地下储油岩库围岩力学参数的正交设计

在相同岩性的现场库区内,岩体的物理力学参数随取样位置(深度)的变化具有不同的变化水平,即使在稳定岩层区不同深度岩性参数也有一定的差异.为了在储油岩库设计方案的数值模拟试验中充分体现这些实际特点,根据大量的岩石室内试验结果,采用正交设计试验方法,以岩石的弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力和内摩擦角共5个参数作为主要影响因素,选取储油洞库围岩塑性区面积(包括拉破坏区面积)和洞周最大位移值作为试验指标进行了正交试验,通过对正交试验结果进行直观分析,研究了地下储油岩库围岩力学参数的确定方法,给出了参数的最优组合,为解决同类问题建立了计算方法和分析思路.     

岩体力学参数灵敏度分析的正交有限元法

根据冬瓜山深部硬岩开采岩石力学的前期实验研究结果,建立了弹塑性力学本构模型;采用正交实验方法设计计算方案,对影响围岩稳定性的内在物理力学参数(弹性模量E、泊松比μ、粘结力C、密度ρ以及内摩擦角ψ)的灵敏度进行了有限元数值模拟分析.根据位移计算结果的正交统计分析,得出各参数对采场围岩稳定影响程度的大小.研究结果表明:弹性模量E的变化对采场稳定性的影响最明显,其次为泊松比μ,而内摩擦角ψ与密度ρ的变化对采场稳定性的影响不明显;此外,E越大,岩体位移越小,μ和C与岩体位移的关系也具有相同的变化规律.     

高放废物黏土岩地质处置库预选区围岩物理特性及力学性质

为了探究内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷高放废物粘土岩预选区围岩的基础物理特征和力学性质。通过物理实验、组分分析、力学实验对预选区8个的钻井不同深度的64个样品进行分析研究,。结果表明预选区围岩以泥质、白云石为主,且岩石内部结构致密,抗拉强度平均可达10MPa,相比瑞士Opalinus粘土岩和法国Callovo-Oxfordian泥岩抗拉力学性能优良。可见塔木素巴音戈壁盆地因格井坳陷作为高放废物粘土岩处置预选区在工程力学上的可行性。     

三轴条件下不同岩性岩石动静态力学参数特征试验分析

基于室内三轴测试获得地层条件下6种岩性岩石(深层长石岩屑砂岩、硬石膏质泥岩、泥质硬石膏岩、中深层岩屑砂岩、泥页岩及煤岩)声学及力学参数数据,对岩石物性、静态力学参数及动态声学参数间关系进行了研究。结果表明：不同岩性岩石密度与动静态力学参数间关系好于孔隙度,岩石密度与Vp间相关性好于Vs;岩石密度、孔隙度或纵横波波速与杨氏模量的关系好于泊松比;动态Vp/Vs与岩石孔缝及物性具有一定相关性。所测试6种岩性岩石中,由于泥质硬石膏岩密度大且致密,其动静态杨氏模量大体相当。其它各类岩性岩石动态杨氏模量值均大于静态值,平均约大30.5%;硬石膏质泥岩、泥质硬石膏岩和中深层岩屑砂岩的动态泊松比值略大于静态值,深层长石岩屑砂岩、泥页岩及煤岩的动态泊松比值略小于静态值,但动静态泊松比绝对差值不大。     

深部软岩巷道围岩分区破裂模拟实验

为研究深部软岩巷道破坏特征和机理,采用与实际工程岩体结构相似的巷道围岩物理模型进行三维模拟试验,考虑了不同应力水平、岩性(软岩和硬岩)、岩体结构特征(节理及层理分布)以及支护形式等因素,通过对比分析在弱、强支护条件下围岩内部不同深度的应力状态和位移,归纳出巷道围岩分区破坏的原因和影响因素,同时提出了主应力方向的旋转对巷道围岩的破坏作用,初步认为深部巷道分区破裂主要是剪切和张拉破坏共同作用的结果,这对于探索软岩巷道变形破坏规律和指导支护技术具有重要意义.     

