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| 孔隙岩石变形破坏机制及其影响因素研究 |
| 熊良锋 |
| (江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州 341000) |
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| XIONG Liangfeng |
| (School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China) |
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摘要 岩石局部化变形在地壳中普遍存在，其通常是各类地质运动、自然和工程次生灾害的主要原因。岩石变形响应在低围压时往往表现出脆性特征，而在高围压时进入延性状态，但孔隙空间的附加变形可能会引起局部化压缩破坏、并降低其输运性质，进而影响火山活动、油气开发和原位流态化采矿等。然而，孔隙岩石的微观结构性质和所处应力环境尤其复杂，该现象对于理解其本征力学行为造成诸多困扰。为此，本文将基于室内试验和数值模拟方法探讨孔隙岩石变形问题，以更好地揭示其微观机制和潜在的影响因素。
(1) 通过不同孔隙率岩石的循环加卸载试验，描绘其损伤演化规律和宏微观破裂特征，由此建立基于微观结构的孔隙岩石数值模型，并验证其合理性和反映脆延性转化的一般规律。室内试验发现，不同压缩机制下的岩石变形均表现出非线性，其损伤始终在不断发展、而变形参数具有明显的应力依赖性；岩石破坏是一渐进过程，微破裂活动主要集中在宏观破裂面附近，而孔隙空间和围压往往会促进局部的颗粒破碎活动。数值模拟表明，基于矿物颗粒和宏观孔隙的数值模型，可反映岩石脆延性转化过程中的微破裂活动和能量演化规律；变形局部化过程往往伴随着剧烈的微破裂活动和能量释放，而压缩带的形成通常需要较高的孔隙率、围压和压缩变形；提高围压水平通常会促进剪切破裂和颗粒内破裂，而增加孔隙率有助于提高拉伸破裂和颗粒间破裂的相对比例。
(2) 通过调整矿物和胶结状态、矿物颗粒尺寸、宏微观孔隙结构和孔隙率等内部因素，分析不同压缩机制下微破裂活动和能量组分的变化规律，以探讨岩石微观结构对其变形破坏机制的影响。数值模拟表明，孔隙率是岩石变形响应的主要控制因素，但其微破裂活动和能量释放过程通常受到矿物粒径分布、矿物和胶结强度、宏观孔隙相对尺寸、微观孔隙比例等内部因素的作用；在高围压环境下，细粒岩石倾向于均匀的碎屑作用，而矿物和胶结状态对岩石破坏形态的作用较小；宏观孔隙是压缩带产生的必要条件，而增加宏观孔隙尺寸和微观孔隙比例均可促进压缩带的发展。
(3) 通过引入宏观非均质结构、边界条件和钻孔空间等外部因素，分析不同压缩机制下微破裂事件和颗粒破碎活动的发展规律，以研究非均质应力场对其变形破坏过程的作用。数值模拟表明，刚性和摩擦边界对孔隙岩石高压响应的影响较小，而宏观孔隙结构往往起控制作用，其中边缘孔隙是局部化变形的起始区域，但非均质结构所引起的应力重分布会影响局部化变形的发展过程；含孔岩石受压时的破裂范围通常位于切向应力的高水平区域，其具体特征与边界压力、钻孔尺寸和岩石微观结构有关；在考虑钻孔过程时，围岩破裂表现出明显的应力环境依赖性，其强度和规模均可能高于含孔岩石的受压响应；扩孔过程往往会加剧微破裂活动，但围岩破裂形态在钻孔边缘的露头取决于其初始阶段。
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