孔隙結構特征及其對巖石力學性能的影響分析

（山西大同大學，山西 大同 037003）

巖石是一種天然的多孔材料，內部存在各種不規則的孔隙，這些孔隙直接影響到巖石的力學性能和化學性質等，例如關系到巖石的嵌固端和滲透性以及顆粒吸附力等，影響到采礦和水利工程等實際施工。當前一些研究揭示了孔隙結構和壓實力學性能的關系，但是因為孔隙結構非常復雜，并且呈現無序分布狀態，再加上理論研究和試驗方法的限制，人們還無法明確巖石內部孔隙分布的特征，也無法明確孔隙結構特征對于巖石力學性能的關系。人們更多的關注孔隙巖石的表觀物理和力學的變化，無法確定巖石孔隙連通性和滲透系數等方面。為了解決孔隙巖石的問題，可以建立巖石孔隙結構的三維數值模型，利用定量分析確定孔隙結構特征和巖石力學性能的關系。本文構建孔隙巖石三維模型，利用數值模型試驗方式，構建不同孔隙結構分布特征的孔隙圓盤模型，確定孔隙結構特征及其對巖石力學性能的影響。巖石力學性能的影響因素比較多，技術人員需要綜合考慮問題的復雜性，優化巖石力學性能，為其他工程建設奠定基礎。

1 巖石微觀孔隙結構量化表征

1.1 CT掃描試驗

巖石孔隙結構非常復雜，尺寸處于微米級別，具有低滲和低孔的作用，對于巖石試樣采取CT掃描試驗，可以進一步確定巖石微觀孔隙的結構。在實際工組中需要利用微米CT掃描儀，保障儀器分辨率在2.5μm以上，視角范圍達到達到2.5mm×2.5mm。【1】

1.2 孔隙結構量化表征

在CT掃描試驗當中，需要去除無效圖像，獲取有效性二維灰度圖像，在圖中黑色代表孔隙結構，中間色和白色高亮度區域屬于巖石礦物組分。為了準確回去孔隙結構信息，需要利用MTALAB軟件數字圖像處理灰度圖，需要落實圖像銳化，實現二值化分格，同時還要采取降噪處理。通過圖像USM銳化，可以明顯區分巖石中基質和孔隙邊界，選擇合理的閾值二值化分格圖像，合理區分基質和孔隙。技術人員可以利用中值濾波算法降噪處理分格圖像，使圖像的質量不斷提高。圖像經過處理之后，可以將巖石孔隙結構信息準確的表達出來。本文主要分析孔隙結構特征及其對巖石力學性能的影響，因此在圖像處理階段需要根據基質考慮高密度巖石礦物，為了降低高密度礦物的影響，可以疊加200像素的圖像，利用Mimics軟件重構孔隙結構三維參數。

自主編寫MATLAB程序處理圖像，統計巖石孔隙結構分布情況，確定孔隙直徑和孔道直徑分布情況，通過定量表征，將巖石樣品孔隙機構的情況表現出來，定量統計分析巖石的孔隙結構。根據巖石三維孔隙結構可以發現，巖石孔隙結構幾何形態和分布情況非常復雜，需要利用分析盒維數定量分析巖石孔隙結構的復雜性，利用面積等大的正方體覆蓋孔隙結構，統計正方體數量，利用D表示分形盒維數。利用D的大小反應出巖石孔隙的復雜性，D比較大，代表孔隙結構非常復雜。孔隙結構分形盒維數通常處于2.5以上，說明巖石孔隙幾何形態和分布情況普遍比較復雜。

2 概述孔隙巖石的三維統計模型

本文的研究對象為砂巖，利用CT掃描方式確定孔隙結構的信息，通過分析處理CT圖像，明確孔隙結構的孔隙位置和間距以及粒徑等參數，構建分布概率密度函數表達式，結合巖石孔隙統計分布規律，利用隨機數算法和FLAC3D程序，構建巖石三維孔隙結構模型。【2】

