孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖石力學(xué)性能的影響
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摘要：巖石屬于一種多孔介質(zhì)，通過內(nèi)部流體流通，運(yùn)輸巖石中的物質(zhì)，巖石的滲透率關(guān)系到流體流過孔隙的難易性，因此在描述孔隙巖石運(yùn)輸性質(zhì)的過程中需要綜合滲透率。本文分析了孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)巖石力學(xué)性能的影響，利用數(shù)值模型試驗(yàn)方法，構(gòu)建孔隙圓盤模型，因?yàn)閹r石力學(xué)性能具有較多的影響因素，本文主要是針對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響。
關(guān)鍵詞：孔隙結(jié)構(gòu)特征；巖石；力學(xué)性能；影響分析
巖石是一種天然的多孔材料，內(nèi)部存在各種不規(guī)則的孔隙，這些孔隙直接影響到巖石的力學(xué)性能和化學(xué)性質(zhì)等，例如關(guān)系到巖石的嵌固端和滲透性以及顆粒吸附力等，影響到采礦和水利工程等實(shí)際施工。當(dāng)前一些研究揭示了孔隙結(jié)構(gòu)和壓實(shí)力學(xué)性能的關(guān)系，但是因?yàn)榭紫督Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且呈現(xiàn)無序分布狀態(tài)，再加上理論研究和試驗(yàn)方法的限制，人們還無法明確巖石內(nèi)部孔隙分布的特征，也無法明確孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)于巖石力學(xué)性能的關(guān)系。人們更多的關(guān)注孔隙巖石的表觀物理和力學(xué)的變化，無法確定巖石孔隙連通性和滲透系數(shù)等方面。為了解決孔隙巖石的問題，可以建立巖石孔隙結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，利用定量分析確定孔隙結(jié)構(gòu)特征和巖石力學(xué)性能的關(guān)系。本文構(gòu)建孔隙巖石三維模型，利用數(shù)值模型試驗(yàn)方式，構(gòu)建不同孔隙結(jié)構(gòu)分布特征的孔隙圓盤模型，確定孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)巖石力學(xué)性能的影響。巖石力學(xué)性能的影響因素比較多，技術(shù)人員需要綜合考慮問題的復(fù)雜性，優(yōu)化巖石力學(xué)性能，為其他工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。
1巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)量化表征
1.1CT掃描試驗(yàn)
巖石孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，尺寸處于微米級(jí)別，具有低滲和低孔的作用，對(duì)于巖石試樣采取CT掃描試驗(yàn)，可以進(jìn)一步確定巖石微觀孔隙的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工組中需要利用微米CT掃描儀，保障儀器分辨率在2.5μm以上，視角范圍達(dá)到達(dá)到2.5mm×2.5mm?！?】
1.2孔隙結(jié)構(gòu)量化表征
