熱破裂花崗巖滲透率變化的臨界溫度

馮子軍,趙陽升,張 淵,萬志軍

(1．太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西太原 030024;2．淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇淮安 223003;3．中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

熱破裂花崗巖滲透率變化的臨界溫度

馮子軍1,趙陽升1,張 淵2,萬志軍3

(1．太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西太原 030024;2．淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇淮安 223003;3．中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

利用600℃20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)測量了“魯灰”花崗巖(?200 mm× 400 mm)在三軸應(yīng)力作用下升溫過程中滲透率的變化。發(fā)現(xiàn)熱破裂花崗巖的滲透率隨溫度變化存在一個(gè)臨界溫度Tc,即300℃。低于該臨界溫度時(shí),滲透率較小,其量級為10-19m2,并且增幅較小;高于該溫度后,滲透率出現(xiàn)了突變,且增幅較大,300～400℃,其數(shù)值增加一個(gè)量級,為10-18m2;在400℃時(shí),滲透率的數(shù)量級增大至10-17m2。同時(shí)采用MPV-SP顯微光度計(jì)定量地研究了“魯灰”花崗巖試樣20～400℃熱破裂過程中裂紋數(shù)量的變化。長度大于5 μm(即l＞5 μm)和長度大于10 μm(即l＞10 μm)的微裂紋數(shù)量出現(xiàn)兩個(gè)峰值,并且l＞5 μm的微裂紋數(shù)量變化的峰值溫度均小于l＞10 μm的微裂紋數(shù)量變化的峰值溫度;300℃后l＞10 μm的微裂紋數(shù)量增加較快,其增加速率約1個(gè)/10℃。300℃后微裂紋的快速增加是導(dǎo)致熱破裂花崗巖滲透率突然增加的主要原因。

熱破裂;花崗巖;滲透率;臨界溫度;細(xì)觀特征

在核廢料的深埋處置和高溫巖體地?zé)衢_發(fā)過程中,始終伴隨有熱破裂的發(fā)生。在核廢料處置過程中,由于核廢料放射性物質(zhì)的衰變而產(chǎn)生的熱量不斷加熱圍巖,致使圍巖產(chǎn)生熱破裂。熱破裂產(chǎn)生的微裂紋生長、擴(kuò)展、連通,從而改善了圍巖的輸運(yùn)特性,當(dāng)?shù)叵滤刂⒘鸭y流動時(shí)可能被放射性核素污染。在高溫巖體地?zé)衢_發(fā)過程中,無論是鉆井過程中還是后期的人工儲留層的建造以及熱水的提取過程,均有熱破裂的發(fā)生,一方面影響鉆井井壁的穩(wěn)定性,不利于鉆井施工,另一方面利于人工儲留層的建造。

早在20世紀(jì)80年代初,國際上針對核廢料處置過程中花崗巖圍巖的熱破裂進(jìn)行了大量研究。一方面利用巖石試驗(yàn)機(jī)測量巖石試樣的線性熱膨脹系數(shù)、彈性模量、滲透率、聲發(fā)射等隨溫度的變化規(guī)律,得出隨著溫度的升高,花崗巖的線性熱膨脹系數(shù)既不是常量也不是溫度或壓力的單一函數(shù)[1];彈性模量和體積模量隨著溫度升高而非線性降低[2];滲透率在20～125℃的低溫段時(shí)隨溫度增加而降低,在高于125℃的高溫階段,隨溫度升高而增大[3]。Chen等利用聲發(fā)射技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)Westerly花崗巖存在60～70℃的熱破裂閾值,當(dāng)溫度高于這個(gè)閾值時(shí),聲發(fā)射開始大量出現(xiàn),而且發(fā)現(xiàn)熱破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射存在“Kaiser效應(yīng)”[4]。另一方面集中于利用掃描電子顯微鏡(SEM)和共焦掃描激光顯微鏡(CSLM)對熱破裂花崗巖進(jìn)行微觀研究。Homand-etienne等利用SEM定量地對花崗巖熱破裂產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)裂紋密度依賴于溫度、熱膨脹的不匹配和非均質(zhì)性、初始孔隙率及顆粒尺寸[5-6]。Menendez等利用CSLM研究了花崗巖熱破裂形成的裂紋三維空間幾何形狀特征[7-8]。

