• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

谢和平团队提出深部原位岩石力学构想并实现初步探索

2021-01-12

  深部资源安全高效开采的关键之一是探明不同深度岩石物理力学行为差异性变化规律。

  

  为了克服传统岩石力学实验方法和理论没有充分考虑不同赋存深度岩石物理力学行为差异,以及无法进行不同深度原位环境条件下的物理力学的分析、测试与建模的不足,谢和平院士团队在近期发表的《深部原位岩石力学构想与初步探索》(点击查看一文中,提出了深部原位岩石力学的构想、定义和研究内容。

  

  深部原位岩石力学是研究地球深部原位赋存环境(如应力、温度、湿度、成份等)与深部原位工程扰动环境下的岩石应力、应变、破坏、稳定性及不同赋存深度岩石物理力学本真参数和行为规律差异性的学科。

  

  深部原位岩石力学旨在解决传统岩石力学与深度不相关、与深部原位环境不相关、与深部工程活动不相关的难题,是开发地球深部资源和探索深地科学规律的基础理论。深部原位岩石力学重点研究深部原位真实复杂赋存环境下岩石本真物理力学参数、力学行为规律、破断失稳致灾、能量积聚释放等关键科学问题,是考虑深部原位物理环境、深部原位应力环境与深部原位工程扰动环境的岩石力学研究新领域。

  

  深部原位岩石力学的研究方法主要是考虑深部原位环境(赋存环境和扰动环境)的科学实验和理论分析,旨在科学实验还原原位环境,理论分析体现原位环境。科学实验包括室内实验、野外实验和原型观测(监控)。室内实验是利用不同深度原位保真岩心开展原位环境条件下的保真岩石物理力学测试;野外实验和原型观测是在天然条件下尽可能保持研究对象所处深部原位环境而开展的实验测试。理论分析是对考虑深部原位环境影响的岩石的变形、强度、破坏准则、本构模型及其工程应用等科学问题进行理论建模及技术探索。

  

  深部原位岩石力学的研究内容主要包括:

  

  (1)深部岩石原位保真取心和保真测试的原理与技术:研究获取深部原位保真岩心并对保真岩心在重构的原位环境下进行测试的理论和技术体系;

  

  (2)不同深度赋存环境下原位岩石物理力学行为差异性规律:研究不同深度赋存环境对岩石基本物理力学参数变化的影响,揭示深部岩体和浅部岩体在力学行为特征上的本质差异;

  

  (3)深部岩石原位力学强度准则与本构模型:构建考虑不同深度原位环境影响的岩石破坏准则和渐近破坏力学模型,建立深部岩体原位非常规力学行为的描述和表征新方法;

  

  (4)深部岩石原位多场耦合力学:建立不同深度原位环境下岩石固-热-液-气多相并存的物理力学模型和多场耦合理论,探索多场多相原位环境下的岩石非线性力学机制;

  

  (5)深部工程扰动原位岩石动力学:探索不同深度原位环境外加工程扰动作用下岩石动力学行为的变化规律,建立工程扰动影响下的深部岩石动静态破坏模型。

  

  现有的岩石单轴压缩力学实验中岩石试样多取自单一深度,获取的力学参数为不随深度变化的常数,但却用于表征整个类型岩石的力学参数。然而,随着岩石所处深度及其赋存环境的变化,岩石物理力学参数随着深度变化而并非为常数。目前对不同赋存深度岩石在单轴压缩实验下的力学参数随深度变化的差异性规律仍缺乏系统的认识。


深部原位岩石力学构想与初步探索-6.jpg

松科二井同一地质区域内10 个不同赋存深度取心示意图


       研究人员利用松科二井同一地质区域内的10 个不同深度的岩心开展了不同深度岩石常规单轴压缩力学实验,研究了不同深度岩石单轴压缩力学行为的差异性规律。

  

  不同深度岩石的单轴压缩实验表明岩石力学参数随深度呈现明显的非线性变化,不能假设为常数。

  

  考虑不同深度地应力影响的常规三轴实验表明赋存地应力使得不同深度岩石的力学参数差异性增大,且力学参数随深度的非线性变化规律与单轴压缩条件下显著不同。

  

  模拟不同深度原位应力影响的原位应力恢复重构实验结果显示在不同赋存深度原位应力影响下岩石力学参数均随深度增加呈现更加显著的非线性变化;模拟不同深度原位应力影响的应力恢复重构实验的岩石弹性模量和峰值强度均比考虑不同深度地应力影响的常规三轴实验结果大且与深度之间的关系为对数函数,峰后应变软化变形特征更加凸显;特别是深度超过4 800 m 后,不同赋存深度原位应力影响下岩石泊松比、应变硬化模量、峰后跌落模量的差异性特征更加明显。

  

  谢和平院士团队的这项成果,初步研究了不同深度原位赋存环境对岩石物理力学性质影响的差异性规律,结果表明深部岩石物理力学参数随深度具有明显的非线性特征,与不同深度原位赋存环境密切相关,这说明开展深部原位环境下的岩石力学研究是必要的和可行的。

  

  该研究为深部原位岩石力学的理论构建提供了前期探索,以期为研发深部资源安全高效开采新理论和新技术、探索深地科学规律提供支撑。


附件:深部原位岩石力学构想与初步探索(谢和平等).pdf


相关阅读:

谢和平学术思想专题

  责任编辑:宫在芹
今日专家

1967年12月生,浙江富阳人。1989年毕业于淮南矿业学院地质系获煤田...

亮点论文

各向异性煤层割缝钻孔的有效抽采区域呈椭圆形,抽采时间相同,平行层理方向的有效抽采区域范围大于垂直层理方向的有效抽采区域范围。

今日企业

主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团 中国煤炭学会学术期刊工作委员会

©版权所有2015 煤炭科学研究总院出版传媒集团 地址:北京市朝阳区和平里青年沟东路煤炭大厦 邮编:100013
京ICP备05086979号-16  技术支持:云智互联