近年来，随着国家深地战略的实施，高温岩石力学已成为岩石力学领域的一个重点研究课题[1]。瞬态高温热冲击作用是指岩石在短时间内获得大量热量从而使岩石内部温度迅速升高的一种现象。高温热冲击现象普遍存在于各类工程之中，核废料深地处置中，核废料不断放出热量，对周围岩层产生热冲击，对处置库的安全性提出了挑战[2]。热力钻探中通过火焰喷射、高温射流等方式对岩层进行热冲击，利用高温热力剥离机理实现高效破岩[3]。石油开采中通过火烧油层或者注入蒸汽对油层进行热冲击，使岩层发生热破裂从而改善储层渗透率，达到增产的目的[4]。

以往研究表明，热冲击会对岩石造成显著的热损伤。赵阳升等[5]通过对鲁灰花岗岩和永城长石细砂岩进行高温高压下的热破裂试验，发现花岗岩和细砂岩的破裂门槛值分别为65 ℃和170 ℃。GAUTAM等[6]研究了印度Jalore花岗岩在不同温度下的热损伤情况，发现温度在300 ℃以上时，花岗岩的抗拉和抗压强度急剧下降。HUANG等[7]发现不同升温速率热冲击下，岩石裂纹均在距中心钻孔一定距离的位置萌生。BEENTJES等[8]开展了超临界水下岩石的热冲击破裂试验，发现石英颗粒受到的热破裂最严重，最先从岩石基质中剥离然后溶入超临界水中。

热冲击下岩石的损伤现象归根结底是岩石内部温度的剧烈变化及不均匀分布所引起的[9]。为探究温度作用下岩石内部的传热规律，已有学者对此展开了研究。郤保平、何水鑫等[10-11]通过对花岗岩热破裂前后进行低温对流加热，探明了热源在100 ℃以内的花岗岩热破裂前后的温度演变规律，并提出热冲击因子对热破坏进行定量表征。曹钰等[12]通过对3种岩石进行液氮深冷冲击，发现不同岩石在深冷冲击下的传热规律大致相同。熊贵明等[13]采用数值模拟的方式对热冲击过程中花岗岩内温度场分布情况进行研究，发现热冲击作用下花岗岩内温度场以波的形式传播。ZHAO等[14]研究了高温花岗岩快速冷却时的传热规律，发现降温速率和温度梯度均呈现先快速上升后缓慢下降的趋势。

综上所述，目前的研究工作主要集中在温度对岩石物理力学性质的劣化作用以及冷冲击和低温对流加热过程中岩石的传热规律，而对瞬态高温热冲击过程中岩石传热规律的研究鲜有报道。因此，为探明岩石在经历瞬态高温热冲击时内部温度场及温度梯度场的分布及演变规律，采用高温油浴的形式，对花岗岩、石灰岩、砂岩进行瞬态高温热冲击，并通过多通道数据记录仪实时监测岩石内部各测点温度变化，分析岩性对热冲击传热过程的影响，总结瞬态高温热冲击下的岩石传热规律，进一步丰富岩石热物理理论。研究成果可为相似工程提供借鉴和指导。

1、试验概况

1.1 岩样与试件制备

试验分别对花岗岩、石灰岩、砂岩3种不同岩性的岩石进行探究。其中，所选用的花岗岩取自青海省共和县龙才沟盆地印支晚期地层，石灰岩取自广东省东莞市白垩纪地层，砂岩取自广东省惠州市二叠纪地层。3种岩样均无明显缺陷。经XDR分析，3种岩样的矿物成分见表1。经前期试验测定，3种岩样的部分热物理参数见表2。

表1 各岩样矿物成分

表2 各岩样主要热物理参数

按照国际岩石力学标准，岩样被制备为Φ50 mm×100 mm的试样，为确保试验时试件表面换热均匀，将试件表面打磨光滑。由于试样尺寸限制，为尽可能多地在获取岩石内部温度数据的同时减少钻孔对岩石结构的破坏，选取如图1所示4个测点进行钻孔，其中4#钻孔位于试件中心处，与1#、2#、3#钻孔位于同一平面。钻孔直径为6 mm, 钻孔过程中在试件底部垫厚毛巾以防止钻孔过程中产生的震动对试块造成损伤。

