内部逐渐产生温度裂隙,比表面积增大、总孔体积增大.利用比表面积及孔径分析得到了岩石内部纳米级孔隙的分布情况,发现在温度的作用下岩石内部的介孔受温度的影响最大.可见,在高温热处理后花岗岩内部的温度裂隙是影响岩石物理性质的主要因素之一,同时利用比表面积及孔径分析测试可以得到花岗岩内部的纳米级孔隙分布情况,为花岗岩的微观孔隙结构研究提供了技术支持.     

巢湖地区坟头组泥岩遇水软化特性与机理试验研究

从物理力学性质、矿物与化学成分、微观结构等方面,对巢湖地区坟头组海相粉砂质泥岩遇水软化的特性与机理进行试验研究.利用DB-16超声测速仪、单轴压力机,测试岩样浸于蒸馏水后不同时间波速、抗压强度的变化;采用电感耦合等离子体法,分析岩样浸泡液化学成分随时间的变化;利用X射线衍射、荧光光谱分析,测试岩样矿物化学成分变化情况;采用电子扫描显微镜观察岩样微观结构,并利用GIS软件对不同浸水时间岩石孔隙率、孔隙表面积进行半定量计算.试验表明,泥岩浸水后,单轴抗压强度和波速明显下降,岩石孔隙率下降,孔隙表面积增加;浸水前后,泥岩化学成分变化不大;水沿微裂隙进入岩石内部,溶解可溶盐胶结,使裂隙向纵深发展,进而使裂隙连通导致岩石软化,其中,岩石微裂隙的产生与岩石内部的不均一性密切有关.     

含弧形裂隙花岗岩裂纹扩展特征PFC模拟

为了研究非直裂隙对岩石强度及破裂特征的影响,对含弧形裂隙岩样进行单轴压缩模拟,探讨弧形裂隙几何参数对试样宏细观力学行为的影响规律。首先,利用颗粒流程序(PFC)构建花岗岩试样数值模型,通过与完整和含单直裂隙试样室内试验结果进行比较,标定1组能够反映花岗岩力学特性的细观参数。在此基础上,对含不同裂隙倾角α和裂隙长短轴比γ的弧形裂隙试样进行单轴压缩模拟。研究结果表明：1)含弧形裂隙试样的峰值强度和弹性模量随着α增大而增大。当α=0°和45°时,试样的峰值强度和弹性模量随着γ的增大而增大;当α=90°时,试样的峰值强度和弹性模量随着γ的增大而减小。2)含弧形裂隙试样主要发生拉伸破坏,初始裂纹在裂隙尖端萌生,随着α增加,试样的破坏程度逐渐增大;γ主要影响裂纹类型、数量和萌生位置。3)首先在弧形裂隙尖端出现应力集中,初始裂纹产生后在裂纹尖端附近出现应力集中,微裂纹逐渐聚集、连通形成宏观裂纹,宏观裂纹的不断扩展导致试样破坏。     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

混合花岗岩加载细观力学特性及破裂演化规律

根据室内试验获得的岩石宏观物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,标定模型材料细观力学参数,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴压缩试验进行模拟.通过对试验与模拟应力-应变曲线、AE声发射与PFC程序中“Crack”裂纹监测成果等的综合比较研究,获得荷载作用下杏山铁矿-45 m水平混合花岗岩细观力学特性、微破裂行为以及岩石微裂隙发展与宏观破裂演化规律.通过对混合花岗岩单轴和不同围压下三轴压缩PFC模拟曲线与室内试验结果的比较可知,PFC模拟能准确地表征荷载下岩石颗粒的细观力学特性和运动学行为.     

聚丙烯纤维混凝土高温后的孔隙结构特征研究

以吸附-凝聚理论为基础,采用氮吸附法研究聚丙烯纤维混凝土在不同温度下的孔隙结构特征.通过分析试样的吸附-脱附等温曲线特征、孔径分布、比表面积,探讨了高温作用以及聚丙烯纤维对混凝土孔隙结构的影响.试验结果表明:经历不同温度的混凝土,其硬化水泥砂浆试样中均存在两端开口的孔隙,且温度越高开口孔隙的孔径越大,连通性更强.经历高温后,混凝土孔隙结构发生了改变,孔径大于200nm的孔隙数量显著增多,孔径小于50nm的孔隙相应减少,最可几孔径显著增大.经历高温前,聚丙烯纤维混凝土试样的比表面积均小于普通混凝土,最可几孔径则差别不大.与普通混凝土相比,聚丙烯纤维混凝土中小孔分布较少,而孔径较大的孔分布更多.经历高温后,纤维混凝土试样的孔径分布规律和比表面积与普通混凝土接近.     

