深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究.pdf

i i i i 攀萋蘩篓囊瓣蠢萋囊孽鬻；i i 萎誊囊i i i 孽萎i 囊誊囊囊警孽i i 囊鬟i i 誊蠢誊 | | | | | i | | 攀；| 囊鬻鬻；壤l 鬻浮鬻| | 纛l 瓣攀{ 鬻錾囊i 瓣| | 鍪| | 曩※j 至 ；誊 - 。蠹 { _ _ 警1 - 誊霉- - i 蓦寰蓦蠹；_ ； ；．‘弗；- ；_ ；；誊．1 - ； _ _ 茹蘑．囊 - 囊≥ _ 尊i “深部岩体力学与开采理论“ 专辑 特邀主编致读者 谢和平 2 0 1 6 年全国科技创新大会上，习近平总书记提出“向地球深部进军是我 们必须解决的战略科技问题”。煤炭是我国的主体能源，深部煤炭资源开采是 保障我国能源稳定供给的主要途径，是我国未来煤炭工业发展的主要方向，也 是当前和未来相当长的一段时期内我国煤炭科学与技术攻关的主要战场。 随着煤炭资源开采深度的延伸，面临的科学问题和技术难题前所未遇，这 些问题和难题的研究与破解对煤炭行业科技工作者提出了更高要求，甚至需 要颠覆性的理念和变革性的攻关范式。就基础理论而言，传统的岩石力学和 矿山压力理论已经不能准确描述深部开采条件下的岩石力学行为，亟需从源 头上重新认识、探索深部原位环境下开采力学等系列问题，包括从源头上研究 原位岩芯的获取方式，从源头上研究原位岩石的变形破坏机制等。就工程技 术而言，开采的深度和规模与日俱增，矿井建设环境复杂，传统工艺工法效率 尚不能满足工程需要，技术装备自主化水平还需进一步提升；作业空间的高 效、安全、绿色维护，包括巷道控稳、动力灾害防治以及采掘工作环境治理等关 键技术还有待攻关；智能开采、超长工作面超大空间开采、煤与瓦斯协同开采 等问题的工程倒逼，也要求科研人员在原有的技术理论体系和规范标准上进 行创新实践。与此同时，我们清楚地看到，科技发展日趋多元化，深部煤炭资 源开发整体协调发展不仅是矿业相关学科的任务，同时也需要多门类自然学 科和工程学科的跨界合作和共同努力。 “十三五”以来，国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项正式启 万方数据 动，作为我国深地领域重大科技攻关任务，专项针对我国深部资源开采理论和 技术需求，设置了开采板块，从基础研究、共性关键技术到应用示范基地的建 设，全方位汇聚专家学者协同攻关，在科学开采、安全生产、清洁利用等方面， 取得了丰硕的成果，大力推进了科学、技术和行业的融合提升，促进了煤炭工 业的快速健康发展。 当前在国家重大需求牵引、国家科技任务引导以及国内学者的踊跃参与 和无私奉献之下，深部岩体力学与开采理论方面的研究上升到空前热度和更 高水平，为了展示我国该领域相关理论与技术成果，煤炭学报特别组织策 划本期专题，专题自征稿发布以来，受到了煤炭科技界同仁的高度关注。专题 共收到来稿百余篇，最终录用1 8 篇，专题稿件紧紧围绕3 个主题进行报道， 即①深部开采基础科学理论；②深部矿产资源绿色开采关键技术；③深部 智慧矿山技术。在此，对大力支持本专题的专家学者表示衷心的感谢 希望借助此次专题，深入交流深部岩体力学与开采理论方面的新理论、新 方法、新技术以及新工艺，为国家煤炭科技事业的“十四五”和中长期发展提 供积极良好的开端，也希望各行各业更多的科技人才和工程专家在煤炭科技 领域扎根实干，为我国能源事业的发展而奋斗 万方数据 第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M 盯．2 0 2 1 深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究 谢和平1 ’2 ’3 ’4 ⋯，高明忠1 ’2 ’3 4 ⋯，付成行5 ，鲁义强5 ⋯，杨明庆5 ，胡建军5 ，杨本高5 1 ．深圳大学广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室，广东深圳5 1 8 0 6 0 ；2 ．深圳大学深地科学与绿色能源研究院，广东深圳5 1 8 0 6 0 ； 3 ．深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳5 1 8 0 6 0 ；4 ．深圳大学深圳市深部工程科学与绿色能源重点实验室，广东深圳5 1 8 0 6 0 ；5 ．四川大 学水利水电学院，四川成都6 1 0 0 6 5 ；6 ．中铁工程装备集团有限公司，河南郑州4 5 0 0 0 0 摘要岩石脆延转化力学行为规律是深部岩石力学研究的重要内容之一，同时也是影响深地工程 安全高效实施的关键因素。为研究深部不同深度岩石脆延转化力学行为差异性规律，以松辽盆地 10 0 0 ～64 0 0m 不同赋存深度的砂岩、砾岩和安山岩为研究对象，开展了同一深度岩石不同应力水 平下、不同深度岩石同一应力水平下以及不同深度岩石原位应力水平下的常规三轴实验，并采用峰 前和峰后脆性指标分析了岩石的脆性特征，初步揭示了深部不同深度岩石脆延转化力学行为的关 键影响因素与差异性规律。