《煤田地质与勘探》“岩体损伤演化机理及识别技术”︱虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

岩石损伤演化研究的核心在于揭示岩石内部微裂纹和微孔隙的形成、‌扩展和汇合过程，‌这些过程直接影响到岩石的宏观力学性质，‌如强度、‌刚度和变形能力等。‌通过研究岩石损伤演化，‌可以更好地理解岩石在各种环境条件下的行为，‌以及岩石的力学性质和破坏机制，‌为地质工程的安全评估、‌自然灾害的预防以及资源开发的优化提供重要的科学依据。‌编辑部整理了近几年针对岩石损失演化规律及识别技术方面的文章，供广大读者参考，扫描二维码可免费下载。

行业视野: 地质
类别; 68个
关键词; 60位
专家; 13篇
论文; 4046IP
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灰岩在烧变过程中的热破裂机制试验研究

作者(Author)：张卫强, 曹志成, 周琦忠, 王左券, 吴云

摘要：自燃煤层围岩在不同高温作用下会引起不同程度的结构损伤，导致其物理力学性质和工程地质效应发生显著变化。为深入认识烧变过程中岩石的结构演化规律，以徐州某矿底板灰岩为研究对象，开展不同温度作用下的热破裂试验，从多尺度上探究岩石热破裂的规律，并结合数值模拟和微观结构测试揭示其发育机理。结果显示：(1)方解石填充裂隙、层理等相对软弱结构面的热破裂温度阈值在300~400℃，完整岩石结构的热破裂温度阈值在500℃左右；600℃之前的热破裂形态较简单，基本是直线型裂纹，且宽度较小、数量较少；700℃以上出现宽度和长度显著增大的弧形热裂纹，热裂纹两侧试样的颜色有明显区别，靠近热裂纹的白色部位还发育一些连通弧形裂纹的次级小裂纹；800℃时，试样颜色全部变白，结构完全破碎，成散体状。(2)从微观结构和热应力角度阐释灰岩热破裂发育机理，发现试验温度路径下试样的热破裂主要发育在降温过程中，且最大热应力差主要在靠近试样表面的近似环形带上分布。500℃以下的热破裂成因主要为热应力在试样的原始缺陷处集中，并超过了部分软弱结构的抗拉强度；500℃以上受热应力与矿物分解共同控制，500℃以上升降温过程中的最大热应力基本超过灰岩的抗拉强度，且菱镁矿、白云母、白云石等矿物逐渐分解，逐渐增多的内部缺陷为应力集中提供有利条件，加剧了热破裂的发育；当温度达到800℃时，热破裂发育程度很高，且白云石和方解石快速分解，生成CaO，部分CaO在冷却过程中与空气接触生成Ca(OH)2，热裂纹与主体矿物分解共同导致试样结构的破碎。研究成果可为岩体破裂和地质结构演化分析奠定基础。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

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3
损伤岩石声发射演化特征及响应机制试验研究

作者(Author)：张凯, 张东晓, 赵勇强, 杨英明, 郭伟耀, 孙鹏, 胥林鹏, 付光胜

摘要：岩石内部损伤演化是导致岩土工程灾害的原因之一，揭示岩石破裂过程中的关键参数响应特征可为岩石破坏后失稳状态识别提供依据，对于岩体工程灾害预警防控至关重要。通过循环加载−卸载(加卸载)试验制备不同损伤程度粉砂岩试样，利用损伤试样开展单轴加载试验，分析试样损伤程度与波速关系及声发射演化规律，探讨不同损伤程度岩石的声发射响应机制。结果表明：(1) 损伤试样纵波波速随着损伤程度增加呈线性减小趋势，但声发射振铃计数由阶段性递增转变为加载全过程迅速增加，声发射能量在屈服阶段由小幅度突增转变为快速增加。(2) 反映岩石内部不同尺度裂隙发展趋势的声发射b值峰值区由峰后破坏阶段向压密阶段转移，造成峰后破坏阶段失稳特征不明显，反映岩体内部声发射源集中程度和能量尺度的S值在压密至屈服阶段由低位中幅度波动转变为高位小幅度波动，表明岩石在峰前阶段产生非稳定破坏。(3) 损伤试样破裂过程随着损伤程度增加由晶间滑移主导型转变为裂隙发育主导型，导致声发射高频低能(400~800 kHz、0~250 aJ)信号由零星出现转变为加载全过程密集分布，以及高频信号带变宽。(4) 损伤岩石内部裂隙发育程度不同是导致声发射响应机制差异化的根本原因，岩石内部裂隙密度随着损伤程度增加而增大，造成其在受载过程中由渐进式稳定破坏模式向突发式非稳定破坏模式转变，同时加载过程中声发射信号活跃度及强度增强。研究获得了不同损伤程度岩石的声发射参数特征，可为工程岩体损伤程度识别提供理论依据。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