為了研究高溫巖體地?zé)衢_發(fā)過程中熱破裂的影響,趙陽升等利用600℃20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)對大尺寸花崗巖試樣進(jìn)行了熱破裂的研究[9-10],發(fā)現(xiàn)花崗巖的熱破裂隨著溫度的變化具有多期性,其滲透率具有多峰性。利用顯微CT定性地研究了經(jīng)歷高溫處理后的大試樣花崗巖的微裂紋演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)200℃時(shí),已可見到極少數(shù)很小的微裂紋;300℃時(shí),部分裂紋搭接形成較大裂紋,且裂紋長度增加10倍左右;500℃時(shí),包圍花崗巖晶體顆粒的封閉多邊形裂紋幾乎全部形成,使花崗巖呈現(xiàn)糜棱狀的晶體顆粒結(jié)構(gòu)體[11]。

關(guān)于熱破裂花崗巖滲透率演化的臨界溫度,目前鮮見報(bào)道。而陳顒等[12]在研究碳酸巖和花崗巖的滲透率時(shí)發(fā)現(xiàn)碳酸巖在110～120℃時(shí),滲透率出現(xiàn)了10倍的突變,而花崗巖在200℃范圍內(nèi)滲透率未出現(xiàn)明顯增長的門檻溫度值,所以,花崗巖的門檻溫度可能更高。由于試驗(yàn)設(shè)備的限制,陳顒等并未發(fā)現(xiàn)熱破裂花崗巖滲透率變化的臨界溫度值。筆者利用600℃20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)對一系列大尺寸花崗巖試樣(?200 mm×400 mm)進(jìn)行了熱破裂過程中的滲透率測量,同時(shí)采用MPV-SP顯微光度計(jì)定量地研究了同一種花崗巖熱破裂過程中裂紋數(shù)量的演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概述

1.1 滲透率測量

(1)試樣。

進(jìn)行滲透率測量和細(xì)觀試驗(yàn)的試樣均為采自山東平邑的花崗巖,商品名“魯灰花崗巖”。其礦物成分為伊利石25%、石英28%、長石43%、余量4%。石英顆粒平均尺寸為0．6～0．7 mm,長石顆粒為1～2 mm,初始孔隙率為0．30%～0．55%。用于滲透率測量的花崗巖試樣先經(jīng)過石材加工機(jī)加工成圓柱形毛坯,再用車床精車加工,達(dá)到試驗(yàn)精度要求,試樣成品規(guī)格為：?200 mm×400 mm。

(2)試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過程。

滲透率測量在“600℃20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)”上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)及滲流試驗(yàn)過程已在文獻(xiàn)[9-10,13]中詳細(xì)介紹,在此不作說明。

試樣先在輔機(jī)上進(jìn)行安裝,然后在主機(jī)上進(jìn)行加壓、加溫、測滲透率。由于高溫高壓下滲透試驗(yàn)涉及高溫高壓密封等極其復(fù)雜的技術(shù)問題,文中只針對達(dá)到400℃高溫的4個(gè)試樣進(jìn)行滲透率演化規(guī)律的分析。4個(gè)試樣中,1號試樣軸壓、圍壓均為75 MPa(即3 000 m),其余3個(gè)均為25 MPa(即1 000 m)。試樣的滲透率測量與加溫試驗(yàn)同步進(jìn)行,氣源為高壓氮?dú)?采用高壓閥門和高精度氣壓表控制進(jìn)氣口氣壓。出氣口氣體流量采用皂沫流量計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行測量(圖1)。如圖2所示,高壓氮?dú)鈴倪M(jìn)氣口14進(jìn)入,經(jīng)過蓋板1、上H13軸壓壓頭2到達(dá)試樣的上表面,經(jīng)過試樣滲流出的氣體經(jīng)下H13軸壓壓頭2和軸壓壓頭4流出至出氣口15。由于試件尺寸大,采用緩慢加熱方式(加熱速率為10℃/h),以保證試件均勻加熱。當(dāng)達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)溫度后,保溫2 h,然后測量各溫度下的滲透率。

1.2 細(xì)觀試驗(yàn)

圖1 滲流測量流程Fig．1 Schematic illustration of permeability measurement

圖2 高溫高壓壓力室中試樣安裝與氣體滲流示意Fig．2 Schematic presentation of sample assembly and gas flow in high temperature and high pressure vessel

