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题名深部原位多场环境重构概念下岩石力学行为研究进展
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作者
陆明远
周宏伟
王军
毛婷婷
彭瑞东
薛东杰
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机构
中国矿业大学(北京)能源与矿业学院
弗莱贝格工业大学岩土工程研究所
中国矿业大学(北京)煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室
中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院
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出处
《煤炭学报》
北大核心
2025年第9期4135-4150,共16页
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基金
地球深部探测与矿产资源勘查国家科技重大专项资助项目(2024ZD1003902)
国家自然科学基金资助项目(52121003,51827901)。
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文摘
随着我国地下资源开发需求持续增长,深地力学问题已成为制约矿业、油气、地热等能源工程向地壳更深部拓展的关键因素之一。深部岩石长期赋存于高应力、高孔压、高地温等多场耦合环境中,其物理力学响应受控于原位环境状态。然而,常规岩石力学试验理念与深部岩石的原位环境状态缺乏对应关系,导致其难以揭示深部岩石在原位地层中的本真力学行为。鉴于上述认知空白,系统阐明了深部原位多场环境概念,归纳了基于松辽盆地1000~6400 m岩心开展的原位应力、孔压与温度环境重构试验研究,结合数值模拟方法预判了深部岩石在原位应力与孔压重构环境下的应力−应变行为。同时,辅以山东赵楼煤矿800 m煤样的核磁共振试验,验证了深部岩石在变温条件下的多孔介质热力学响应机制。结果表明:原位应力重构试验下,施加与地层等效的时间依赖应力边界可有效抑制原位应力释放对深部岩心的影响,通过促进裂隙闭合与颗粒间接触,提高岩心的结构致密度与承载能力,使其弹性模量与峰值偏应力较常规三轴试验提升约10%,并揭示了原位应力与成岩组分对不同深度岩石力学行为的协同控制作用;原位孔压重构试验下,深部岩心的力学强度在引入原位非均匀孔隙压力后普遍呈下降趋势,且该趋势随深度(围压)的增加而逐渐减弱,表明原位孔压对岩石强度存在削弱效应,但其影响程度受围压条件的约束限制;原位温度重构试验下,煤样与砂岩在室温−原位温度−超原位温度区间中,孔隙率、弹性模量与泊松比均呈现非单调变化规律,验证了深部岩石在室温至原位温度区间内的多孔介质热弹性恢复机制,仅在超原位温度条件下存在明显的热损伤与热塑性行为。结果表明:原位环境重构方法可通过在试验尺度上模拟原位边界条件,有效降低因试验边界失配导致的力学响应偏差。在此基础上,构建了面向深部固体资源开采的“重构−变载−响应”3阶段试验方法,将原位环境重构作为试验基准,将环境变载视为开采扰动过程的中间变量,在变载诱发的时空耦合路径中解析深部岩石从原位稳定状态到扰动失稳破坏的全过程响应机制。以此为深地资源开发中的岩石力学参数同步测试、稳定性评价与灾变机理识别提供可拓展的试验途径。
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关键词
深部原位岩石力学
深部原位多场环境
原位环境重构
岩石力学试验
多场耦合
深地科学
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Keywords
deep in-situ rock mechanics
deep in-situ multi-physics conditions
in-situ condition reconstruction
rock mechanical experiment
multi-physical coupling
deep underground science
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分类号
TU45
[建筑科学—岩土工程]
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