岩石力学前沿问题（深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究）
岩石力学前沿问题（深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究）作 者 1 (3)相同围压下岩石的脆延性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 其硬相和中等相矿物含量随深度的增加而增大 导致其脆性增大 由浅至深表现出延性—脆延转化—脆性的特征。(4)不同深度岩石真实应力水平下其峰后特性随着深度的增加呈现出不同的特征:1000 ~3500m深砂岩表现出峰后应变软化特征、4800m深砂岩和5100~5600m深砾岩表现出峰后脆性特征、6400m以深的安山岩表现出峰后塑性流动特征。(5)深部岩石的脆性特征受诸多因素影响 其中岩石的矿物组分和应力环境对岩石的脆性影响存在博弈现象 中等相、硬相矿物含量的增加会导致其脆性增长 而加载应力水平的增加 又会抑制其脆性增长。
【能源人都在看，点击右上角加'关注'】
创新点
(1)深部岩石脆延转化并非瞬时的 而是存在一个脆延性逐渐转换的应力区间。对于松辽盆地1600m赋存深度的砂岩 实验表明50~70MPa围压为其脆延性转化区间。
(2)同一深度砂岩不同应力水平下其脆性特征主要受围压影响。随着围压的增大 砂岩性质出现了从脆性—延性—应变硬化的转变 其峰后塑性逐渐增强 直到峰后呈现完全塑性。
(3)相同围压下岩石的脆延性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 其硬相和中等相矿物含量随深度的增加而增大 导致其脆性增大 由浅至深表现出延性—脆延转化—脆性的特征。
(4)不同深度岩石真实应力水平下其峰后特性随着深度的增加呈现出不同的特征:1000 ~3500m深砂岩表现出峰后应变软化特征、4800m深砂岩和5100~5600m深砾岩表现出峰后脆性特征、6400m以深的安山岩表现出峰后塑性流动特征。
(5)深部岩石的脆性特征受诸多因素影响 其中岩石的矿物组分和应力环境对岩石的脆性影响存在博弈现象 中等相、硬相矿物含量的增加会导致其脆性增长 而加载应力水平的增加 又会抑制其脆性增长。
1
作 者
谢和平1 2 3 4 5 高明忠1 2 3 4 5 付成行5 鲁义强5 6 杨明庆5 胡建军5 杨本高5
2
单 位
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；2. 深圳大学 深地科学与绿色能源研究院；3. 深圳大学 土木与交通工程学院；4. 深圳大学 深圳市深部工程科学与绿色能源重点实验室；5. 四川大学 水利水电学院；6. 中铁工程装备集团有限公司
3
研究背景
向地球深部要空间、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。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。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 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。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。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。
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。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。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。而BRACE认为当岩石的孔隙度为少孔岩石 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 BAUD等研究了Solnhofen石灰岩脆延性的变化 将截止孔隙度临界值降低至3%。BAUD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。
以上学者主要以1000m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。HERRMANN等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。
4
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1000~6400m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1600m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—延性—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。50~70MPa应力水平范围为1600m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—脆延转化—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:1000~3500m深砂岩表现出峰后应变软化特征、4 800m深砂岩和5100~5600m深砾岩表现出峰后脆性特征、6400m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。