利用MPV-SP顯微光度計(jì)對花崗巖切片在溫度影響下的破壞過程進(jìn)行細(xì)觀觀測。該儀器為德國Leica公司生產(chǎn),可控溫度范圍為室溫到1 350℃,可同步進(jìn)行照相。放大倍數(shù)為：目鏡12．5倍,物鏡20倍,物鏡為耐高溫鏡頭。加熱速率為10℃/min,均勻加熱至預(yù)設(shè)溫度后保溫1 min,對樣品進(jìn)行觀察和拍照。加熱過程中顯微鏡通水、通氬氣,以保持顯微鏡其他部件不受高溫影響。試驗(yàn)步驟和花崗巖薄片制作同文獻(xiàn)[14]。

觀測所用的薄片由載玻璃片、樣品晶片、蓋薄片3者經(jīng)樹膠黏結(jié)而成,如圖3所示。由于加溫條件限制,故不加蓋薄片,載玻璃片大小為25 mm×50 mm,厚度為1 mm,樣品晶片的標(biāo)準(zhǔn)厚度為0．03 mm。

圖3 花崗巖薄片結(jié)構(gòu)Fig．3 Structure of rock flake

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 滲透率變化特征

受熱破裂的影響,花崗巖的滲透率隨溫度(T＜ 600℃)的升高,在三軸應(yīng)力下既不單調(diào)增加也不單調(diào)減少,而是具有多峰性,在20～200℃為第1個(gè)峰值段,其中150℃左右出現(xiàn)滲透率的峰值點(diǎn)[9]。200℃以前滲透率盡管出現(xiàn)了增加和降低的峰值變化,但由于熱破裂尚未進(jìn)入劇烈期,滲透率的值較小,其量級一般在10-19m2[9-10]。高于200℃,溫度的升高使得熱破裂進(jìn)一步加劇,滲透率也開始由緩慢增加變化為劇烈增加。而200℃以后的溫度范圍恰是高溫巖體地?zé)衢_發(fā)的最佳溫度范圍。因此,本文重點(diǎn)研究200℃以后花崗巖的滲流特征,為人工儲留層的建造和熱水循環(huán)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

從圖4和表1可以看出,300℃以前,滲透率量級為10-19m2;300～400℃,滲透率隨溫度而迅速增加,其量級為10-18m2;在400℃時(shí),滲透率的量級已經(jīng)增加到10-17m2。

圖4 花崗巖試樣滲透率隨溫度的變化規(guī)律Fig．4 Permeability change versus temperature

表1 200～300℃熱破裂花崗巖試樣滲透率及其增幅Table 1 Permeability and its increment of thermally cracked granite at 200-300℃

圖4中1號試樣和其余3個(gè)試樣存在明顯差別。300℃后,其滲透率增加較快,數(shù)值較大。這是因?yàn)?號試樣所受靜水壓力為3 000 m,即75 MPa,而其余3個(gè)試樣均為1 000 m,即25 MPa。在300℃以后,熱破裂活動的加劇,花崗巖體的性質(zhì)惡化,如彈性模量降低[15]。在較高壓力作用下產(chǎn)生破壞,試驗(yàn)中可以聽到該試樣在300℃左右時(shí)出現(xiàn)明顯的聲響。該破壞產(chǎn)生的裂紋有效地增大了滲透率。4號試樣表現(xiàn)為滲透率數(shù)值較低,尤其在400℃以后,最大值僅為5．29×10-18m2,而其他試樣均在10-17m2的量級上。其可能的原因?yàn)樵跍囟冗_(dá)到預(yù)定溫度值后,沒有及時(shí)測量滲透率,而是進(jìn)行了較長時(shí)間的保溫。在溫度一定的條件下,隨著時(shí)間的增加,滲透率表現(xiàn)為在開始的一段時(shí)間內(nèi)迅速下降,而后緩慢降低趨于恒定的較低值[16-17]。

圖5為滲透率隨溫度升高其增加倍數(shù)變化的情況。其中k為各測點(diǎn)的滲透率測量值,k0為200℃的測量值。可以看出在200℃以后,滲透率隨溫度的升高不斷增大。從增幅來看,低于300℃,滲透率增幅較低;當(dāng)溫度一旦超過300℃,滲透率成倍增加,如350℃時(shí)為300℃時(shí)的5～40倍。因此,認(rèn)為300℃是花崗巖滲透率突變的臨界溫度點(diǎn)。