研究结果表明不同深度岩石脆延转化并非是瞬时的，而是存在一个脆 延性逐渐转换的应力区间。同一深度岩石不同应力水平下其脆延特征主要受围压影响。对 于l6 0 0m 深砂岩，其脆性整体上随着围压的增大而减小，出现了从脆性一延性一应变硬化的转 变，并且其峰后塑性逐渐增强，直到峰后呈现完全塑性。5 0 ～7 0M P a 应力水平范围为l6 0 0m 深砂 岩的脆延转化区间；相同围压下不同深度岩石的脆延特征主要受其本身矿物组分的影响。对于松 辽盆地岩石样品，其硬相矿物和中等相矿物的含量总体上随着深度的增加而增大，导致其脆性随深 度的增加而增大，由浅至深表现出延性一脆延转化一脆性的特征；不同深度岩石原位应力水平下其 峰后特征随着深度的增加呈现出不同的特征10 0 0 ～35 0 0m 深砂岩表现出峰后应变软化特 征、48 0 0m 深砂岩和51 0 0 56 0 0m 深砾岩表现出峰后脆性特征、64 0 0m 以深的安山岩表现出 峰后塑性流动特征。岩石的脆延特征受诸多因素的影响，其中岩石的矿物组分和应力环境对其脆 延特征的影响存在博弈现象。随着深度的增加硬相矿物和中等相矿物含量的增加会导致岩石的脆 性增长，而岩石加载应力水平的增加。又会抑制岩石的脆性增长。 关键词深部岩石；不同深度岩石；脆延性转化；脆性指标；原位应力环境 中图分类号T D 3 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 0 7 0 卜1 5 M e c h a n i c a lb e h a v i o ro fb r i t t l e - d u c t i l et r a n s i t i o ni nr o c k sa td i f f e r e n td e p t h s X I E H e p i n 9 1 2 ’3 4 ，，G A OM i n g z h o n 9 1 ’2 ’3 4 ”，F UC h e n g h a n 9 5 ，L UY i q i a n g s ⋯，Y A N GM i n g q i n 9 5 ， H UJ i a n j u n 5 ，Y A N GB e n g a 0 5 1 ．G u a n g d o n gP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo f D e e pE a r t hS c i e n c e sa n dG e o t h e r m a lE n e r g yE x p l o i t a t i o na n dU t i l i z a t i o n ，S h e n z h e nU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n5 1 8 0 6 0 ， C h i n a ；2 ．I n s t i t u t eo f D e e pE a r t hS c i e n c e sa n dG r e e nE n e r g y ，S h e n 抽e nU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n5 1 8 0 6 0 ，C h i n a ；3 ．C o l l e g e 矿C i v i la n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i a m r - i n g ，S h e n d t e nU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n5 1 8 0 6 0 ，C h ／n a ；4 ．S h e n z h e nK e yL a b o r a t o r y 矿D e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n gS c i e n c e sa n dG r e e nE n e r g y ，S h e n z h e nU n i - v e r s 豇y ，S h e n z h e n5 1 8 0 6 0 ，C h i n a ；5 ．C o l l e g eo f W a t e r R e s o u r c e ＆H y d r o p o w e r ，S i c h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 6 5 ，C h i n a ；6 ．C h i n aR a i l w a y E n g i n e e r i n g 幻却m e a tG r o u pC o ．，L t d ．，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 0 ，C h i n a 收稿日期2 0 2 l - 0 1 - 2 3修回日期2 0 2 卜0 3 一0 1责任编辑常琛D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．