在CT掃描試驗(yàn)當(dāng)中，需要去除無效圖像，獲取有效性二維灰度圖像，在圖中黑色代表孔隙結(jié)構(gòu)，中間色和白色高亮度區(qū)域?qū)儆趲r石礦物組分。為了準(zhǔn)確回去孔隙結(jié)構(gòu)信息，需要利用MTALAB軟件數(shù)字圖像處理灰度圖，需要落實(shí)圖像銳化，實(shí)現(xiàn)二值化分格，同時(shí)還要采取降噪處理。通過圖像USM銳化，可以明顯區(qū)分巖石中基質(zhì)和孔隙邊界，選擇合理的閾值二值化分格圖像，合理區(qū)分基質(zhì)和孔隙。技術(shù)人員可以利用中值濾波算法降噪處理分格圖像，使圖像的質(zhì)量不斷提高。圖像經(jīng)過處理之后，可以將巖石孔隙結(jié)構(gòu)信息準(zhǔn)確的表達(dá)出來。本文主要分析孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)巖石力學(xué)性能的影響，因此在圖像處理階段需要根據(jù)基質(zhì)考慮高密度巖石礦物，為了降低高密度礦物的影響，可以疊加200像素的圖像，利用Mimics軟件重構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)三維參數(shù)。自主編寫MATLAB程序處理圖像，統(tǒng)計(jì)巖石孔隙結(jié)構(gòu)分布情況，確定孔隙直徑和孔道直徑分布情況，通過定量表征，將巖石樣品孔隙機(jī)構(gòu)的情況表現(xiàn)出來，定量統(tǒng)計(jì)分析巖石的孔隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖石三維孔隙結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，巖石孔隙結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)和分布情況非常復(fù)雜，需要利用分析盒維數(shù)定量分析巖石孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，利用面積等大的正方體覆蓋孔隙結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)正方體數(shù)量，利用D表示分形盒維數(shù)。利用D的大小反應(yīng)出巖石孔隙的復(fù)雜性，D比較大，代表孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜?？紫督Y(jié)構(gòu)分形盒維數(shù)通常處于2.5以上，說明巖石孔隙幾何形態(tài)和分布情況普遍比較復(fù)雜。
2概述孔隙巖石的三維統(tǒng)計(jì)模型
本文的研究對(duì)象為砂巖，利用CT掃描方式確定孔隙結(jié)構(gòu)的信息，通過分析處理CT圖像，明確孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙位置和間距以及粒徑等參數(shù)，構(gòu)建分布概率密度函數(shù)表達(dá)式，結(jié)合巖石孔隙統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，利用隨機(jī)數(shù)算法和FLAC3D程序，構(gòu)建巖石三維孔隙結(jié)構(gòu)模型。【2】在利用FLAC3D程序，利用NULL模型命令和FISH語(yǔ)言，根據(jù)指定位置和間距不斷循環(huán)執(zhí)行挖空單元的命令，形成三維孔隙模型，確定孔隙率和孔徑分布以及孔隙空間位置等數(shù)據(jù)。下圖是孔隙巖石三維網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)相同孔徑分布和孔隙空間位置分布條件，提出4種不同孔隙率的三維網(wǎng)絡(luò)模型。從左到右的孔隙率氛圍是3%、7%、15%、23%。
3孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)巖石力學(xué)性能的影響
天然巖石的多相介質(zhì)非常復(fù)雜，在自然沉淀的作用下，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和孔隙幾何構(gòu)型以及分布特征等方面具有較大的差異性。在固體相物理力學(xué)性質(zhì)不變的情況下，孔隙結(jié)構(gòu)變化和孔隙數(shù)量、形狀、分布等因素具有緊密的聯(lián)系，某個(gè)因素發(fā)生變化，都會(huì)改變巖石宏觀力學(xué)行為，增加了孔隙結(jié)構(gòu)變化和作用機(jī)制研究的難度。本文保持模型固體相力學(xué)性質(zhì)不變，每次分別改變孔隙孔徑和孔隙間距以及空間位置，明確孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于巖石應(yīng)力分布和抗拉強(qiáng)度的影響?！?】