5
部分图片
松辽盆地取芯位置[46]
三轴压缩实验中岩石的典型应力-应变曲线[47-49]
岩石峰后脆性变化趋势示意[52]
1600m深度岩石在不同围压下的破坏形态
岩石受压主破裂面示意
不同围压下1600m深度砂岩的偏应力-应变曲线
1600m深度砂岩在不同围压下的三轴力学参数
1600m深度岩石在不同围压下脆性评价指标随围压的变化规律
不同深度岩石在52.14MPa围压下的偏应力-应变曲线
同一围压(52.14 MPa)下在不同深度岩石学参数随深度变化规律
同一围压(52.14 MPa)下不同深度岩石的脆性特征随深度的变化趋势
不同深度岩石真实应力下偏应力-应变曲线
松辽盆地不同深度岩石常规三轴力学参数的差异性[55]
不同深度岩石脆性评价指标随深度的变化规律[56]
3种条件下岩石脆性指标对比
作者简介
谢和平，力学与能源工程专家，2001年当选为中国工程院院士。现为深圳大学特聘教授、深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长、广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室主任。曾任原煤炭工业部科技教育司司长、中国矿业大学校长和中国矿业大学（北京校区）校长、四川大学校长、四川省科协主席。现任深圳大学特聘教授 兼任国务院学位委员会委员、教育部科学技术委员会主任、中国科学技术协会常委、国务院学位委员会学科评议组（矿业工程、石油与天然气工程组）召集人、四川省科协名誉主席等职务。为《Geomechanics and Geoengineering》国际期刊荣誉主编、《Geomechanics and Geophysics forGeo-Energy and Geo-Resources》、《工程科学与技术》期刊主编，并兼任《International Journalof Rock Mechanics and Mining Sciences》等10余种期刊编委。
研究方向
深地科学与能源开采
主要成果
长期致力于深地科学与绿色能源领域的基础研究与工程实践。在国际上开创了岩石力学分形研究新领域；在我国最早建立了裂隙岩体宏观损伤力学模型，开拓了裂隙岩体损伤力学研究新领域。为国家973项目（2次）、国家重点研发计划、国家自然科学基金委“创新研究群体”、国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目等数十项国家级课题的首席科学家或项目负责人；研究成果已出版10余本中英文专著、发表500余篇论文；曾荣获国家教学成果特等奖（2018年）、国家自然科学二等奖（2007年）、国家科技进步二等奖（2000年）、国家科技进步三等奖（1999年）、国家自然科学三等奖（1995年）等多项奖励。被德国克劳斯塔尔工业大学、香港理工大学、英国诺丁汉大学授予荣誉博士学位，入选香港理工大学“杰出中国访问学人奖励计划”，被牛津大学圣艾德蒙学院授予“牛津大学圣艾德蒙Fellow”学术称号，荣获“IET杰出大学校长奖”。
来源：
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 2021 46(3):701-715.
XIE Heping GAO Mingzhong FU Chenghang et al. Mechanical behavior of brittle-ductile transition in rocks at different depths[J]. Journal of China Coal Society 2021 46(3):701-715.
责任编辑：常 琛
编辑整理：郭晓炜
审核：常 琛
End
谢和平院士往期精彩文章
谢和平 吴立新 郑德志.2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J].煤炭学报 2019 44(7):1949-1960.
谢和平.深部岩体力学与开采理论研究进展[J].煤炭学报 2019 44(5):1283-1305.
谢和平 高明忠 刘见中 等.煤矿地下空间容量估算及开发利用研究[J].煤炭学报 2018 43(6):1487-1503.
谢和平 鞠杨 高明忠 等.煤炭深部原位流态化开采的理论与技术体系[J].煤炭学报 2018 43(5):1210-1219.
谢和平 高明忠 高峰 等.关停矿井转型升级战略构想与关键技术[J].煤炭学报 2017 42(6):1355-1365.
谢和平 高峰 鞠杨 等.深地煤炭资源流态化开采理论与技术构想[J].煤炭学报 2017 42(3):547-556.
联系我们
联系人：郭晓炜
电话：010-87986411-811
邮箱：guoxiaowei@chinacs.org.cn
网址：www.mtxb.com.cn
版权声明：
本平台刊登的《煤炭学报》所有稿件均按照国家版权局有关规定支付了相应稿酬，《煤炭学报》享有稿件的信息网络传播权。未经授权，不得匿名转载。本平台所使用的图片属于相关权利人所有，因客观原因，部分作品如存在不当使用的情况，请相关权利人随时与我们联系。
免责声明：以上内容转载自煤炭学报，所发内容不代表本平台立场。
全国能源信息平台010-65367702，邮箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社