圖5 不同溫度下花崗巖滲透率的增幅Fig．5 Change of ratio in k/k0versus temperature in granite

2.2 熱破裂花崗巖裂紋演化特征

圖6為利用MPV-SP顯微光度計(jì)對花崗巖切片在不同溫度下的細(xì)觀裂紋數(shù)量變化的觀測結(jié)果。

圖6 熱破裂花崗巖細(xì)觀裂紋數(shù)量變化規(guī)律Fig．6 Variation in quantity of microcrack in thermally induced granite

長度大于5 μm(即l＞5 μm)的裂紋數(shù)量從50℃開始增加,直至100～150℃,裂紋數(shù)量達(dá)到最大值,而后降低至200～250℃的最低值。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),裂紋的數(shù)量繼續(xù)增加,在低于300℃的附近到達(dá)最大值,且比第1個(gè)峰值高,隨后裂紋數(shù)量減少。裂紋數(shù)量變化的兩個(gè)峰值溫度段分別為100～150℃和250～300℃。

長度大于10 μm(即l＞10 μm)的裂紋數(shù)量演化規(guī)律基本同l＞5 μm,但其第1個(gè)峰值點(diǎn)出現(xiàn)在150～200℃,第2個(gè)峰值點(diǎn)落在300～350℃。l＞10 μm的裂紋數(shù)量變化的峰值溫度明顯高于l＞5 μm,說明較大裂紋數(shù)量增加的滯后性。并且還可以看出大裂紋數(shù)量的滯后增加是在小裂紋數(shù)量減少的溫度段產(chǎn)生的,說明小裂紋產(chǎn)生后,隨著溫度的繼續(xù)增加,其擴(kuò)展、貫通形成較大的裂紋。同時(shí)在大裂紋不斷形成的過程中,新的更小的裂紋也不斷出現(xiàn)。

在350℃以后,尤其是大裂紋第2個(gè)峰值后,大裂紋和小裂紋均減少,這可能因?yàn)?00℃后,花崗巖產(chǎn)生了劇烈的熱破裂,新形成的長度小于5 μm的裂紋數(shù)量大量增加,它們的形成使得已存在的較大裂紋部分閉合,也就反映出長度大于5 μm和10 μm裂紋數(shù)量同步減少。

3 討 論

3.1 花崗巖熱破裂的臨界溫度

從圖6花崗巖切片熱破裂微觀裂紋數(shù)量變化規(guī)律可知,l＞5 μm的裂紋開始出現(xiàn)的溫度為50℃,略低于公認(rèn)的花崗巖熱破裂臨界溫度60～70℃[4]。已有的研究是從聲發(fā)射角度說明的,但是該臨界溫度是否存在是值得商榷的。筆者認(rèn)為并不存在理論意義上的熱破裂臨界溫度值。從試驗(yàn)結(jié)果來看,l＞5 μm的裂紋開始出現(xiàn)的溫度為50℃,那么l＜5 μm的裂紋開始出現(xiàn)的溫度必定低于50℃,也可能在剛開始加溫時(shí)就出現(xiàn),則熱破裂的臨界溫度值更低了。對于非均質(zhì)的巖石來說,熱破裂是隨機(jī)的。當(dāng)溫度升高后,局部熱應(yīng)力足以達(dá)到裂紋形成所需的條件時(shí),便發(fā)生熱破裂。即使同一種巖石由于其膠結(jié)情況、不同顆粒之間、相同顆粒之間、顆粒與膠結(jié)物之間、膠結(jié)物之間等的熱膨脹的非協(xié)調(diào)性均會出現(xiàn)熱破裂,這些熱破裂也有可能在升溫的開始階段就會出現(xiàn),只是數(shù)量和能量較小而已。另外,聲發(fā)射監(jiān)測巖石熱破裂,熱破裂信號的采集和處理受制于聲發(fā)射儀,不同的聲發(fā)射儀所采集的聲發(fā)射信號的橫向比較是沒有意義的[4],因此,不同靈敏度的聲發(fā)射儀在升溫的初始階段所采集到的熱破裂信號是不同的,因此存在初始微弱的熱破裂信號不被采集到的可能性,而目前所有已提出的花崗巖熱破裂的臨界溫度均是從聲發(fā)射角度考慮的,故理論意義上的熱破裂臨界溫度應(yīng)該不存在。