基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征试验

基于声发射定位技术和矩张量分析方法,对在单轴加载条件下岩石破裂过程中的裂纹破裂机制及时空分布特征进行试验研究.借助CAD软件展示不同破裂机制的声发射事件,直观反映裂纹破裂类型.研究结果表明:单轴压缩加载试验中,花岗岩试样破裂以剪破坏为主,但岩石微裂纹的破裂类型所占比例并不固定,岩石内部微裂纹破裂类型与岩石材料的力学环境有关;花岗岩作为一种脆性岩石,破裂不符合格里菲斯强度准则认为的脆性材料都是拉伸破坏的基本观点,证明格里菲斯强度准则对于均质度不高的脆性岩石的适用性有一定的局限;花岗岩单轴压缩试验中,试样的破坏类型与其应力水平没有关系,3种类型的声发射事件随应力增大的变化趋势相似.     

新疆阜康矿区煤层孔隙结构特征的氮吸附实验研究

为研究新疆阜康矿区主采煤层吸附孔孔隙结构特征,选取该矿区四个典型煤样,基于低温氮吸附实验绘制了煤样的吸附解吸等温线,得到煤的孔隙直径,采用BET模型和BJH模型计算了孔隙比表面积和体积等参数,分析了煤样孔隙比表面积及体积分布规律。结果表明:新疆阜康矿区煤的吸附解吸等温线回滞环很小,吸附孔以一段开口的均匀圆筒形孔为主。煤样吸附孔发育程度差别明显,导致各煤层对瓦斯吸附储存能力有所不同。各煤样孔径分布较为均衡,比表面积以过渡孔占比最大,其次为微孔及中孔;过渡孔和中孔的孔隙体积占比较大,微孔较小。煤样孔隙体积分布规律基本一致,比表面积在过渡孔和中孔范围内分布规律相同,微孔范围内分布差异较大。     

低阶煤宏观煤岩组分孔隙结构特征研究

宏观煤岩组分孔隙发育规律研究对准确评价煤储层孔隙结构特征具有重要的现实意义。为得到低阶煤不同组分的孔裂隙发育特征,基于核磁共振技术研究了具有代表性宏观组分(镜煤和暗煤)的孔裂隙类型、孔隙连通性、孔隙度和孔径结构分布。研究发现,低阶煤饱和流体煤样核磁共振横向弛豫时间T₂谱3个谱峰分布于0.1～1 ms、10 ms和>100 ms处,分别对应于吸附孔、渗流孔和裂隙,孔裂隙类型以吸附孔为主;各煤样的T₂截止值和有效孔隙度均表现为暗煤大于镜煤,且煤岩有效孔隙度与渗透率呈线性相关关系;通过表面弛豫率和吸附峰T₂值得出各煤样孔径分布特征,孔径分布结果与液氮吸附测试结果吻合。结果表明,低阶暗煤孔裂隙发育程度优于镜煤,暗煤具有较大的孔径和更好的连通性,更有利于煤层气等流体的渗流和迁移。     

川西坳陷上三叠统须家河组页岩纳米孔隙结构特征

页岩储层的纳米孔隙结构对页岩含气性评价和勘探开发具有重要意义,但目前关于国内沉积盆地页岩纳米孔隙结构的研究相对不足。利用低温氮气吸附和扫描电镜,对川西坳陷上三叠统须家河组页岩纳米级孔隙进行了分析。结果表明:1川西坳陷须家河组页岩比表面积主要由过渡孔和微孔提供,比表面积范围6.588~9.476 m2/g,平均为7.949 m2/g,远大于致密砂岩储层比表面积;2页岩孔径平均为4.319~7.821 nm,孔径范围具有从微孔到中孔等一系列连续性孔径。孔隙形状有多种类型,微孔以单边封闭型孔和墨水瓶型孔为主,过渡孔和中孔具有一定数量的两端开口型孔;3页岩广泛发育的有机质纳米孔、黏土矿物粒间孔主要提供了天然气吸附场所;矿物粒内孔隙和微裂隙为游离气主要赋存场所并提供了天然气渗流通道。     