图1 钻孔示意(单位：mm)

1.2 试验设备

热源设备采用HH-S数显恒温油浴锅，可提供室温至300 ℃的恒温热源。

换热介质采用耐高温硅油，具有良好的化学稳定性，闪点高，可保证试验过程安全、稳定。

测温设备采用TOPRIE-TP9000型数据记录仪，搭配K型热电偶使用，该设备可实现64路测温数据同步记录，并可灵活设置测温间隔，测温精度可达±0.1 ℃。

1.3 试验方法与步骤

(1) 针对钻孔完成的岩石试样，将热电偶依次置入测孔之中并连接温度记录仪；采用铝粉填充测孔并捣实，以防止孔内存在空气影响试验效果；填充完成后使用耐高温水泥封孔，同时进行抹平处理，避免试验中高温硅油渗入测孔与热电偶探头产生直接接触。

(2) 在恒温油浴锅中加入足量硅油，保证岩样置入时油温不会出现明显下降；设定冲击温度为200 ℃,待油温稳定后将试样置入高温硅油中，并确保硅油完全浸没所有试样，对试样进行瞬态高温热冲击；同时开启温度记录仪以1 s间隔记录各测点在不同时刻的温度，直至各测点温度稳定为止，并对试验现象进行记录。

(3) 试验完成后将试样取出，从温度记录仪中提取实时温度数据，并根据所得实时温度数据计算实时温度梯度数据，对瞬态高温热冲击过程中各测点温度及温度梯度的变化曲线进行绘制；同时利用试件几何对称的特点对所得结果进行插值，对瞬态高温热冲击过程中的温度场及温度梯度场的分布云图进行绘制。

2、试验结果及分析

2.1 瞬态高温热冲击过程中岩石温度变化规律

由热力学第二定律可知，当物体与周围环境或者物体内部存在温度差时，热量可以自发地从高温区域向低温区域传递。因此，当低温岩石静置于高温流体(200 ℃硅油)中时，热量的传递可以分为两部分：一部分为低温岩石表面与高温流体之间的自然对流换热；另一部分为岩石内部固体颗粒之间的热传导。这两部分热量传递的快慢共同决定了瞬态高温热冲击过程中岩石内部的温度变化规律。

图2为3种岩石在200 ℃瞬态高温热冲击作用下各测点温度随时间变化曲线。由图2可知，瞬态高温热冲击过程中3种岩石的温度变化过程基本相似，大致可分为3个阶段。

图2 200 ℃瞬态高温热冲击过程中岩石内 各测点温度随时间的变化曲线

(1) 快速升温阶段。该阶段升温速率整体大于10 ℃/min, 最大升温速率可达72.6 ℃/min, 耗时约300 s, 约占总冲击时间的25%,升温幅度为总升温范围的58.9%～78.3%。此阶段岩石表面与高温流体之间以及岩石内部各位置间均存在较大温差，具有较高的表面对流换热及内部热传导效率。因此，该阶段岩石内部各测点温度均快速升高，同时逐渐有气泡从岩石表面溢出。

(2) 缓慢升温阶段。该阶段升温速率整体小于10 ℃/min, 耗时约600 s, 约占总冲击时间的50%,完成剩余21.7%～41.1%的升温范围，平均升温速率约为快速升温阶段的1/4。该阶段岩石表面溢出大量气泡，内部各测点温度上升速度明显减慢，产生该现象的原因主要有：在固液自然对流换热中，一方面该阶段试样表面已经接近高温流体温度，由温度差所产生的热量传递动力大大降低；另一方面该阶段岩石内部温度较高，岩石内颗粒发生膨胀致使孔隙减少的同时，内部气体也发生膨胀，导致内部气体不断从岩石内部向表面溢出，在岩石表面形成大量气泡，进一步阻挡岩石与高温流体之间的自然对流换热。在岩石内部热传导方面，岩石内部温度差减小造成热量传递动力降低的同时，温度升高也导致岩石的热导率降低[15]。两方面共同作用导致该阶段升温速率大幅降低。