复杂岩性储层常规测井曲线求取岩石力学参数方法及应用研究

本研究充分考虑海拉尔盆地南屯组含凝灰质储层,宏观沉积、微观岩石结构对岩石力学的影响。在剔除不同年代、不同系列测井响应影响基础上,通过不同岩性常规测井响应特征与岩石力学特征的相关性分析、回归,建立一套利用常规测井分岩性求取含凝灰质储层岩石力学参数的计算方法,为油田生产提供有效的岩石力学参数。     

地下储油岩库稳定性的三维流固耦合分析

地下储油岩库具有洞室规模大,空间结构复杂,地下水渗流作用等特点,针对流固耦合对储油岩库整体稳定性的影响、复杂交叉结构的空间受力变形特征及掌子面推进的空间影响范围等问题,应用FLAC3D大型工程软件对地下储油岩库稳定性进行三维流固耦合分析.研究结果表明:地下水渗流与应力的耦合效应使洞库围岩强度弱化,塑性区及洞周围岩变形均明显增大,串联洞与主洞室的交接部位是设计与施工的关注点,尤其是主洞室拱部与其他结构的交接部位;交叉结构的存在使掌子面推进的空间影响范围扩大到两个主洞室间距的2倍左右,洞室围岩的受力变形规律对小的开挖步长不十分敏感.     

岩石三轴应力试验及其压实效应规律研究

对深部地层5种有代表性的岩石(砂岩、灰岩、白云岩、石膏、花岗片麻岩)应力进行了三轴试验,测得了不同条件下岩石的声波速度、抗压强度和杨氏模量。利用回归分析法,建立了5种岩石的力学性质和声学性质随围压变化的数学模型。研究结果表明,对于同一种岩石,埋藏深度(围压)不同,其力学和声学特性也有很大差别。钻头对岩石的破碎效应除了受岩性的制约外,因埋深而产生的压实效应也对其有重要的影响。     

深部岩石力学参数随赋存深度变化规律研究

为了研究煤系地层中赋存深度的变化对深部岩石力学参数的影响,以50m为一个岩层深度范围,通过对淮南矿区潘集背斜上某矿赋存深度在800~1 300m深度范围的同一层泥岩和砂岩样本的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度等岩石基本物理力学参数的试验研究,采用SPSS19.0对试验结果分别进行统计分析,结果发现,泥岩和砂岩的泊松比均随深度的增加而减小,而这两种岩石其余5个力学参数则随赋存深度而增加,且深度的变化对砂岩力学参数变化影响更大;深度在1 000m附近时,泥岩和砂岩的力学参数都会出现显著变化。     

岩石三轴应力试验及其压实效应规律研究

对深部地层5种有代表性的岩石(砂岩、灰岩、白云岩、石膏、花岗片麻岩)应力进行了三轴试验,测得了不同条件下岩石的声波速度、抗压强度和杨氏模量。利用回归分析法,建立了5种岩石的力学性质和声学性质随围压变化的数学模型。研究结果表明,对于同一种岩石,埋藏深度(围压)不同,其力学和声学特性也有很大差别。钻头对岩石的破碎效应除了受岩性的制约外,因埋深而产生的压实效应也对其有重要的影响。     

基于正交试验设计的某地下储油洞库群支护优化

针对某地下水封储油洞库群的实际工程情况,基于正交试验设计方法,选取锚杆长度、锚杆间排距、喷射混凝土厚度和钢拱架间距4个因素,各个因素分别设立3个水平,确立9组试验方案,采用FLAC3D数值模拟软件进行相关模拟试验,最后以关键点位移及塑性区体积为评价指标对试验结果进行分析以优化洞库群支护方案.结果表明,钢拱架间距影响最显著,锚杆间排距及长度影响最弱;优化后的支护方案为锚杆长度5 m、锚杆间排距2 m×2 m、喷射混凝土厚度120 mm、钢拱架间距1.5 m.该研究成果能够有效保证该工程区围岩的稳定.     