孔隙结构特征对焦炭高温抗拉强度的影响

采用压汞仪测量焦炭与CO2或H2 O反应后的孔隙结构特征,研究孔隙率、平均孔径、比表面积及孔径分布对焦炭高温抗拉强度的影响规律。焦炭孔隙率和平均孔径随反应率升高而增加。平均孔径小于30μm时气化反应以造孔为主,比表面积随反应率升高先增后减,大于30μm时以扩孔为主,随反应率升高而减小。与CO2相比,H2 O反应后焦炭平均孔径小,比表面积大,抗拉强度高。焦炭抗拉强度随孔隙率和平均孔径增加而降低,平均孔径小于30μm时抗拉强度随比表面积增加而降低,大于30μm时随比表面积减小而降低。焦炭中小孔数量越多抗拉强度越高,大孔数量越多抗拉强度越低。相同反应率下, H2 O反应后焦炭中小孔数量增加,比表面积大,有利于保护气孔壁结构,抑制高温抗拉强度的降低。     

新疆花岗岩物理力学性质的矿物组成和微观结构分析

为分析不同类型花岗岩物理力学性质差异,通过选取不同粒径的新疆花岗岩试样进行电镜扫描和矿物成分测试试验,研究岩石矿物组成和微观结构与其物理力学性质之间关系。结果表明：花岗岩中石英和长石矿物胶结很好而具有孔隙率低和强度高特点;随着粒径增大,花岗岩中云母含量增加,导致粗粒花岗岩的孔隙率较高和强度偏低;通过电镜扫描得出花岗岩微观结构质密,矿物胶结很好,颗粒分布均匀,从而具有孔隙率低和强度高特点,同时由于细粒花岗岩微观结构更质密且晶粒镶嵌紧密而孔隙率最低但强度最高。可见天湖细粒花岗岩体由于质密、低孔隙率和高力学强度的特点更适合作为高放废物地质处置岩体。     

液氮冷却作用下三类高温岩石力学性能试验研究

为了研究液氮冷却对高温岩石物理力学性能的影响，对不同温度下(25~350℃)的花岗岩、片麻岩和砂岩试样进行液氮冷却处理，开展了一系列的物理力学试验研究，结合微观观察结果分析了各类岩石的损伤机理.结果表明，提高加热温度能够加剧液氮对岩石内部结构的损伤，随温度的升高，岩石的孔隙率、峰值应变逐渐增大，而纵波波速、抗压强度和弹性模量则相反.高温和液氮冷却所产生的热应力导致岩石内部裂纹的萌生和扩展，且微裂纹主要沿石英矿物边界发育.随着加热温度的升高，微裂纹的数量呈逐渐增加的趋势，这是岩石宏观特性退化的主要原因.三类岩石对加热和液氮冷却处理的敏感度不同，这与岩石在成岩作用、矿物成分、胶结类型以及孔隙结构方面的差异有关.     

不同含水率断层宏微观破裂与强度折减损伤

为探究深部地区断层花岗岩不同含水率下宏观与微观跨尺度性质研究,对不同含水率花岗岩开展轴压力学试验和扫描电镜SEM试验,探讨含水花岗岩多尺度破裂机制与强度折减损伤关系。研究结果表明：无水状态下花岗岩宏观以剪切破坏为主且破裂面较为平滑,随含水率提高宏观以张拉破坏为主,裂纹路径与主应力方向平行且受载后岩样较为松散;低含水率工况微观整体破裂以沿晶破裂为主,高含水率工况微观破裂结构为沿晶破裂和穿晶破裂的复合型破坏为主;吸水中期峰值强度和弹性模量两指标衰减率约为前期6倍,两指标达到衰减期阈值最大限并呈非线性指数下降,吸水后期两指标衰减率回弹至前期状态;劣化系数随含水率增长而降低,吸水前期水分子起润滑岩石内部矿物作用,中后期阶段水分子发生侵蚀导致强度大幅度折减,生成有较多孔洞分布的微观结构形貌和晶体颜色偏白的伊利石,后期的水分子为进一步软化侵蚀作用。     

基于低温液氮吸附法的煤岩孔隙分形特征

为研究沁水盆地中高煤级煤的孔隙结构特征,采用低温液氮吸附实验测定了不同煤样比表面积及孔径分布数据,依据吸附-解吸曲线和分形维数对煤岩孔隙系统进行分类.结果表明:煤层微小孔较发育,具有比表面积适中(0.418～0.902 m2/g)、平均孔径小(14.6～21.0nm)、孔容小(0.001 86～0.004 53 cm3...     