Y T 2 1 ．0 1 5 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 8 2 7 9 0 1 ，U 2 0 1 3 6 0 3 ；广东省珠江人才计划引进创新创业团队计划资助项 目 2 0 1 9 Z I 0 8 G 3 1 5 作者简介谢和平 1 9 5 6 一 ，男，湖南双峰人，中国工程院院士。E m a i l x i e h p 鸵u ．e d u ．c n m 引用格式谢和平，高明忠，付成行，等．深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 3 7 0 1 7 1 5 ． X I EH e p i n g ，G A OM i n g z h o n g ，F UC h e n g h a n g ，e ta 1 ．M e c h a n i c a lb e h a v i o ro fb r i t t l e - d u c t i l et r a n s i t i o ni nr o c k sa td i f - f e r e n td e p t h s [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 3 7 0 1 - 7 1 5 ． 移动阅读 万方数据 7 0 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 A b s t r a c t T h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fb r i t t l e ．d u c t i l et r a n s i t i o ni nr o c k si so n eo ft h ee s s e n t i a lc o m p o n e n t so fd e e pr o c k m e c h a n i c s ，a sw e l la sak e yf a c t o rt h a ti m p a c t st h es a f ea n de f f i c i e n ti m p l e m e n t a t i o no fd e e pr o c ke n g i n e e r i n gp r o j e c t s ． T os t u d yt h ed i f f e r e n c e si nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so fb r i t t l e ．d u c t i l et r a n s i t i o ni nd e e pr o c k s ．t h es a n d s t o n e s ．c o n g l o m ． c r a t e sa n da n d e s i t e sa td i f f e r e n to c c u r r e n c ed e p t h s 10 0 0 - 64 0 0m f r o mt h eS o n g l i a oB a s i na r et a k e na sr e s e a r c ho b j e c t s ，a n dan u m b e ro fc o n v e n t i o n a lt r i a x i a lt e s t sa r ec a r r i e do u to nr o c k sa ta ni d e n t i c a ld e p t hb u tu n d e rd i f f e r e n ts t r e s s l e v e l s ．r o c k sa td i f f e r e n td e p t h sb u tu n d e ra ni d e n t i c a ls t r e s sl e v e l ．a n dr o c k su n d e rd i f f e r e n ts t r e s s1 e v e l sa n da td i f f e r e n t d e p t h s ．T h eb r i t t l e n e s sc h a r a c t e r i s t i c so fr o c k sa r ea n a l y z e db yu s i n gt h ep r e - p e a ka n dt h ep o s t p e a kb r i t t l e n e s si n d e x ．A p r e l i m i n a r yu n d e r s t a n d i n go ft h ek e yi n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dd i f f e r e n c e si nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so fb r i t t l e - d u c t i l e t r a n s i t i o ni nd e e pr o c k sa td i f f e r e n td e p t h sh a sb e e na c h i e v e d ．