(3) 稳定阶段。该阶段各测点升温速率基本为0,温度逐渐稳定至目标冲击温度，气泡溢出逐渐减少。

2.2 瞬态高温热冲击过程中岩石内温度场分布规律

从温度场的空间分布可以更加直观了解岩石内部热量的传递情况，故在快速升温阶段、缓慢升温阶段、稳定阶段分别选择一个典型时刻绘制温度云图，如图3、图4、图5所示。从图中可以看出，3种岩石岩性不同，但其温度场分布及演变过程具有相似的规律，各个时刻不同岩石内部等温线整体呈胶囊状，这是岩石内各区域的主要热量来源不同所导致的，如果定义试样内某位置到试样边界的距离为热距离，则岩石内部各位置热量的获取与最短传热距离有关。具体而言，当某一个方向的热距离远小于其他方向时，则该方向为主导，其他方向的热量贡献可以近似忽略。当各个方向的热距离逐渐接近时，则呈现不同方向热量贡献叠加的状态，该现象在4个角上尤为明显，所以等温线整体呈现胶囊状。此外，在快速升温阶段与缓慢升温阶段，相较岩石内部，边界处等温线更加密集，温度变化也更加剧烈。从云图的演化过程来看，随着热冲击的进行，等温线的分布逐渐稀疏，中心处的低温区域逐渐向内收缩，岩石内的整个温度差也逐渐减小。以花岗岩为例，在60 s时，最外层等温线值为177.8 ℃,最内层等温线道为44.25 ℃,差值为133.55 ℃,中心的低温区域约占矩形面积的21.5%;400 s时，热量进一步向内传导，最外层等温线值为194.8 ℃,最内层等温线值为162.4 ℃,差值为32.4 ℃,中心的低温区域约占矩形面积的6.7%;1 000 s时，热冲击已进入稳定阶段，内部温差极小，仅有不到3 ℃,此时传热过程基本完成。

图3 花岗岩200 ℃瞬态高温热冲击下温度场分布云图

图4 石灰岩200 ℃瞬态高温热冲击下温度场分布云图

图5 砂岩200 ℃瞬态高温热冲击下温度场分布云图

2.3 瞬态高温热冲击下不同岩石导热效率差别

岩石由一种或多种矿物经地质作用形成，各矿物的导热性能也存在差异，常见矿物的热导率为0.4～6.15 W/(m·K),不同的地质作用会使得岩石存在不同的孔隙率，而孔隙中空气的热导率为0.02 W/(m·K),因此不同矿物组成、不同孔隙率的岩石通常具有较大的热导率差别。

本文所选用的花岗岩、石灰岩、砂岩的热物理参数见表2,3种岩样常温下的导热性能由大到小依次为：花岗岩>石灰岩>砂岩，孔隙率呈现与之相反的变化规律，即砂岩>石灰岩>花岗岩，与现有文献结果一致[12]。而对于本次试验，无论是从图2的温度曲线还是图3至图5的温度演变云图来看，砂岩的导热效率均超过了石灰岩，但仍小于花岗岩，这是热冲击过程中高温流体向孔隙率较大的砂岩中不断渗透所导致的。常温下黏稠的硅油在加热到200 ℃时，其黏性大幅降低，更容易在孔隙中流动，且在热冲击过程中，岩石内部气体不断受热膨胀向外排出，而砂岩孔隙率较大，使得流体更容易向岩石内部渗透，从而在砂岩内部构建更加高效的导热通道，使其具有更高的导热效率。