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛典型特征与规律

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛特征与规律对其稳定性评价与灾害防治具有重要意义。基于地下水封洞库工程特征与典型洞库工程实例,整理分析了大量洞室围岩内部变形、表层变形、波速与锚杆应力等监测数据。结果表明：预埋的多点位移计测点位移主要为0.5-3mm,收敛位移监测值主要为4-8mm,拱顶沉降监测值主要为3-6mm,围岩时效变形不明显;围岩变形与爆破开挖有关,当掌子面或后续台阶开挖面接近监测断面时,变形出现陡增;围岩质量越差,开挖面空间效应越不明显;基于典型围岩特征曲线经验公式,结合预埋的多点位移计监测数据与数值模拟,提出了地下水封洞库洞室围岩损失位移确定方法,发现损失位移占最终收敛位移50%-60%;基于波速变化率提出围岩松弛程度评价指标,发现围岩最大松弛程度约为0.47,松弛深度为1.5m;洞室围岩锚杆受力普遍较小,锚杆拉应力与围岩变形基本同步变化。     

韩家岭隧道围岩物理力学参数反分析

基于差分法、正交设计和人工神经网络建立了新的隧道围岩物理力学参数反分析方法·按照正交设计要求选取不同物理力学参数,用FLAC差分程序计算得出相应的神经网络分析样本;进行网络训练和网络结构及学习参数优化;利用现场监测数据,对韩家岭隧道围岩物理力学参数进行神经网络反分析,分析结果满足精度要求·     

深埋隧道围岩应变软化模型参数的正交设计

研究高应力环境下岩体单元塑性软化变形对深埋隧道围岩位移的影响规律,采用基于莫尔库仑与拉破坏复合破坏准则的应变软化模型对深埋隧道的开挖卸荷进行数值仿真,按照正交实验方法设计计算方案。根据计算结果,得出应变软化模型力学参数对围岩水平收敛位移影响程度的大小,建立围岩水平收敛位移与应变软化模型力学参数之间的经验公式,为深埋隧道围岩的稳定性分析提供了理论依据,对实际工程施工也有重要的参考价值。     

基于屈服接近度的盐岩储气库多因素优化

利用深部盐岩洞穴进行能源地下储备是国际上广泛认可的能源储备方式,利用盐岩进行地下能源储存也已成为中国能源战略储备的重点部署方向。对于盐岩地下储库群来说,不同的设计、运行方案对地下储库的安全性影响也是不同的。针对该问题研究盐岩储库群的布置形式、矿柱宽度及运行压力对于围岩的稳定性的影响。引入屈服接近度(yield approach index,YAI)的概念,通过大量的数值模拟,以YAI作为定量参数,对比各种不同工况下储库群的围岩稳定性情况,给出盐岩地下储库群的优化布置方案,同时也得到了不同储气压力作用下的腔群稳定性结果。研究成果可为盐岩地下储库的工程设计、建设及运营管理提供有益参考和借鉴。     

熵权集对分析法在盐岩储气库稳定性评价中的应用

以盐岩力学参数、储气库腔体参数、储气库运行参数建立储气库稳定性综合评价体系,利用熵值法和集对分析法分别确定评价指标在该体系中的权重和联系度,结合两者确定储气库稳定性等级.该方法与灰色关联分析法所得到的评价结果一致,验证了其科学性和可行性.集对分析法避免了灰色关联分析中由于分辨系数的不确定而导致的结果差异,更客观地反映了盐岩储气库运营期的稳定性情况,可以精确得到盐岩储气库所属的稳定性等级,为工程实践提供更详细的参考.     

