نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

ارزیابی اثر دما و تعداد چرخه گرم‌شدن-سرد‌شدن بر خرابی سنگ نمک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی امیرکبیر
2 دانشکده مهندسی معدن دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران)
10.22034/IRSRM.2026.739361.1083
چکیده
سنگ نمک به دلیل ویژگی‌هایی نظیر نفوذپذیری بسیار پایین، تخلخل اندک، رفتار ویسکوپلاستیک، قابلیت خودترمیمی و پایداری مناسب، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین سنگ‌های میزبان در ذخیره‌سازی زیرزمینی گاز طبیعی، هیدروژن و همچنین دفن پسماندهای هسته‌ای شناخته می‌شود. با‌این‌حال، در طی بهره‌برداری از مخازن نمکی، فرآیندهای تزریق و برداشت مکرر سیالات سبب ایجاد تغییرات دمایی متناوب و چرخه‌های حرارتی در توده سنگ می‌شوند. این چرخه‌ها با ایجاد انبساط و انقباض حرارتی مکرر، تنش‌های داخلی، رشد ریزترک‌ها و تغییرات ساختاری در سنگ نمک، می‌توانند خواص مکانیکی و فیزیکی سنگ را تحت تأثیر قرار داده و در بلندمدت موجب کاهش پایداری و ایمنی مخازن زیرزمینی شوند. ازاین‌رو، شناخت رفتار سنگ نمک تحت شرایط حرارتی مختلف از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. هدف اصلی این پژوهش بررسی تأثیر همزمان دما و چرخه‌های گرم‌شدن و سردشدن بر رفتار مکانیکی و میزان آسیب ایجادشده در سنگ نمک است. برای دستیابی به این هدف، نمونه‌های سنگ نمک با هندسه مکعبی تهیه شده و تحت سه سطح دمایی شامل دمای محیط (25 درجه سانتی‌گراد)، 50 و 80 درجه سانتی‌گراد و همچنین در چرخه‌های حرارتی 1، 5 و 10 قرار گرفتند. نتایج مطالعات نشان داد که افزایش دما و تعداد چرخه‌های حرارتی موجب تغییر محسوس در ساختار داخلی سنگ نمک و کاهش خواص مکانیکی آن مانند مقاومت فشاری تک‌محوره و مدول الاستیک می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]     Blanco-Martín, L., Rutqvist, J., Battistelli, A., & Birkholzer, J. T. (2018). Coupled processes modeling in rock salt and crushed salt including halite solubility constraints: Application to disposal of heat-generating nuclear waste. Transport in Porous Media, 124, 159–182.
[2]     Merey, Ş. (2019). Prediction of pressure and temperature changes in the salt caverns of Tuz Golu underground natural gas storage site while withdrawing or injecting natural gas by numerical simulations. Arabian Journal of Geosciences, *205*. https://doi.org/10.1007/s12517-019-4405-1
[3]     Guo, W.; Li, J.; Wang, T.; He, T.; Xie, D.; Liao, Y.; Liu, C. Experimental Study on the Evolution Law of Permeability Characteristics of Salt Rocks Under Different Temperatures and Different Pore Pressures. Rock Mech. Rock Eng. 2025, 58, 1–23.
[4]     Cemiloglu, A., Licai, Z., Arslan, S., Xu, J., Yuan, X., Azarafza, M., & Derakhshani, R. (2023). Support Vector Machine (SVM) Application for Uniaxial Compression Strength (UCS) Prediction: A Case Study for Maragheh Limestone. Applied Sciences13(4), 1-14. Article 2217. https://doi.org/10.3390/app13042217
[5]     Shi, J., Liu, G., Huang, P., & Ng, C. W. W. (2015). Interaction between a large-scale triangular excavation and adjacent structures in Shanghai soft clay. Tunnelling and Underground Space Technology, *50*, 282–295. https://doi.org/10.1016/j.tust.2015.07.013
[6]     Aladejare, A. E. (2020). Evaluation of empirical estimation of uniaxial compressive strength of rock using measurements from index and physical tests. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, *12*(2), 256–268. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.08.001
[7]     Askaripour, M., Saeidi, A., Rouleau, A., & Mercier-Langevin, P. (2022). Rockburst in underground excavations: A review of mechanism, classification, and prediction methods. Underground Space, *7*. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2021.11.008
[8]     Griffiths, L., Lengliné, O., Heap, M. J., Baud, P., & Schmittbuhl, J. (2018). Thermal cracking in Westerly Granite monitored using direct wave velocity, coda wave interferometry, and acoustic emissions. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123, 2246–2261. https://doi.org/10.1002/2017JB015191
[9]     Barton, N. (2006). Rock quality, seismic velocity, attenuation and anisotropy.