流体渗透对砂岩导热效率的提高是一个动态的过程，60 s时，针对y向深度最小的1#测点，砂岩温度为60.34 ℃,石灰岩温度为50.64 ℃,花岗岩温度为68.95 ℃;而针对y向深度最大的4#测点，砂岩温度为25.47 ℃,石灰岩温度为29.82 ℃,花岗岩温度为32.79 ℃。y向深度小的1#测点砂岩温度已经超过了石灰岩，但y向深度大的4#测点温度仍小于石灰岩，说明此时高温流体在砂岩内渗透的范围有限，试件较深处仍存在大量气体，因此呈现浅部温度高于石灰岩而深部仍较小于石灰岩的现象。到400 s时，砂岩内温度已全面超过石灰岩并接近花岗岩，4#测点砂岩此时温度为159.44 ℃,石灰岩温度为150.47 ℃,花岗岩温度为160.82 ℃,说明此时高温流体渗透已经较深，砂岩导热效率进一步增强。若以空气中常温状态下的热导率大小作为计算基准，整个过程中砂岩导热效率提升了26%以上。

3、瞬态高温热冲击过程中岩石温度梯度演变规律

3.1 瞬态高温热冲击下温度梯度对岩石热损伤的诱发机理

温度对岩石的损伤作用主要有两种机理：热膨胀系数不匹配诱发的岩石损伤[16]、温度梯度诱发的岩石热损伤[9]。温度梯度所诱发的热损伤发生于不均匀的温度场中，这种不均匀的温度分布会引起不同区域热变形的不匹配，进而在岩石内部产生显著的热应力。此外，损伤程度受升温速率的影响，研究表明，当岩石内部升温速率大于5 ℃/min时，热损伤便开始出现。而本试验过程中，最高升温速率可达72.6 ℃/min, 这使得瞬态高温热冲击过程中存在更大的温度梯度，从而对岩石造成更严重的热损伤[17]。温度梯度的数学表达式如下：

式中：TGrad为温度梯度，℃/m;T为温度，℃;x为距离，m。

温度梯度的大小反映了岩石内部热应力的大小，热应力通常使用LIDMAN等[18]所提出的用温度梯度所表达的形式，见式(2),当材料一定时，热应力与温度梯度成正比。

式中：σ为热应力，MPa;α为线膨胀系数，1/℃;E为弹性模量，MPa; dT/dx为温度梯度，℃/m。

3.2 瞬态高温热冲击过程中岩石温度梯度变化规律

为找出瞬态高温热冲击过程中热损伤发生概率最大的时刻，取x方向中轴线上不同深度的4个点作为温度梯度观测点，坐标分别为(50,4)、(50,12)、(50,16)、(50,20)(单位为mm),绘制了3种岩石在瞬态高温热冲击过程中内部温度梯度随时间的变化曲线，如图6所示。由图6可知，不同岩性岩石内各观测点温度梯度随时间的变化具有类似的规律，整体呈现先快速增大至峰值然后缓慢减小最后稳定至0的一个过程。观察曲线并结合温度变化阶段可以发现，温度梯度的迅速变化主要集中在快速升温阶段(0～300 s),该阶段温度梯度首先迅速升高，在100 s左右到达峰值，然后缓慢下降，且当快速升温阶段结束时下降幅度已经达到了对应峰值的1/2左右；在缓慢升温阶段(300～900 s),各观测点温度梯度缓慢下降直至稳定为0。整个温度梯度随时间变化的过程中，瞬态高温热冲击下岩石内各点温度梯度在快速升温阶段发生剧烈变化，且峰值均出现在100 s左右，由温度梯度与热应力的关系可知，此时岩石内热应力最大，更易发生热损伤。

图6 200 ℃瞬态高温热冲击过程中岩石内各观测点 温度梯度随时间的变化曲线

对比不同岩石温度梯度变化曲线可知，相同位置温度梯度大小与岩性存在一定关系，且随着y向距离的增大，温度梯度的大小关系逐渐发生变化。具体而言，对于1#观测点，温度梯度的大小依次为花岗岩<砂岩<石灰岩，与前述3种岩石的导热效率相反，这是因为在接近岩石表面位置时，热量从换热表面大量涌入，导热能力强的岩石的热量快速向内部传播，避免了因热量的大量聚集而使温度梯度相对较小；而对于2#、3#、4#观测点，由于岩石内部热量主要依靠热传导的方式进行传递，较低的导热效率使得岩石表面对流换热所得到的热量无法迅速传递到岩石深处，且深度越大，这种现象越明显。因此对于2#、3#观测点，温度梯度大小与导热效率大小关系一致，即：花岗岩>砂岩>石灰岩，对于最深的4#观测点，3种岩石的温度梯度相差不大。