3.2 熱破裂花崗巖滲透率變化的臨界溫度

陳顒等在研究碳酸巖和花崗巖的滲透率時(shí)發(fā)現(xiàn)碳酸巖在110～120℃時(shí),滲透率出現(xiàn)了10倍的突變,而花崗巖在200℃范圍內(nèi)滲透率未出現(xiàn)明顯增長的門檻溫度值,所以,花崗巖的門檻溫度可能更高[12]。由于試驗(yàn)設(shè)備的限制,陳顒等并未發(fā)現(xiàn)熱破裂花崗巖滲透率變化的臨界溫度值。逾滲模型可以很好地解釋熱破裂巖石滲透率突變現(xiàn)象。逾滲模型認(rèn)為巖石內(nèi)部裂紋隨著加熱溫度是連續(xù)增加的,只有裂紋連通網(wǎng)絡(luò)時(shí),巖石整體滲透率才會有突然地明顯的變化[12]。因此,熱破裂花崗巖的滲透率臨界溫度值是存在的。

花崗巖是由石英、長石、云母等礦物組成的結(jié)晶巖石,各組分熱膨脹的差異性導(dǎo)致熱破裂的發(fā)生。熱破裂過程實(shí)際上是微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通的過程。微裂紋的貫通形成了物質(zhì)輸運(yùn)的通道,微裂紋網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展就表現(xiàn)為滲透率的增加。因此,滲透率的變化是反映巖石熱破裂程度的一個(gè)指標(biāo),同時(shí),熱破裂程度也影響了滲透率的變化。從圖5滲透率的增幅可以看出當(dāng)溫度超過300℃后,滲透率成倍增加,350℃時(shí)的滲透率為300℃的5～40倍。因此,300℃為花崗巖滲透率突變的臨界溫度。從花崗巖熱破裂過程中裂紋數(shù)量的演化規(guī)律來看(圖6),在400℃范圍內(nèi),l＞5 μm和l＞10 μm的微裂紋數(shù)量出現(xiàn)了2個(gè)峰值,這恰好說明了滲透率具有多峰性[9]。在溫度低于200℃,裂紋以l＞5 μm為主,因此,在滲透率上表現(xiàn)為滲透率盡管并非單調(diào)性[9],但數(shù)值較小。在溫度高于200℃,隨著溫度的增加,l＞5 μm和l＞10 μm的微裂紋數(shù)量均不斷增加,并且l＞5 μm的微裂紋增加速率較快,說明200℃后熱破裂較200℃前劇烈,滲透率表現(xiàn)為不斷增大。在300℃左右,微裂紋數(shù)量再次達(dá)到最大值,尤其是l＞10 μm的裂紋數(shù)量較200℃時(shí)增加了約3倍多。通過對花崗巖熱破裂后的顯微CT觀察也發(fā)現(xiàn)在200℃時(shí),已可見到極少數(shù)的很小的微裂紋出現(xiàn);300℃時(shí),部分裂紋搭接連接形成了較大的裂紋,裂紋的長度增加10倍左右[11]。因此,從該溫度點(diǎn)(300℃)開始滲透率迅速增加, 300℃即為熱破裂花崗巖滲透率變化的臨界溫度值。

從圖6中還可以看出,溫度高于300℃后,大裂紋不斷增加至最大值,這就為流體在裂紋中的輸運(yùn)提供了良好的通道。從滲透率測量結(jié)果可以看出, 300℃后滲透率會成倍的增加,這就是300℃后裂紋的大量形成、連通的結(jié)果。

花崗巖由于其組成成分、組成顆粒大小、膠結(jié)程度不同等導(dǎo)致物理特性變化較為復(fù)雜,因此,熱破裂花崗巖滲透率演化的臨界溫度應(yīng)該是一個(gè)范圍。因滲透率測量是在一個(gè)較大溫度間隔下(試驗(yàn)設(shè)定為50℃,實(shí)際測量溫度點(diǎn)略有差異)進(jìn)行的,故文中沒有給出該臨界溫度的具體范圍,但可以肯定是在300℃左右一個(gè)較小的溫度區(qū)間。