[10]   Bieniawski, Z. T. (1989). Engineering rock mass classifications: A complete manual for engineers and geologists in mining, civil, and petroleum engineering. John Wiley & Sons. ISBN: 978-0471601722
[11]   Barton, N., Lien, R., & Lunde, J. (1974). Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, 6(4), 189–236. https://doi.org/10.1007/BF01239496
[12]   Hajizadeh,A and Taheri,E . (2025). Modeling the Behavior of Frozen Soil Under Freeze/Thaw Cycles with Emphasis on Depth and Temperature Change Rate Parameters. JOURNAL OF ROCK MECHANICS, 9(2), 29-41.
[13]   Zhou, L., Zhu, Z., Oterkus, E., Oterkus, S., & Xu, H. (2023). Research on the effects of heating and cooling processes on the mechanical properties of yellow rust granite. Geohazard Mechanics, 1(3), 231–243. https://doi.org/10.1016/j.ghm.2023.09.001             
[14]   Brotóns, V., Tomás, R., Ivorra, S., & Alarcón, J. C. (2013). Temperature influence on the physical and mechanical properties of a porous rock: San Julián's calcarenite. Engineering Geology, 167, 117–127.
[15]   Gautam, P. K., Dwivedi, R., & Kumar, A. (2021). Damage characteristics of Jalore granitic rocks after thermal cycling effect for nuclear waste repository. Rock Mechanics and Rock Engineering, *54*, 235–254. https://doi.org/10.1007/s00603-020-02260-7
[16]   Isaka, A., Ranjith, P. G., Rathnaweera, T., Perera, M., Chandrasekharam, D., & Wanniarachchige, P. (2018). An influence of thermally-induced micro-cracking under cooling treatments: Mechanical characteristics of Australian granite. Energies, *11*(6), Article 1338. https://doi.org/10.3390/en11061338   
[17]   Guo, Y., Qin, Y., Xu, N., Lei, H., Xu, J., Zhang, B., Feng, S., & Chen, L. (2025). The influence of periodic temperature on salt rock acoustic emission, strength, and deformation characteristics. Applied Sciences, 15(16), Article 8848. https://doi.org/10.3390/app15168848
[18]   Li, W., Zhu, C., Yang, C., Duan, K., & Hu, W. (2018). Experimental and DEM investigations of temperature effect on pure and interbedded rock salt. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 56, 29–41. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2018.05.020
[19]   Liu, X., Wang, J., Wang, X., Lin, Y., Liu, X., & Song, Z. (2026). Fatigue properties and damage evolution of salt rock after thermal cycling treatment. Rock Mechanics and Rock Engineering, 59(3). https://doi.org/10.1007/s00603-025-05026-1
[20]   Li, W., Nan, X., Chen, J., & Yang, C. (2021). Investigation of thermal-mechanical effects on salt cavern during cycling loading. Energy, 232(9), 120969. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120969
[21]   ASTM D7012-23, "Standard test methods for compressive strength and elastic moduli of intact rock core specimens under varying states of stress and temperatures," ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2023, doi: 10.1520/D7012-23.
[22]    Maadikhah, A., Molladavoodi, H., Mortazavi, A., & Atapour, H. (2023). Experimental study of true triaxial loading effect on ultrasonic properties of rock salt. Rock Mechanics and Rock Engineering, *56*, 1–18. https://doi.org/10.1007/s00603-023-03436-7
[23]   Davarpanah, S. M., Ván, P., & Vasarhelyi, B. (2020). Investigation of the relationship between dynamic and static deformation moduli of rocks. Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources, *6*. https://doi.org/10.1007/s40948-020-00155-z
[24]   Christaras, B., Auger, F., & Mosse, E. (1994). Determination of the moduli of elasticity of rocks. Comparison of the ultrasonic velocity and mechanical resonance frequency methods with direct static methods. Materials and Structures, *27*, 222–228. https://doi.org/10.1007/BF02473036
[25]   Zhao, X. G., & Cai, M. (2010). A mobilized dilation angle model for rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 47(3), 368–384. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2009.12.007
[26]   Martin-Clave, C., Ougier-Simonin, A., & Vandeginste, V. (2021). Impact of second phase content on rock salt rheological behavior under cyclic mechanical conditions. Rock Mechanics and Rock Engineering, *54*(10), 5245–5267. https://doi.org/10.1007/s00603-021-02449-4
[27]   Zhao, Y., Yang, Z., Wang, C., & Bi, J. (2023). Experimental study on damage self-healing and strain hardening of salt rock under secondary loading. Rock and Soil Mechanics, 44(5),1457–1466. https://doi.org/10.16285/j.rsm.2022.0863
[28]   Li, H., Dong, Z., Ouyang, Z., Liu, B., Yuan, W., & Yin, H. (2019). Experimental Investigation on the Deformability, Ultrasonic Wave Propagation, and Acoustic Emission of Rock Salt Under Triaxial Compression. Applied Sciences9(4), 635. https://doi.org/10.3390/app9040635