T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tr a t h e rt h a na ni n s t a n t a n e 。 O U Sb r i t t l e - d u c t i l et r a n s i t i o ni nr o c k sa td i f f e r e n td e p t h s ，as t r e s sz o n ee x i s t si np r o g r e s s i v et r a n s i t i o nf r o mb r i t t l e n e s st o d u c t i l i t y ．T h eb r i t t l e n e s so fr o c k sa ta ni d e n t i c a ld e p t hb u tu n d e rd i f f e r e n ts t r e s sl e v e l sa r em a i n l ya f f e c t e db yt h ec o n f i - n i n gp r e s s u r e ．F o rs a n d s t o n e sa t ad e p t ho f16 0 0m ，i t sb r i t t l e n e s sg e n e r a l l yd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fc o n f i n i n g p r e s s u r e ，a n dt h e r ei sat r a n s i t i o nf r o mi t sb r i t t l e n e s s ，d u c t i l i t yt os t r a i nh a r d e n i n g ，i t sp o s t p e a kp l a s t i c i t yg r a d u a l l yi n - c r e a s e su n t i li ts h o w sac o m p l e t ep l a s t i c i t ya f t e rt h ep e a k ．T h es t r e s sl e v e lr a n g eo f5 0M P at o7 0M P ai st h eb r i t t l e - d u c - t i l et r a n s i t i o nz o n eo fs a n d s t o n e sa tt h ed e p t ho f16 0 0m ．T h eb r i t t l ed u c t i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fr o c k sa td i f f e r e n td e p t h s u n d e rt h es a m ec o n f i n i n gp r e s s u r ea r em a i n l ya f f e c t e db yt h e i ro w nm i n e r a lc o m p o n e n t s ．F o rt h er o c ks a m p l e sf r o mt h e S o n d i a oB a s i n ，t h e i rc o n t e n to fh a r dp h a s em i n e r a l sa n dm i d d l ep h a s em i n e r a l sg e n e r a l l yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f d e p t h s ，w h i c hc a u s e st h e i rb r i t t l e n e s st og ou pw i t hd e p t hi n c r e a s e s ，e x h i b i t i n gas h a l l o wt od e e pc h a r a c t e r i s t i co ft r a n s i - t i o nf r o mb r i t t l e n e s st od u c t i l i t yt ob r i t t l e n e s s ．