在利用FLAC3D程序，利用NULL模型命令和FISH語言，根據指定位置和間距不斷循環執行挖空單元的命令，形成三維孔隙模型，確定孔隙率和孔徑分布以及孔隙空間位置等數據。下圖是孔隙巖石三維網絡模型，根據相同孔徑分布和孔隙空間位置分布條件，提出4種不同孔隙率的三維網絡模型。從左到右的孔隙率氛圍是3%、7%、15%、23%。

3 孔隙結構特征及其對巖石力學性能的影響

天然巖石的多相介質非常復雜，在自然沉淀的作用下，巖石的物理力學性質和孔隙幾何構型以及分布特征等方面具有較大的差異性。在固體相物理力學性質不變的情況下，孔隙結構變化和孔隙數量、形狀、分布等因素具有緊密的聯系，某個因素發生變化，都會改變巖石宏觀力學行為，增加了孔隙結構變化和作用機制研究的難度。本文保持模型固體相力學性質不變，每次分別改變孔隙孔徑和孔隙間距以及空間位置，明確孔隙結構對于巖石應力分布和抗拉強度的影響。【3】

3.1 孔隙率對圓盤模型力學性能的影響

研究孔隙率的影響，要保持孔徑分布和空間位置的一致性，重構孔隙率圓盤模型，分別選擇孔隙率，通過改變孔隙率確定孔隙數量是否會影響到圓盤模型破壞狀態和應力分布以及抗拉強度等。根據不同高孔隙率圓盤破壞的峰值，分別選取峰值荷載計算結果，采樣控制的參數選擇荷載比，保障模型破壞程度的相同性，分析不同高孔隙率帶來的影響。

結合計算結果，確定孔隙率會直接影響到圓盤劈裂破壞方式。如果孔隙率處于3%～7%范圍內，在加載過程中，在兩端分別加載1或2條的主裂紋，不斷增加荷載之后，兩端主裂紋開始擴張于圓盤中間。當圓盤發生破裂的時候，在圓盤中心會和兩端的主裂紋，最終形成平行于加載方向的裂紋，并且貫穿整個圓盤，這屬于拉伸破壞。如果孔隙率處于15%～23%范圍內，在加載過程中，在兩端和中間部位出現了很多的細小的裂紋，不斷增加荷載之后，不會因此匯合兩端裂紋和圓盤中心裂紋，兩端裂紋主要是向孔隙秘籍的區域蔓延，同時也在不斷擴張圓盤中間的裂紋。當圓盤遭到破壞的時候，最終匯合、連通眾多的裂紋，在整個圓盤中貫穿，形成眾多的破壞裂紋，但是不會出現主裂紋，這種破壞方式主要是拉伸破壞和剪切破壞。【4】

3.2 孔隙率對圓盤模型抗拉強度影響

研究孔隙率的影響，需要保持孔徑分布和空間位置兩個函數不變，不斷增加孔隙率，也會隨之降低圓盤的抗拉強度，針對無孔圓盤，圓盤孔隙率為0%，計算圓盤抗拉強度為1.17MPa，這與選用材料的極限抗拉強度具有緊密的聯系，吻合于理論結果。如果孔隙率為3%，通過計算確定抗拉強度為1.10MPa。如果孔隙率為7%，計算抗拉強度為0.94MPa。當孔隙率為15%，通過計算確定抗拉強度為0.71MPa，如果孔隙率達到23%，計算抗拉強度為00.55MPa。結合所有的結算結果，孔隙率在7%以上，增加了孔隙率之后，可以顯著的降低抗拉強度。根據不同孔隙率模型，構建抗拉強度變化曲線。不同高孔隙率圓盤抗拉強度曲線呈現出遞減的趨勢。為了將孔隙率和抗壓強度的關系準確的描述出來，技術人員還需要綜合額考慮孔隙分布特征參數，適當的修正參數取值。

3.3 孔徑分布的影響

研究孔徑分布的影響，需要保障孔隙率和孔隙空間位置保持不變，通過改變孔徑分布，明確空間分布情況對于壓實力學的影響。巖石孔徑分布滿足指數分布：g（r）=Aexp（r/B）+C。在式中A、B、C都屬于控制參數，r是孔隙半徑。為了降低研究的難度，構建不同空間分布參數的模型，保持孔隙率和孔隙空間位置不變，不斷減少控制參數值，孔隙數目因此減少，甚至消失，從而出現了更多的小孔隙。【5】