3.1孔隙率對(duì)圓盤模型力學(xué)性能的影響
研究孔隙率的影響，要保持孔徑分布和空間位置的一致性，重構(gòu)孔隙率圓盤模型，分別選擇孔隙率，通過改變孔隙率確定孔隙數(shù)量是否會(huì)影響到圓盤模型破壞狀態(tài)和應(yīng)力分布以及抗拉強(qiáng)度等。根據(jù)不同高孔隙率圓盤破壞的峰值，分別選取峰值荷載計(jì)算結(jié)果，采樣控制的參數(shù)選擇荷載比，保障模型破壞程度的相同性，分析不同高孔隙率帶來的影響。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，確定孔隙率會(huì)直接影響到圓盤劈裂破壞方式。如果孔隙率處于3%~7%范圍內(nèi)，在加載過程中，在兩端分別加載1或2條的主裂紋，不斷增加荷載之后，兩端主裂紋開始擴(kuò)張于圓盤中間。當(dāng)圓盤發(fā)生破裂的時(shí)候，在圓盤中心會(huì)和兩端的主裂紋，最終形成平行于加載方向的裂紋，并且貫穿整個(gè)圓盤，這屬于拉伸破壞。如果孔隙率處于15%~23%范圍內(nèi)，在加載過程中，在兩端和中間部位出現(xiàn)了很多的細(xì)小的裂紋，不斷增加荷載之后，不會(huì)因此匯合兩端裂紋和圓盤中心裂紋，兩端裂紋主要是向孔隙秘籍的區(qū)域蔓延，同時(shí)也在不斷擴(kuò)張圓盤中間的裂紋。當(dāng)圓盤遭到破壞的時(shí)候，最終匯合、連通眾多的裂紋，在整個(gè)圓盤中貫穿，形成眾多的破壞裂紋，但是不會(huì)出現(xiàn)主裂紋，這種破壞方式主要是拉伸破壞和剪切破壞?！?】
3.2孔隙率對(duì)圓盤模型抗拉強(qiáng)度影響
研究孔隙率的影響，需要保持孔徑分布和空間位置兩個(gè)函數(shù)不變，不斷增加孔隙率，也會(huì)隨之降低圓盤的抗拉強(qiáng)度，針對(duì)無孔圓盤，圓盤孔隙率為0%，計(jì)算圓盤抗拉強(qiáng)度為1.17MPa，這與選用材料的極限抗拉強(qiáng)度具有緊密的聯(lián)系，吻合于理論結(jié)果。如果孔隙率為3%，通過計(jì)算確定抗拉強(qiáng)度為1.10MPa。如果孔隙率為7%，計(jì)算抗拉強(qiáng)度為0.94MPa。當(dāng)孔隙率為15%，通過計(jì)算確定抗拉強(qiáng)度為0.71MPa，如果孔隙率達(dá)到23%，計(jì)算抗拉強(qiáng)度為00.55MPa。結(jié)合所有的結(jié)算結(jié)果，孔隙率在7%以上，增加了孔隙率之后，可以顯著的降低抗拉強(qiáng)度。根據(jù)不同孔隙率模型，構(gòu)建抗拉強(qiáng)度變化曲線。不同高孔隙率圓盤抗拉強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。為了將孔隙率和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系準(zhǔn)確的描述出來，技術(shù)人員還需要綜合額考慮孔隙分布特征參數(shù)，適當(dāng)?shù)男拚齾?shù)取值。
3.3孔徑分布的影響
研究孔徑分布的影響，需要保障孔隙率和孔隙空間位置保持不變，通過改變孔徑分布，明確空間分布情況對(duì)于壓實(shí)力學(xué)的影響。巖石孔徑分布滿足指數(shù)分布：g（r）=Aexp（r/B）+C。在式中A、B、C都屬于控制參數(shù)，r是孔隙半徑。為了降低研究的難度，構(gòu)建不同空間分布參數(shù)的模型，保持孔隙率和孔隙空間位置不變，不斷減少控制參數(shù)值，孔隙數(shù)目因此減少，甚至消失，從而出現(xiàn)了更多的小孔隙?！?】如果孔隙率為23%，改變了孔徑分布情況，將會(huì)直接影響到圓盤破壞行為，在加載初期在兩端出現(xiàn)很多裂紋，這些細(xì)小的分布在空隙密集的區(qū)域，并且沒有顯著的主裂紋，不斷降低孔隙控制參數(shù)之后，會(huì)逐漸突出這種現(xiàn)場(chǎng)。不斷增加荷載之后，峰值荷載達(dá)到50%~70%范圍內(nèi)，細(xì)小裂紋開始向圓盤中心延伸，在圓盤中心開始出現(xiàn)細(xì)小的裂紋。減小孔徑控制參數(shù)，會(huì)逐漸增多細(xì)小裂紋的數(shù)量，圓盤破壞的時(shí)候，兩端裂紋不但延伸到圓盤內(nèi)部，最終匯合所有的細(xì)小裂紋，最終在整個(gè)圓盤中貫穿，形成巖石破壞狀態(tài)。因此改變孔徑分布會(huì)直接影響到圓盤模型劈裂破壞，不斷減小孔徑控制參數(shù)，將會(huì)逐漸消失某些大孔，進(jìn)而出現(xiàn)了孔徑均一的小孔，不斷增加裂紋數(shù)量，在圓盤內(nèi)部不斷增加裂紋的數(shù)量，在相同的加載階段中，不斷減小孔徑控制參數(shù)，將會(huì)增加破會(huì)區(qū)域，裂紋分布情況變得更加分散?！?】