青藏高原片麻岩宏微观冻融损伤特性试验研究

为研究青藏高原等高寒山区岩体在冻融循环作用下的损伤特性,对西藏林芝地区分布广泛的片麻岩开展了不同循环次数下的冻融试验：通过扫描电镜与核磁共振试验,分析了岩样微观孔隙结构的扩展发育特征;采用单轴压缩试验结合声发射技术,获得了岩样宏观力学特性的劣化规律。结果表明：片麻岩微观结构的冻融损伤主要表现为颗粒剥落与微裂纹扩展两种模式,且同一位置处的损伤程度随冻融循环次数的增加先增强后减弱;片麻岩的孔隙度随冻融循环次数的增加而增大,但不同孔径孔隙的变化规律表现出一定的差异性;冻融损伤片麻岩在单轴压缩试验中的声发射活动均可以分为平静期、增长期与陡增期三个阶段,各阶段的声发射信号密度随冻融循环次数的增加而变大,但累计振铃计数和累计能量随着冻融循环次数的增加呈现先增加后减小的趋势;片麻岩试件表面颗粒大面积脱落的阶段与其抗压强度明显降低的阶段相对应。     

煤与页岩低温氮吸附孔隙结构特征与分形特征对比——以阳泉地区山西组15#煤与页岩为例

以山西组高煤级煤与页岩样品为例,通过低温氮气吸附实验研究了样品的孔隙结构特征,并基于FHH分形模型计算了样品的分维值,对页岩与煤层的孔隙分形特征进行了对比研究。结果表明:页岩样品以微孔为主,同时含有一定量的过渡孔,主要的储集空间由微孔和过渡孔提供。高煤级煤样品以过渡孔为主,主要的储集空间由过渡孔提供。在测试孔径范围内,页岩样品的比表面积远大于高煤级煤。页岩的孔隙形态上以四周开放的平行板孔和裂缝型孔为主,具有部分细颈瓶孔,高煤级煤的孔隙形态以封闭型孔为主,反映页岩储层微观渗流能力更强,可能是页岩中游离气比例高于煤层的原因之一。页岩与高煤级煤均具有显著的分形特征,页岩样品分维值高于高煤级煤,说明页岩孔隙的空间结构比高煤级煤更为复杂,非均质性更强;同时二者均具有双重分形特征,页岩渗流孔分维值低于吸附孔,反映页岩吸附孔孔隙结构更为复杂。与页岩相比,高煤级煤渗流孔和吸附孔的分维值均小于页岩,孔径分布集中于过渡孔,有利于煤层气快速到达产气高峰;而页岩孔径分布则集中于微孔和过渡孔,吸附气含量更高,并且过渡孔的孔隙结构以平行板孔为主,孔隙结构特征较微孔简单。     

捣固焦微观结构研究

结合捣固炼焦工艺的特点,研究了高堆积密度配煤炼焦对焦炭微观结构的影响.结果表明,捣固炼焦工艺对焦炭气孔结构影响明显.采用N_2吸附法研究发现,9种捣固焦以小于10 nm的中、小气孔为主,平均气孔直径小,比表面积分布广泛;3种顶装焦存在一定数量20~50 nm的中孔,平均气孔直径大,比表面积小.捣固焦总气孔率、显气孔率和显气孔比例基本均低于顶装焦,捣固焦的假密度明显高于顶装焦,真密度相差不大,假密度可作为区分捣固焦与顶装焦的简易方法.焦炭光学组织主要取决于配合煤性质,捣固焦与顶装焦无明显区别.     

含铁粉尘碳酸化球团孔的结构特性

通过压汞法测量研究了不同CaO含量、不同造球时间的生球以及不同反应温度、不同CO2分压条件下固结生成的碳酸化球团的孔隙结构特征.结果表明:随着CaO含量增加和造球时间延长,生球的平均孔径、显孔隙度、临界孔径和最可几孔径都相应有所降低,生球凝胶孔含量随CaO含量增加而升高,孔隙比表面积增大,利于反应进行的10~300nm孔隙数量增多.优化反应温度、提高CO2分压,有利于促进球团CaCO3微晶大量生成,细化孔径,形成连接桥,冷固结强度显著提高.