從圖4和圖5可以看出,圍壓為75 MPa的1號試樣和圍壓為25 MPa的其余3個(gè)試樣的滲透發(fā)生突變的溫度值均為300℃,主要區(qū)別是臨界溫度前后的滲透率數(shù)值不同。滲透率是表征巖石輸運(yùn)特性的物理量,熱破裂作用增加了巖石輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的孔裂隙數(shù)量和寬度,圍壓僅改變輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中孔裂隙的寬度。因此,熱破裂作用下孔裂隙的數(shù)量和寬度(尤其是數(shù)量)達(dá)到一定程度時(shí),產(chǎn)生了滲透率的躍變,這時(shí)所對應(yīng)的溫度即為“滲透率變化的臨界溫度”,該值與圍壓沒有關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1)熱破裂花崗巖的滲透率隨溫度變化存在一個(gè)臨界溫度值,即300℃,低于該臨界溫度時(shí),滲透率較小,高于該溫度時(shí),滲透率出現(xiàn)了突變。

(2)熱破裂花崗巖的滲透率在低于300℃時(shí),其量級為10-19m2;高于300℃,隨著滲透率的增加,其數(shù)值增加一個(gè)量級為10-18m2;在400℃時(shí),滲透率已經(jīng)增加到10-17m2。

(3)熱破裂花崗巖的微裂紋數(shù)量隨著溫度的升高不斷增加,在400℃范圍內(nèi)l＞5 μm和l＞10 μm的微裂紋數(shù)量出現(xiàn)兩個(gè)峰值。100～150℃和250～300℃為l＞5 μm微裂紋數(shù)量峰值的溫度段;150～200℃和300～350℃為l＞10 μm微裂紋數(shù)量峰值的溫度段。l＞5 μm的峰值溫度低于l＞10 μm。300℃后,大的微裂紋數(shù)量成倍的增加。

(4)對于利用聲發(fā)射、顯微CT、SEM等工具研究花崗巖熱破裂臨界溫度值而言,受制試驗(yàn)設(shè)備的靈敏度和分辨率的影響,花崗巖發(fā)生熱破裂的臨界溫度值是否存在是值得商榷的。它的確定還需進(jìn)一步通過更高分辨率的設(shè)備如顯微CT或SEM來觀察。

從細(xì)觀的微裂紋和宏觀的滲透率演化結(jié)果來看, 300℃后熱破裂已使花崗巖巖體受到明顯損傷,其物理力學(xué)特性均發(fā)生明顯突變,而200℃前花崗巖盡管也受熱損傷,但破壞程度較低。因此,200～300℃可能是花崗巖受熱損傷其他物理力學(xué)特性(如彈性模量、泊松比等)發(fā)生突變的臨界溫度范圍,這需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1] Heard H C．Thermal expansion and inferred permeability of climax quartz monzonite to 300℃and 27．6 MPa[J]．Int．J．Rock Mech．Min．Sci．&Geomech．Abstr．,1980,17(5)：289-296．

[2] Heard H C,Page L．Elastic moduli,thermal expansion,and inferred permeability of two granites to 350℃and 55 megapascals[J]．J．Geophys．Res．,1982,87(B11)：9340-9348．

[3] Darot M,Gueguen Y,Baratin M L．Permeability of thermally cracked granite[J]．Geophys．Res．Lett．,1992,19(9)：869-872．

[4] Chen Y,Wang C Y．Thermally induced acoustic emission in westerlygranite[J]．Geophys．Res．Lett．,1980,7(12)：1089-1092．

[5] Homand-etienne F,Houpert R．Thermally induced microcracking in granites：Characterization and analysis[J]．Int．J．Rock Mech．Min．Sci．&Geomech．Abstr．,1989,26(2)：125-134．

[6] Fredrich J T,Wong T F．Micromechanics of thermally induced cracking in three crustal rocks[J]．J．Geophys．Res．,1986,91(B12)： 12743-12764．

[7] Menéndez B,David C,Darot M．A study of the crack network in thermally and mechanically cracked granite samples using confocal scanning laser microscopy[J]．Phys．Chem．Earth(A),1999,24(7)： 627-632．

[8] Menéndez B,David C,Nistal A M．Confocal scanning laser microscopy applied to the study of pore and crack networks in rocks[J]．Comput Geosci-UK,2001,27(9)：1101-1109．

[9] 趙陽升,萬志軍,張 淵,等．巖石熱破裂與滲透性相關(guān)規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(10)：1970-1976．

Zhao Yangsheng,Wan Zhijun,Zhang Yuan,et al．Experimental study of relation laws of rock thermal cracking and permeability[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(10)： 1970-1976．

[10] 張 寧,趙陽升,萬志軍,等．三維應(yīng)力下熱破裂對花崗巖滲流規(guī)律影響的試驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(1)： 118-123．