T h ep o s t - p e a kc h a r a c t e r i s t i c so fi n s i t ur o c ks t r e s sl e v e l sa td i f f e r e n t d e p t h ss h o wd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa st h ed e p t hi n c r e a s e s t h es a n d s t o n e sa td e p t h sf r o m 10 0 0mt o35 0 0md e p t h s h o wp o s t p e a ks t r a i n i n gs o f t e n i n g ，p o s tp e a kb r i t t l e n e s si sf o u n di ns a n d s t o n e sa tt h ed e p t ho f48 0 0ma n dc o n g l o m e r - a t e sf r o md e p t h sa t51 0 0mt o56 0 0m ，w h i l et h ea n d e s i t e sa tt h ed e p t ho f64 0 0mm a n i f e s tt h ec h a r a c t e r i s t i co fp o s t p e a kp l a s t i cf l o w ．M a n yf a c t o r sa f f e c tt h eb r i t t l e n e s sa n dd u c t i l i t yo fr o c k s ．A m o n gt h e m ，g a m ep h e n o m e n o ne x i s t si nt h e i m p a c to nt h eb r i t t l e n e s sa n dd u c t i l i t yo fr o c k sb e t w e e nt h em i n e r a lc o m p o s i t i o na n ds t r e s se n v i r o n m e n t ．A st h ed e p t hi n - c r e a s e s ，t h ei n c r e a s eo fh a r dp h a s em i n e r a l sa n dm i d d l ep h a s em i n e r a l sw i l lc a u s et h eb r i t t l e n e s st oi n c r e a s e ，a n dt h ei n c r e a s ei nt h el o a d i n gs t r e s sl e v e lw i l li n h i b i tt h eb r i t t l e n e s so ft h er o c k s ．T h er e s e a r c hr e s u l t sa r ee x p e c t e dt og u i d et h e s c i e n t i f i ce x p l o r a t i o n sa n de f f i c i e n ti m p l e m e n t a t i o no ft h ed e e pr o c ke n g i n e e r i n g ． K e yw o r d s d e e pr o c k s ；r o c k sa td i f f e r e n td e p t h s ；b r i t t l e d u c t i l et r a n s i t i o n ；b r i t t l e n e s si n d e x ；i n s i t us t r e s se n v i r o n m e n t 向地球深部要空问、要资源是大势所趋，地球深 部资源的开发与利用已成为世界各国争先探索的科 学制高点，其共性科学基础即是深部岩石力学理 论‘6J 。随着能源资源开发由浅部走向深部，深部工 程中的“高地应力、高温度、高渗透压”的“三高”地质 环境导致岩石的组织结构、基本力学特征和工程响应 发生变化，均是深部工程灾害频发且不同于浅部灾害 形式的主要原因“ 。17 | 。不同赋存深度岩石力学行为 的差异性主要体现在岩石变形、强度特征、破坏特征 和脆延性转化等方面8 。2 1 | ，其中，岩石的脆延性随深 度的演化规律是深部岩石力学研究的重要内容之一。 由于不同深度岩芯难以获取，大多学者仍通过改 变围压来近似模拟不同深度的地应力赋存环境，进而 分析岩石脆延性状态转化方面的规律，并发现随着围、 压的增大岩石具有从脆性向延性转化的趋势旧卜川。 笔者首创深部岩石原位保真取芯技术，旨在探索研究 原位环境下深部岩石的物理力学差异性特征新规律、 构建深部原位岩石力学新理论体系[ 2 5 - 2 6 ] 。V O NK A R ． M A N 用大理岩进行不同围压条件下的力学实验旧7 | ，发 现在围压约6 9M P a 下，大理岩发生了较大的塑性变 形，轴向应变的值达到8 ％左右时试样还未发生宏观 破坏。