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6
层理特征对油页岩水力压裂裂缝扩展规律影响的数值模拟研究

作者(Author)：李彦伟, 朱超凡, 曾壹坚, 水浩澈, 范存翰, 郭威

摘要：目前水力压裂是油页岩储层开发的主要技术手段之一，油页岩层理特征的差异对压后裂缝形态起主要影响作用，目前研究大多聚焦在层理发育程度对裂缝扩展的影响，忽略层理厚度本身对水力裂缝扩展的影响。以鄂尔多斯盆地旬邑地区油页岩为研究对象，基于线弹性断裂力学理论，构建应力−损伤−渗流的水力压裂裂缝扩展模型，并采取全局FEM-CZM的数值模拟方法，分析层理厚度、层理间距、地应力场对水力压裂裂缝扩展的影响规律，对比不同影响因素下裂缝的破坏类型、裂缝长度和层理沟通面积。结果表明：(1) 层理厚度影响层理面对水力裂缝的拦截能力，在层理厚度较大时，会导致裂缝在层理面上扩展的倾向更强，发生张拉破坏，所对应的裂缝长度和层理沟通面积更大。(2) 层理间距影响水力裂缝到达层理面的时间，较小的层理间距水力裂缝会直接穿透层理面，较大的层理间距增加裂缝扩展的阻力，伴随层理间距越大，发生张拉破坏，水力裂缝长度和层理沟通面积越大。(3) 地应力场决定水力裂缝扩展方向，垂向地应力差较大时，垂向应力会对层理有压实作用，导致更容易穿透层理面扩展，垂向地应力差较小时，水力裂缝在层理面扩展多发生弯曲、分支情况，所对应裂缝长度和层理沟通面积均增加。建议在压裂施工选址方面选择层理厚度较大、层理间距较大、垂向地应力场较小的区域，更有利于形成高效渗流传热通道，该研究可为旬邑地区油页岩水力压裂施工提供指导。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

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30
薄层状红页岩细观破坏特性研究

作者(Author)：马振乾, 周浪, 左宇军, 张吉民, 邹义怀, 曹云钦

摘要：为研究层状红页岩细观破坏特性，采用DSTD-1000型电液伺服刚性压力机对不同层理倾角红页岩进行单轴力学实验，对碎屑进行SEM电镜扫描和XRD衍射实验，获取其力学参数、破坏特征、微观结构及成分相对含量。基于此，利用离散元PFC3D构建不同层理倾角红页岩数值模型，并进行单轴压缩实验来研究红页岩细观破坏特征。结果表明：(1) 层理倾角θ=30°、45°、60°、75°时，试样沿层理方向破坏产生滑移面。(2) 不同层理倾角试样的裂纹演化过程都呈缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于稳定阶段的变化情况，当θ=45°、60°、75°时，裂纹演化过程中单位应变产生裂纹数较多，导致试样迅速沿层理弱面滑移破坏。(3) 细观裂纹赤平极射投影和岩石组构图表明，θ=0°、75°、90°时，微观裂纹倾向分布较为均匀，主要平行于或次平行于加载方向，加载破坏后表现出强烈的各向异性；15°≤θ≤60°时，微裂纹倾向逐渐向层理方向平行。(4) 考虑裂纹演化特征的弹性模量法求解的裂纹萌生应力阈值为各层理峰值强度的36.6%~60.3%，裂纹损伤应力阈值为各层理峰值强度的75.1%~90.4%，与大量物理实验所求阈值范围吻合，表明此法对于求解裂纹应力阈值具有一定的适用性。

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煤田地质与勘探

2023年第10期

130

44
考虑渗透压力作用的岩石单轴压缩损伤模型构建及试验验证

作者(Author)：宋战平, 王加辉, 潘红伟, 杨棚涛, 杨腾添, 田松

摘要：在富水环境下隧道与地下工程建设中，因地下水渗透引起的围岩失稳导致施工安全事故频发的问题日益突出，建立考虑渗透水压力作用的岩石单轴压缩损伤本构模型对指导现场施工具有重要意义。为描述岩石在单轴压缩破坏过程中的应力−应变关系，在原有的岩石本构模型基础上，引入孔隙岩石变形模型、孔隙纵横比、自洽模型等概念和水化学损伤、Weibull统计损伤等理论，同时考虑渗透压力对岩石弹性模量的影响，确定岩石不同阶段的损伤模型，阐述岩石闭合应力和损伤阈值的确定方法，进而建立适用于不同渗透压力作用下的岩石单轴压缩全过程的本构方程。最后，将构建的本构模型得出的理论曲线与灰岩单轴压缩试验所得实际曲线和文献获得的理论曲线进行对比，该模型很好地体现了岩石压缩全过程的应力−应变曲线，充分证明了此模型的合理性与适用性。