如果孔隙率為23%，改變了孔徑分布情況，將會直接影響到圓盤破壞行為，在加載初期在兩端出現很多裂紋，這些細小的分布在空隙密集的區域，并且沒有顯著的主裂紋，不斷降低孔隙控制參數之后，會逐漸突出這種現場。不斷增加荷載之后，峰值荷載達到50%～70%范圍內，細小裂紋開始向圓盤中心延伸，在圓盤中心開始出現細小的裂紋。減小孔徑控制參數，會逐漸增多細小裂紋的數量，圓盤破壞的時候，兩端裂紋不但延伸到圓盤內部，最終匯合所有的細小裂紋，最終在整個圓盤中貫穿，形成巖石破壞狀態。

因此改變孔徑分布會直接影響到圓盤模型劈裂破壞，不斷減小孔徑控制參數，將會逐漸消失某些大孔，進而出現了孔徑均一的小孔，不斷增加裂紋數量，在圓盤內部不斷增加裂紋的數量，在相同的加載階段中，不斷減小孔徑控制參數，將會增加破會區域，裂紋分布情況變得更加分散。【6】

3.4 孔隙空間位置的影響

利用CT試驗，確定孔隙數在空間分布上屬于均勻分布狀態，因為巖石孔隙具有隨機分布的特征，控制孔隙率和孔徑分布情況不變，利用隨機數生成程序運算，確定孔隙空間位置分布規律，明確孔隙空間位置分布是否會影響到孔隙巖石劈裂破壞行為。

結合計算結果，當孔隙率和孔徑分布特征不變，改變了孔隙位置，主要是影響到裂紋位置，改變孔隙位置之后，并不會影響到圓盤破裂方式和裂紋數量，通過加載到圓盤破壞，開始在表面發生破裂，最終延伸向圓盤中心和內部，從表面像內部逐漸發橫破裂方式。孔隙率處于3%～7%范圍內，在研判的縱剖面中產生對稱性破壞，產生兩條主裂紋，這種破壞行為是拉伸破壞。如果孔隙率處于15%～23%范圍內，主要是在孔隙密集的地方聚集破壞裂紋，同時會產生很多的裂紋，同時不會產生明顯的主裂紋，在破壞過程中主要是發揮剪切破壞和拉伸破壞的作用。【7】

4 孔隙結構特征對巖石力學性能影響結論

孔隙率直接影響到孔隙圓盤模型的應力分布情況和抗拉強度，如果孔隙率比較低，圓盤模型會形成破壞狀態，這時會形成一條主裂紋，裂紋平行于加載方向，形態近似于直線，并且貫通整個圓盤，這個階段主要是拉伸破壞的作用。不斷增大孔隙率之后，孔隙圓盤模型達到破壞狀態，在這個時期會產生很多的裂紋，但是不會形成主裂紋，這個時期主要是拉伸破壞和剪切破壞的作用。不斷孔隙率之后，逐漸遞減圓盤模型抗拉強度指數，可以利用函數描述出圓盤模型抗拉強度指數遞減規律。

孔徑分布也會影響到圓盤模型破壞狀態，不斷減小空凈控制參數，將會逐漸消失某些大孔，由均一孔徑的小孔代替逐漸消失的大孔，不斷增加破壞裂紋的數量，在同一個加載階段，不斷減小孔徑控制參數，因此拓展了破壞區域，裂紋分布情況也變得更加分散。改變孔徑分布控制參數，將會影響到圓盤模型抗拉強度，不斷增加孔隙率之后，將會逐漸降低這種影響。【8】

保持孔隙率和孔徑分布的一致性，通過改變孔隙空間位置也會影響到圓盤破壞，主要是影響到裂紋產生位置，圓盤破壞方式和裂紋數量不會因此受到影響。孔隙空間位置是隨機變化的，不會顯著影響到孔隙介質的抗拉強度。

5 結束語

本文分析了孔隙結構特征及其對巖石力學性能的影響，主要是分析孔隙率和孔徑分布以及空間位置分布對于巖石力學性能的影響，為石油、地質、水利工程施工問題解決奠定堅實的基礎。