准平面应变条件下大尺寸煤岩样的渗透特性研究

为研究采掘工作面煤岩渗透特性与应力、裂隙之间的关系，利用自行研制的煤-气耦合双向加载试验系统，在准平面应变条件下对大尺寸煤、岩样的应力-裂隙-渗透特性变化规律进行试验.结果表明：不同尺度的煤岩样的应力-裂隙-渗透特性变化具有相关性，呈分段性特征；加载过程中煤样局部失稳和裂隙的由外向内发展导致3种煤样渗透特性曲线在压密和弹性阶段出现“锯齿”形不光滑现象；试样内部结构的不同，导致渗透特性变化各异；煤样出现应力滞后性特点；岩样脆性特征明显，渗透特性出现突变且渗流速度最大时刻与岩石破断时刻基本同步.     

加载条件下软砂岩声波传播特性实验研究

软砂岩是红层软岩乃至砂岩中工程力学性质较差的一类岩石,对其超声波传播特性实验研究无论对工程的快速勘察还是岩石特性的理论研究都具有重大意义。因此,实验研究以力学测试系统为基本平台,集成超声波测试系统,同步同向地采集了软砂岩单轴压缩过程中的力学和声学数据,据此讨论了压缩过程中软砂岩不同变形阶段的声波传播特性与应力、岩石内部裂隙发育的相关性及其相互作用机理。研究发现:1纵横波波速、振幅、波形和频谱都随应变表现出阶段性变化特征且与岩石所处的应力-应变阶段相对应;2纵波横波速度都与瞬时弹性模量(应力应变曲线斜率)正相关,振幅与应力正相关;3纵波对岩石内裂隙的闭合紧密程度较为敏感,而横波对岩石内的裂隙数量较为敏感;4通过纵横波波形和频谱对比分析,可以辨别岩石所处的应力应变阶段。     

不同应力水平下煤的渗透率演化规律研究

在煤钻进时,井周裂隙发育,钻井液易侵入井周附近地层,影响井周应力分布。准确确定不同应力水平和损伤程度下的煤渗透率是定量计算煤井壁损伤区应力变化,进而分析煤层井壁稳定性的关键。针对长畛矿3#煤,利用MTS816电液伺服岩石试验系统进行不同渗透水压和围压条件下的全应力-应变过程渗流特性试验研究,测定了煤渗透率随应力水平和损伤程度的变化规律。根据分析结果,将渗透率随加载应力增加的变化分为两个阶段:稳定下降阶段与急速上升阶段,建立了煤的渗透系数演化方程;并印证了推导的理论曲线能很好地对应实验结果。     

高瓦斯矿煤样非Darcy流的MTS渗透性试验

为了获得某高瓦斯矿煤岩非Darcy流渗透特性,从该矿采集煤样,制作成标准煤样.利用MTS815-02型岩石力学试验系统采用全程位移控制进行了全应力应变过程数控瞬态渗透法试验,计算出了在4MPa围压,15MPa/m孔压时,煤样在不同应变下非Darcy流渗透率、非Darcy流β因子、加速度系数及渗流稳定性指数,并给出了发生渗流失稳所需的压力梯度.研究表明:该煤样具有较强的脆性,在应变保持过程中表现出较大的松弛性能;在全应力应变过程中,该煤样的峰值应力前渗透率比较低,峰值应力后渗透率增大幅度很大;在应变增大过程中,煤样非Darcy流β因子几乎均为负值;煤样的渗流稳定性指数χ的负值只出现在峰值应力后.其渗流失稳灾害表现为瓦斯从煤岩体裂隙涌出甚至发生瓦斯喷出.图5,表1,参8.     

渗流效应对基于广义非线性屈服准则洞室弹塑性解的影响

考虑渗流效应,基于广义Hoek-Brown非线性屈服准则,推导出圆形洞室围岩塑性区半径、洞壁径向位移和洞室周边径向应力的数值解.绘制在考虑渗流的情况下和基于广义Hoek-Brown屈服准则的不同围岩条件下,圆形洞室内外水头差h与R/e(R为塑性区半径,e为洞室半径)的关系曲线、围岩特性曲线和径向应力的分布曲线.研究结果表明:在水头差相同时,位于较差围岩中洞室的塑性区比位于较好围岩中洞室的塑性区发展快;在支护力相同时,支护结构对处于较差围岩中的圆形洞室洞壁位移约束效果较差;在围岩质量较差时,渗流效应对圆形洞室径向应力的影响比围岩质量较好时的影响大.     

裂隙煤岩体的流固耦合精细模型

将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用;数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.     