3.4孔隙空間位置的影響
利用CT試驗(yàn)，確定孔隙數(shù)在空間分布上屬于均勻分布狀態(tài)，因?yàn)閹r石孔隙具有隨機(jī)分布的特征，控制孔隙率和孔徑分布情況不變，利用隨機(jī)數(shù)生成程序運(yùn)算，確定孔隙空間位置分布規(guī)律，明確孔隙空間位置分布是否會(huì)影響到孔隙巖石劈裂破壞行為。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，當(dāng)孔隙率和孔徑分布特征不變，改變了孔隙位置，主要是影響到裂紋位置，改變孔隙位置之后，并不會(huì)影響到圓盤破裂方式和裂紋數(shù)量，通過加載到圓盤破壞，開始在表面發(fā)生破裂，最終延伸向圓盤中心和內(nèi)部，從表面像內(nèi)部逐漸發(fā)橫破裂方式?？紫堵侍幱?%~7%范圍內(nèi)，在研判的縱剖面中產(chǎn)生對(duì)稱性破壞，產(chǎn)生兩條主裂紋，這種破壞行為是拉伸破壞。如果孔隙率處于15%~23%范圍內(nèi)，主要是在孔隙密集的地方聚集破壞裂紋，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多的裂紋，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的主裂紋，在破壞過程中主要是發(fā)揮剪切破壞和拉伸破壞的作用?！?】
4孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖石力學(xué)性能影響結(jié)論
孔隙率直接影響到孔隙圓盤模型的應(yīng)力分布情況和抗拉強(qiáng)度，如果孔隙率比較低，圓盤模型會(huì)形成破壞狀態(tài)，這時(shí)會(huì)形成一條主裂紋，裂紋平行于加載方向，形態(tài)近似于直線，并且貫通整個(gè)圓盤，這個(gè)階段主要是拉伸破壞的作用。不斷增大孔隙率之后，孔隙圓盤模型達(dá)到破壞狀態(tài)，在這個(gè)時(shí)期會(huì)產(chǎn)生很多的裂紋，但是不會(huì)形成主裂紋，這個(gè)時(shí)期主要是拉伸破壞和剪切破壞的作用。不斷孔隙率之后，逐漸遞減圓盤模型抗拉強(qiáng)度指數(shù)，可以利用函數(shù)描述出圓盤模型抗拉強(qiáng)度指數(shù)遞減規(guī)律?？讖椒植家矔?huì)影響到圓盤模型破壞狀態(tài)，不斷減小空凈控制參數(shù)，將會(huì)逐漸消失某些大孔，由均一孔徑的小孔代替逐漸消失的大孔，不斷增加破壞裂紋的數(shù)量，在同一個(gè)加載階段，不斷減小孔徑控制參數(shù)，因此拓展了破壞區(qū)域，裂紋分布情況也變得更加分散。改變孔徑分布控制參數(shù)，將會(huì)影響到圓盤模型抗拉強(qiáng)度，不斷增加孔隙率之后，將會(huì)逐漸降低這種影響?！?】保持孔隙率和孔徑分布的一致性，通過改變孔隙空間位置也會(huì)影響到圓盤破壞，主要是影響到裂紋產(chǎn)生位置，圓盤破壞方式和裂紋數(shù)量不會(huì)因此受到影響?？紫犊臻g位置是隨機(jī)變化的，不會(huì)顯著影響到孔隙介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度。
5結(jié)束語(yǔ)
本文分析了孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)巖石力學(xué)性能的影響，主要是分析孔隙率和孔徑分布以及空間位置分布對(duì)于巖石力學(xué)性能的影響，為石油、地質(zhì)、水利工程施工問題解決奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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作者：毛華晉 單位：山西大同大學(xué)