P A T E R S O N Ⅲ1 在室温下对W o m b e g a n 大理岩做 了试验，发现大理岩的围压超过2 0M P a 后峰值应变显 著增加，并且随着围压的增大岩石的力学性质有脆性 向延性转变的特性，P A T E R S O N 把这种由低峰值应变 下的宏观破裂到高峰值应变下的没有明显破坏迹象的 转变称脆延转变。M A R T I N 和s r l l M P S O N 旧钊基于大量 实验，总结出了一个基于应力和强度关系的脆延转化 条件。H A N D I N ㈣o 对盐岩在室温下的三轴压缩试验中 观测到围压小于2 0M P a 时会发生脆性向延性转 变。M O G I 旧u 采用大理岩进行实验得出了类似的结 果。C L E A R Y “ 引认为岩石的破坏过程在浅部表现为脆 万方数据 第3 期 谢和平等深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究 7 0 3 性或断裂韧性控制，在深部表现为准静态或延性状态。 周宏伟等H 副从微细观角度讨论了岩石内部微结构在 脆延转变过程中的作用，认为外部因素为温度和压力， 内部因素为内部晶体的微结构，深部岩石脆延转变受 到这两类因素共同作用，且它们相互影响。尽管众多 学者对深部岩石的脆延转换问题做了大量研究，但大 多仍采用通过改变围压来近似模拟不同深度的地应力 赋存环境，且多数还集中在定性的讨论阶段m 。3 5 | 。 对岩石这种多孔介质来讲，孔隙度对岩石的脆延 性转变也有关键控制作用。脆性和延性之间的区别是 宏观的，这取决于岩石是否能够承受较大的永久应变 而没有宏观的断裂ⅢJ 。与岩石的宏观脆性断裂相关 的变形机制主要包括晶粒间的微裂纹扩展和摩擦滑 动，岩石在延性状态下的非弹性变形机制主要包括晶 体可塑性、晶体的转移和分解【3 6 。3 8 】。学者普遍认为， 多孔岩石脆延性的转变与初始孔隙度密切相关Ⅲ】。 而B R A C E 旧。认为当岩石的孔隙度 5 ％时，可将其视 为少孔岩石，反之则可视为多孔岩石，并将5 ％这一临 界值作为区分少孔岩石和多孔岩石的指标，称为截止 孔隙度。基于此，B A U D 等m 1 研究了S o l n h o f e n 石灰岩 脆延性的变化，将截止孔隙度临界值降低至3 ％。 B A U D 等发现以往关于多孔砂岩脆延性转变的概念过 于简单化，岩石的脆延性转变过程可能存在一种中间 状态，其破坏模式与压实带的局部发展有关【4 1 叫] 。 以上学者主要以10 0 0m 以浅的岩石为研究对 象，很少考虑深度变化导致的岩石性质的改变，以不 同围压模拟深度的变化，导致利用浅部岩石获得的规 律不能适用于深部岩石。H E R R M A N N 等Ⅲ1 研究发 现露头页岩和深部页岩的力学性质差异较大，这也验 证了采用浅部岩石通过改变围压去模拟深部岩石的 力学性质会与深部岩石的真实力学性质存在较大的 差异。因此，研究不同深度岩石力学性质的变化，有 必要同时考虑不同深度岩石本身的差异性和不同深 度环境应力水平的差异性。笔者以松辽盆 地10 0 0 ～64 0 0m 深度岩石为研究对象，充分考虑 岩石原位应力环境以及初始物性差异，初步探究了不 同深度岩石脆延转化力学行为特征。 1基于松科二井原位岩芯的不同深度岩石三 轴力学实验 1 ．1 松科二井不同深度试样制备 松辽盆地作为中国陆相沉积地层最完整的区域， 是研究不同深度岩石物理力学行为差异的最佳靶点。 特别是松辽盆地有中国最深 完井深度70 1 8m 的 科探钻井松科二井，可以获得用以科学探索的深 部岩芯，本研究所取岩芯主要集中在48 0 0 ，51 0 0 ， 56 0 0 ，64 0 0m 深度范围。为了系统的研究松辽盆地 不同赋存深度岩石的物理力学规律，建立大深度范围 的不同赋存深度规律研究，课题组在大庆油田取芯 井 龙1 7 、龙1 0 - 0 8 、葡深l 、台6 0 2 、茂6 卜检8 9 、大 4 2 4 获得的l0 0 0 ～35 0 0m 深部范围内的岩芯，综合 松科二井样品开展不同深度岩石的物理力学试验。 大庆油田取芯井与松科科探钻井的相对位置如图1 所示mJ ，两者均位于松辽盆地，且地质条件相似，故 在一定程度上可将两者岩芯统一进行研究。 实验采用1 0 个深度的岩芯，赋存深度分别 为l0 0 0 ，l3 0 0 ，16 0 0 ，l8 5 0 ，26 0 0 ，35 0 0 ，48 0 0 ， 51 0 0 ，56 0 0 ，64 0 0m 。其中10 0 0 48 0 0m 为砂 岩，51 0 0 ～56 0 0m 为砾岩，64 0 0m 为安山岩。将取 得的岩芯制作成直径为 2 5 1 m m ，高径比为 2 4 - 0 ．2 的圆柱体试样，试样两端面不平行度应不大于 0 ．0 1m m ；试样上下端直径偏差不应大于0 ．1m m ；试 件表面应光滑，避免因不规则表面而产生的应力集中 现象导致试验数据失真。 1 ．2 实验设备及试验方案设计 本文考虑深度影响的岩石常规三轴力学实验 中，l0 0 0 ～35 0 0m 深度实验在四川大学M T S 8 1 5 岩石 力学实验机上开展；48 0 0 ～64 0 0m 深度在重庆大 学G C T S 高温高压岩石力学实验机上开展。