Zhang Ning,Zhao Yangsheng,Wan Zhijun,et al．Experimental research on seepage laws of granite under thermal cracking action with 3D stress[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(1)：118-123．

[11] 趙陽升,孟巧榮,康天合,等．顯微CT試驗(yàn)技術(shù)與花崗巖熱破裂特征的細(xì)觀研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(1)： 28-34．

Zhao Yangsheng,Meng Qiaorong,Kang Tianhe,et al．Micro-CT experimental technology and meso-investigation on thermal fracturing characteristics of granite[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(1)：28-34．

[12] 陳 顒,吳曉東,張福勤．巖石熱開裂的實(shí)驗(yàn)研究[J]．科學(xué)通報(bào),1999,44(8)：880-883．

Chen Yong,Wu Xiaodong,Zhang Fuqin．Experimental study on thermal cracking of rock[J]．Chinese Science Bulletin,1999,44 (8)：880-883．

[13] 趙陽升,萬志軍,張 淵,等．20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)的研制[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(1)：1-8．

Zhao Yangsheng,Wan Zhijun,Zhang Yuan,et al．Research and development of 20 MN servo-controlled rock triaxial testing system with high temperature and high pressure[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(1)：1-8．

[14] 張 淵,張 賢,趙陽升．砂巖的熱破裂過程[J]．地球物理學(xué)報(bào),2005,48(3)：656-659．

Zhang Yuan,Zhang Xian,Zhao Yangsheng．Process of sandstone thermal cracking[J]．Chinese J．Geophys．,2005,48(3)：656-659．

[15] 萬志軍,趙陽升,董付科,等．高溫及三軸應(yīng)力下花崗巖體力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(1)：72-77．

Wan Zhijun,Zhao Yangsheng,Dong Fuke,et al．Experimental study on mechanical characteristics of granite under high temperature and triaxial stresses[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(1)：72-77．

[16] Summers R,Winkler K,Byerlee J．Permeability changes during the flow of water through westerly granite at temperature of 100-400℃[J]．J．Geophys．Res．,1978,83(B1)：339-344．

[17] Morrow C,Lockner D,Byerlee J．Permeability of granite in a temperature gradient[J]．J．Geophys．Res．,1981,86(B4)：3002-3008．

Critical temperature of permeability change in thermally cracked granite

FENG Zi-Jun1,ZHAO Yang-sheng1,ZHANG Yuan2,WAN Zhi-jun3

(1.College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Faculty of Architecture and Civil Engineering,Huaiyin Institute of Technology,Huai’an 223003,China;3.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

The permeability of Luhui granite with 200 mm in diameter by 400 mm long was measured at triaxial stresses and elevated temperature by“600℃20 MN servo-controlled triaxial rock mechanics testing machine”．It is found that 300℃is the critical temperature(Tc)of permeability change with temperature in thermally cracked granite．The magnitude of permeability is 10-19m2with a low increase below Tcand the permeability whose magnitude is 10-18m2increases drastically with high amplitude at 300-400℃while the magnitude is 10-17m2at 400℃．Simultaneously,the change of micro-crack quantity in thermally cracked Luhui granite at temperature up to 400℃was quantificationally investigated by MPV-SP micro-photometer．Two peaks of micro-crack quantity that the length is more than 5 μm and 10 μm respectively exist at temperature up to 400℃．The temperature scope of micro-crack quantity peak in l＞5 μm are less than that in l＞10 μm．The quantity of micro crack whose length is more than 10 μm increases sharply at the rate of one per ten degree at temperature above 300℃．The drastic increase of micro crack above 300℃is the main reason that permeability increases sharply at temperature above 300℃in thermally cracked granite．

thermal cracking;granite;permeability;critical temperature;meso-characteristic

TD313

A

0253-9993(2014)10-1987-06

2013-09-16 責(zé)任編輯：王婉潔

國家杰出青年基金資助項(xiàng)目(51225404);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71373170);山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013011009-1)

馮子軍(1983—),男,安徽阜陽人,講師。Tel：0351-6014865,E-mail：fzj3893811@126．com

馮子軍,趙陽升,張 淵,等．熱破裂花崗巖滲透率變化的臨界溫度[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(10)：1987-1992．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1359

Feng Zijun,Zhao Yangsheng,Zhang Yuan,et al．Critical temperature of permeability change in thermally cracked granite[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1987-1992．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1359