磨料水射流割缝裂隙带对洞库围岩稳定性的影响

利用割缝设备在洞库上方的围岩中制造分布合理的人造节理并结合填充介质可以有效地衰减爆炸应力波。为了验证采用磨料射流割缝设备在洞库围岩中进行人工割缝及充填材料前后围岩开挖的稳定性，利用FLAC3D与Midas对磨料水射流人工割缝及充填材料前后的大跨洞库及围岩进行了数值模拟研究，对数值模拟中围岩的稳定性进行实时监测与分析。结果表明，裂隙开挖后洞库位移略有增加，但基本处于稳定状态；利用碎石进行充填裂隙后，碎石的扰动作用使其位移进一步增加，但增加量极小，洞库仍处于稳态；可利用锚杆支护减小位移、增加稳定性。因此，在洞库围岩中进行人工割缝构建填充裂隙群对于整体围岩的稳定性影响较小，研究成果可为地下工程抗爆削波防护设计提供参考。     

基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化模型对大型地下洞室群围岩稳定性的影响

岩体的峰后强度对大型地下洞室群围岩开挖变形稳定具有较大影响.针对此问题,采用基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化(cohesion weakening and friction strengthening,CWFS)模型并以动态链接库(dynamic link library,DLL)的形式植入FLAC3D程序中,针对依托工程的大型地下洞室群围岩开挖稳定性,开展考虑围岩开挖损伤和不考虑损伤的开挖全过程模拟.通过分析围岩的变形、应力、塑性区与损伤区的规律及其与现场监测数据的对比,研究开挖损伤对围岩稳定性的影响.结果表明:考虑围岩开挖损伤相对于不考虑损伤时,围岩应力释放程度较高,不利于地下洞室群的稳定;围岩塑性区和变形在主厂房顶拱与边墙等区域增加至1.5～2.0倍.CWFS模型能有效反映围岩塑性屈服的诱因,即损伤系数在0.5～1.0范围内为开挖卸荷导致的屈服,损伤系数在0～0.5范围内为开挖损伤导致的屈服;采用该模型得到的围岩开挖变形在量值上与采用多点位移计得到的现场监测值相近,变化趋势基本相同,不考虑围岩开挖损伤时得到分析结果相对于实际工程偏危险.     

四面山砂泥互层隧道爆破参数优化研究

在近水平软硬互层围岩隧道钻爆开挖的过程中,由于水平方向层理、节理、弱面以及软弱夹层的存在,使得光面爆破的轮廓平整度很难得到保证,并导致较为严重的超欠挖现象。以四面山层状围岩隧道为工程依托,基于X射线衍射试验以及室内物理力学试验所获取的砂、泥岩的力学参数,综合考虑微差、孔间距、不耦合系数等因素,采用正交试验制定了砂泥互层围岩隧道爆破模拟方案,并对重庆江习四面山近水平砂泥互层围岩隧道进行了爆破优化数值模拟,得到了层状围岩隧道爆破优化方案,将原爆破方案及优化方案与现场测试结果进行了对比,结果表明模拟结果与现场测试值基本符合．研究成果可在类似隧道爆破施工中推广应用。     

基于RMR与H-B准则估算大型洞室岩体力学参数敏感度分析

利用RMR(岩体质量分级)与Hoek-Brown(H-B)准则估计岩体力学参数可作为大型地下洞室围岩参数确定的有效途径.考虑到输入参数不确定性引起岩体力学参数估计精度受影响的问题,依托白鹤滩水电站地下厂房工程,基于原位测试、室内试验与数值模拟等,研究H-B准则输入参数与估计岩体力学参数间的敏感性关系,并采用敏感度因子定量描述.结果表明,岩体力学参数对输入参数的敏感性排序为RMR>σ_○ci(岩石单轴抗压强度)>m_i(岩石材料常数),当RMR取值误差为±5%时,弹性模量、内摩擦角及黏聚力估计结果分别产生约20%,22%与13%的偏差;当σ_○ci与m_i的测定误差小于±20%时,其对于内摩擦角与黏聚力估算结果的影响分别小于4%与10%.该研究可为类似大型地下洞室工程岩体力学参数估计精度评价提供借鉴.