实验前采 用标准铝块和完整砂岩验证了2 台实验机在测试中的 误差，确保实验机在测试中产生的误差可以忽略。 为深入探索不同深度岩石脆延转化力学行为规 律，共设计3 个试验方案①同一深度 S a m ed e p t h 岩石不同应力水平 D i f f e r e n ts t r e s s 的常规三轴实 验，简称S D ；②不同深度 D i f f e r e n td e p t h 岩石同一 应力水平 S a m es t r e s s 的常规三轴实验，简称D S ；③ 不同深度 D i f f e r e n td e p t h 岩石真实应力水平 T r u e s t r e s s 的常规三轴实验，简称D T 。实验参数见表l 。 2 不同深度岩石脆延特性评价方法 为了深人研究不同深度岩石的力学特性，充分分 析松辽盆地不同深度岩石三轴压缩下脆延性特征差 异，采用M O G I 【4 7 1 和R Y B A C K IE 等[ 艄‘4 9 1 提出的定义 典型应力一应变曲线几个特征力学参数的方法进行 表征，如图2 所示。 图2 中A 点为应力应变曲线的屈服点；B 点为峰 值应力点 试样破坏点 ；O D 代表试样的延展性 延 性 ，定义为材料在无断裂情况下经受最大永久变形 的能力。目前关于延性参数度量方法没有统一，本文 给出了一个简单的确定方法，从应力应变曲线的起始 万方数据 7 0 4 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 L o n 9 1 0 L o n 9 1 7 P u s h e n1 T a i6 0 2 D a 4 2 4 图1 F i g ．1 松辽盆地取芯位置“ L o ．a t i o no fc o r e so b t a i n e d L 4 6 表1 不同深度试验样品信息 T a b l e1 S a m p l ei n f o r m a t i o na td i f f e r e n td e p t h s 万方数据 第3 期 谢和平等深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究 7 0 5 图2 三轴压缩实验中岩石的典型应力一应变曲线4 7 4 9 I | F i g ．2T y p i c a ls t r e s s s t r a i nc urveo fr o c ki nt r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s l 『4 7 4 93 点0 ，做直线 斜率为弹性模量E ，在该直线与应力 应变曲线峰值水平线交点处向下做垂线，垂线与应力 应变曲线的相交点定义为应力应变曲线的屈服点／4 。 屈服点之前的鳓段岩石的变形为弹性变形 包括线 弹性和非线弹性 。4 点之后开始有塑性变形产生， 岩石进入屈服阶段。然后定义岩石应力应变关系的 几个参数E 代表岩石的弹性模量，从初始线性部分 的曲线斜率中获得；泊松比“由弹性阶段的环向应变 与轴向应变的比值获得；H 代表应变硬化模量，由后 屈服区曲线的斜率获得。s 。。，％，8 。。。，s 。。，s 川分别 为剪胀开始时的应变，最大弹性应变 屈服应变 ，非 弹性应变 延性应变 ，峰值应力应变和破坏应变。 根据图2 中定义的几个参数的计算如式 1 所示 I E A t r L ／A e 。 。。， L H 一＼u 。。。盯d ／ s 。。。一占，1 式中，A o - 。．为应力应变曲线直线段两点之问的差 值，M P a ；A g l 为直线段两点对应的轴向应变；s 。为侧 向应变；s 。．为轴向应变；o r ，I 和o r 。。、分别为最大弹性 应力和峰值应力；s 。和占。。。分别最大弹性应变和峰 值应力应变。 根据不同深度岩石不同阶段应力应变关系的变 化，定义了几个可以表征不同深度岩石脆性特征的参 数4 8 。21 ，即 口Ⅳ汛m 。 等，B m ‰一。。 1 脆性 ～0 塑性 B m 阳。。 s i n i ／s ⋯，B i n i s ⋯ l 脆性 ～0 塑性 ／ 、B 。姗。 O c ．e l ／s 。、，B 。幽⋯ 1 脆性 ～0 塑性 其中，曰。m 。h ，，B ㈣。，。和B 。蛳。i 。均为基于应力一应变 曲线特征参数的岩石峰前脆性指标。其中，B 。h 。h ， 通过应变硬化模量与弹性模量的比值定义，综合考虑 了峰值应力、峰值应力应变、最大弹性应力和最大弹 性应变，而B 曲⋯和B 。。。。．则分别考虑的是岩石发 生剪胀时的应变、峰值应力应变和最大弹性应变、峰 值应力应变。 不同深度岩石在常规三轴压缩实验中的力学特性 的差异不仅存在于弹性阶段，非弹性段和峰后特性的 差别也非常显著。为了定量研究岩石在变形过程中的 应力一应变关系，考虑不同深度岩石常规三轴压缩试验 中的峰后特征，定义出能够表示三轴条件下典型的应 力一应变曲线几个特征力学参数的量，如图2 所示。其 中，峰前特征点的定义与上文相同。这里主要介绍峰 后跌落模量M D e s c e n d a n tm o d u l u s ，由应力下降的斜 率获得，如式 3 所示。 M 一生