基于化学酸碱度表征的页岩蠕变模型

王艳春^1,2，王永岩¹，李剑光¹，苏传奇¹，史啸¹

1. 青岛科技大学机电工程学院2. 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室

摘 要：以山东唐口煤矿页岩为研究对象,采用三轴蠕变试验机进行不同化学pH值条件下的蠕变特性试验研究。针对化学酸碱度对页岩蠕变关键特征参数的影响,结合蠕变过程中化学腐蚀效应,提出了一种新的化学腐蚀流变元件;通过对幂指数蠕变经验方程与Burgers模型中的黏塑性二元件的黏性系数进行非线性处理,建立了不同pH值条件下页岩蠕变方程;通过对试验结果分析,运用最小二乘法确定蠕变方程参数,并得到化学pH值对页岩蠕变关键参数的影响规律;通过对方程的关键参数进行敏感性分析,探索出弹性模量、黏性系数等关键参数对页岩蠕变特性的影响规律。模型理论曲线与试验曲线在蠕变的3个阶段吻合较好,说明构建基于不同化学pH值的页岩蠕变本构模型可以对页岩蠕变过程进行准确表征,尤其是第3蠕变阶段;化学酸碱性越强,与页岩材料性质有关的参数值β越大,其蠕变的稳态阶段越短,越易发生非稳定蠕变直至岩石失稳破裂,而且页岩在pH=3时的酸性条件比pH=10时的碱性条件下的影响更为强烈。通过对蠕变试验结果拟合分析得到的模型关键参数随化学pH值的变化曲线,可得出不同化学pH值(酸碱性)对页岩蠕变关键参数的影响趋势。研究结果为地下岩石工程在地下水腐蚀环境中的长期稳定性评价提供了参考和依据。

关键词：页岩;非线性处理;蠕变方程;Burgers模型;化学腐蚀流变元件;