3.3 瞬态高温热冲击过程中岩石温度梯度场分布规律

为了探究瞬态高温热冲击下不同时刻岩石内部各区域的热应力大小，进而判断热损伤最严重的区域，绘制了不同岩石不同时刻的温度梯度场分布云图，如图7、图8、图9所示。从图中可以发现，温度梯度场整体呈条带状分布，且不同种类岩石在不同时刻的温度梯度场仍呈现类似的分布及演变规律。具体而言，在60 s(快速升温阶段)时，受岩石的非均质性及导热效率的影响，温度梯度在岩石内的不均匀程度较大，且各区域差距显著，整体呈现从边界向内部逐渐收缩的形态。在靠近换热边界的条带状区域内存在温度梯度峰值区，峰值区面积相对较小，但峰值较大，该区域内3种岩石的温度梯度均在9 000 ℃/m以上，且边界上等值线分布密集，温度梯度变化剧烈，因此该区域热应力较大且向外变化剧烈，最容易发生热损伤。400 s(缓慢升温阶段)时，岩石内部温度梯度分布的不均匀程度及各区域的差距均减小，峰值区仍然存在于接近换热边界的条带状区域，但峰值大幅降低至约3 000 ℃/m, 面积相对增大且向岩石深处扩张。1 000 s(稳定阶段)时，岩石内温度基本稳定，各区域温度梯度差距极小，不超过100 ℃/m, 且上下两峰值区基本融合。

图7 花岗岩200 ℃瞬态高温热冲击下温度梯度场分布云图

图8 石灰岩200 ℃瞬态高温热冲击下温度梯度场分布云图

图9 砂岩200 ℃瞬态高温热冲击下温度梯度场分布云图

综上所述，温度梯度场在岩石内演变过程中存在条带状的峰值区，该区域内温度梯度值最大且周边温度梯度变化剧烈，冲击过程中呈现从靠近边界区域逐步向内扩张移动最后逐渐融合在一起的过程，是瞬态高温热冲击下热应力集中的主要区域，也是发生热损伤概率最高的区域。

4、结论

通过对花岗岩、石灰岩、砂岩进行瞬态高温热冲击试验，并对3种岩石的传热规律进行分析，得到以下主要结论。

(1) 瞬态高温热冲击过程中，3种岩石的温度变化呈现快速升温、缓慢升温、温度稳定3个阶段，温度梯度则表现为先快速增大至峰值后缓慢减小至0的变化趋势。

(2) 由于流体渗透的影响，孔隙率较大但热导率较小的砂岩的导热效率较空气中常温状态下提升了26%以上，整体导热效率超过了常温空气状态下热导率相对较大的石灰岩，但仍小于花岗岩。

(3) 瞬态高温热冲击过程中，3种岩石温度场及温度梯度场均具有类似的分布及演变规律，但在量值上存在较大差异。

(4) 瞬态高温热冲击下岩石温度场呈胶囊状由外向内拓展，温度梯度场呈现条带状分布，且二者边界处相较岩石内部变化均更加剧烈。

(5) 根据热应力的形成机理及温度梯度的分布及演变规律，瞬态高温热冲击过程中岩石内热应力在快速升温阶段变化剧烈，峰值出现在位于该阶段内的100 s左右，平均热应力为缓慢升温阶段的2～3倍，此阶段更易发生热损伤。此外，损伤最易发生的区域为靠近边界的条带状区域，该区域内热应力为深部区域的3倍以上。

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基金资助:国家自然科学基金面上资助项目(51874207);山西省自然科学基金面上资助项目(202303021211042);

文章来源:李晓科,郤保平,蔡佳豪,等.瞬态高温热冲击下岩石传热规律试验研究[J].矿业研究与开发,2024,44(11):155-162.