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煤田地质与勘探

2023年第05期

117

54
基于Weibull分布的冻结砂岩损伤本构模型研究

作者(Author)：伊明, 赵涛, 马飞飞, 王磊, 袁超

摘要：冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题，在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大，严重影响冻结壁的安全与稳定。因此，研究冻结岩石的损伤本构关系，对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析荷载作用下冻结岩石变形破坏的全过程，采用Weibull分布描述岩石材料的非均质性，基于Drucker-Prager破坏准则，建立三轴应力状态下岩石损伤本构模型，结合冻结砂岩三轴压缩试验，重点分析本构关系中均质度系数m、平均强度F0与冻结温度和围压的变化关系，对损伤本构方程进行修正，并基于此模型研究冻结砂岩的损伤演化规律。结果表明：在相同围压下，随着冻结温度的降低，砂岩峰值强度显著增大，峰值应变减小，压密阶段逐渐减弱，弹性变形阶段斜率增加，岩石脆性破坏特征明显。在相同冻结温度下，均质度系数m和平均强度F0随围压升高无显著变化，而随着冻结温度的降低，m和F0分别呈现指数增长和线性增长，说明随着冻结温度的降低，砂岩冻结越充分，内部自由水冻结成冰占比及冰体强度增长幅度越大，尤其在0～–10℃内提升效果显著，冻结作用提高了砂岩的均质性和平均强度。基于不同冻结温度砂岩的力学特性和变形规律，对不同冻结温度砂岩的损伤本构方程进行了修正。依据修正本构模型研究发现，损伤演化曲线能够很好地反映冻结砂岩压缩试验的压密、线弹性、屈服变形及应变软化各阶段的变形特征，验证了模型的合理性。研究结果为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

170

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不同冷却方式下高温花岗岩细观损伤量化和机理分析

作者(Author)：张森, 舒彪, 梁铭, 路伟, 胡永鹏, 薛卉

摘要：冷冲击是一种导致高温岩石破裂从而有效提高地热储层渗透性的方法。为了对不同加热温度下冷冲击后造成的花岗岩损伤程度进行定量分析，探究冷冲击作用下的损伤机理，利用岩石薄片观察和SEM 扫描技术对自然冷却和遇水冷却下的高温花岗岩样损伤进行分析。结果表明，当加热温度从200℃ 提高到800℃ 时，岩样中心处的薄片A 在自然冷却和遇水冷却下的裂隙密度分别增加了17.6%~144.7%，27.6%~163.7%，距圆心12.5 mm 的薄片B 在自然冷却和遇水冷却下的裂隙密度分别增加了40.1%~202.8% 和61.3%~222.7%。随着加热温度的升高，花岗岩损伤程度变大；遇水冷却比自然冷却对花岗岩的损伤程度更大；而由于热梯度的存在，离试样表面越近所受的损伤程度越大。花岗岩试样热损伤是矿物颗粒膨胀和收缩、冷冲击以及热物理化学变化等机制混合作用的结果。研究结果不仅为理解冷冲击对高温花岗岩损伤的影响提供实验参考，且对指导热刺激法在储层改造中的应用至关重要。

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煤田地质与勘探

2022年第02期

292

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基于RA/AF的高温后砂岩破裂特征识别研究

作者(Author)：葛振龙, 孙强, 王苗苗, 赵春虎

摘要：开展岩石高温损伤破裂信息识别研究对地热开发和煤炭地下气化等具有重要的指导意义。通过不同高温处理后砂岩在破坏过程中声发射参数RA(上升时间/振幅)和 AF(平均频率)值变化，研究高温后砂岩内部不同类型裂纹的发展演化规律。结果表明：砂岩在整个加载过程中以拉张裂纹为主，当加载应力超过峰值应力的80%后，剪切裂纹所占比例迅速增大，可将此作为砂岩发生破坏的前兆；当加热温度超过600℃时，剪切裂纹所占比例上升，超过800℃，剪切裂纹所占比例迅速下降，600℃和800℃可作为砂岩损伤突变的阈值温度；高温后位错塞积现象增多，砂岩塑性特征增强，拉张裂纹所占比例增大。研究成果将对高温作用后岩石破裂失稳前兆信息的识别提供重要的理论基础。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

1137

390