渗流-应力-化学耦合作用下单裂隙渗透特性

针对深部岩石处在高地应力、高地温、高渗透水压力以及复杂的水化学环境之中,将发生极其复杂的温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合作用。在前人工作的基础上,深入分析了多物理场作用下裂隙岩体表面溶解和压力溶解的作用机理,并建立了描述渗流-应力-化学耦合作用的偏微分方程组,最后建立了裂隙的概化模型,利用COMSOL Multiphysics多场耦合软件模拟了单裂隙在渗流-应力-化学作用下的耦合过程,并着重分析了裂隙渗透特性的变化规律。     

含硅橡胶的泡沫铝应变率敏感性研究

用渗流法向开孔泡沫铝中充填硅橡的方法获得含硅橡胶的泡沫铝材料,并在Hopkinson压杆实验装置上对含硅橡胶的泡沫铝进行动态压缩实验,研究这种材料的动态压缩力学行为及应变率敏感性。结果表明,含硅橡胶的泡沫铝压缩应力-应变曲线具有两阶段变形特征,即弹性段和塑性平台段,与不含硅橡胶的泡沫铝相比,这种材料具有更高的应变率敏感性,随着应变率的提高,其屈服强度和流动应力均显著升高。     

岩体离散裂隙网络渗流应力耦合分析

裂隙渗流具有沿裂隙网络做定向移动的特点,用非连续介质方法分析裂隙岩体渗流应力耦合更符合工程实际.本文以人工模拟的随机裂隙网络为对象,应用离散裂隙网络模型和节理单元模型,以裂隙开度变化为纽带,同时考虑渗透静水压力和动水压力的影响,研究水位变化条件下裂隙岩体渗流应力耦合特性.算例表明,考虑耦合作用时,岩体内部结点水头、结点应力和岩体渗流量会发生相应改变.岩体中水头大的裂隙段,耦合作用更加明显.在高坝工程岩体渗流分析和岩体稳定评价计算中,应当考虑渗流应力的耦合作用.     

砾石充填防砂试验的出砂演化规律分析

出砂现象是泥质粉细砂水合物储层开采中常见的一种不利因素,其岩层、充填砾石的渗流特征变化直接影响着演化机理。基于泥质粉细砂水合物储层和砾石充填防砂结构,采用自行研制的防砂试验系统对出沙现象进行全程和分段(2、4、6、8 min)模拟,测定和研究了气-液渗流特征和出砂现象;并对全程和分段试验所形成的储层泥膜和防砂结构进行微观结构、含水量、密度的测量。全程防砂试验的结果显示,整个过程可分为4个阶段,即为初始渗流阶段、稳定渗流阶段、快速渗流阶段、和无液体渗流阶段。对比全程试验和分段试验,其气-水渗流特征具有相似性,其渗流规律几乎不受时间影响。泥质粉细砂储层的渗流规律具有分层的特征,储层中液体分层发生了运移并导致了土层的固结,形成了不同稳定性的固结圈,即为稳定、较稳定、弱稳定泥膜固结圈,和无扰动储层。出砂演化规律为:储层液体稳定渗流→液体携带细粒固体颗粒运移→储层细粒侵入防砂结构→气水加速渗流→大量出砂→形成泥膜与防砂砾石共同作用的阻砂结构。     

橡胶板式支座锚栓超低周疲劳断裂分析

为研究螺栓球节点橡胶板式支座中锚栓在灾难地震中受弯剪发生超低周疲劳的断裂问题,依国家现行规规范设计并制作了橡胶板式支座模型,采用双向加载法对其进行了大位移超低周疲劳试验,得到了四根锚栓的超低周疲劳破坏形态。并从宏、微观角度对锚栓断口进行了分析。结果表明：在往复荷载下,锚栓发生无明显塑性变形的较突然性断裂,为超低周破坏形态,其断口存在疲劳源区、扩展区和瞬断区等典型的疲劳断裂特征,且不同位置锚栓的受力方向和裂纹起裂时间、扩展速率均不同;同一锚栓断口上韧性断裂与脆性断裂特征并存,但总体均表现为偏脆性断裂。     

岩体裂隙中宾汉姆流体渗流模型

为研究粗糙单裂隙中宾汉姆流体的渗流规律，提出了描述岩体裂隙中宾汉姆流体黏性和黏惯性流动的渗流模型，并采用数值模拟和室内试验结果对模型进行了验证.在粗糙裂隙中，开展了不同流变参数的宾汉姆流体在大范围压力梯度下的渗流模拟，结合修正的Forchheimer方程分析了宾汉姆流体在不同裂隙几何参数及流变参数下的非达西系数β、临界雷诺数Re_○c、非达西效应因子E等变化特性.结果表明:由宾汉姆流体本构方程推导出的黏性模型能更好地描述黏性渗流.修正的Forchheimer方程能更好地描述宾汉姆流体在粗糙裂隙中的黏惯性渗流特征.粗糙度及流变参数会对渗流特性产生显著影响:裂隙粗糙度越大，浆液屈服应力越大;浆液塑性黏度越大，惯性作用越强.     

岩石与类岩石单轴压缩过程中力学及声发射特性对比研究

开展石灰岩、砂岩与类岩石的单轴压缩声发射实验,从力学参数、破坏形态及声发射时域参数、频谱特征等多角度对比分析其破裂过程的异同。研究结果表明：石灰岩、砂岩在达到峰值应力后瞬间破坏,为脆性破坏;而类岩石在峰值应力后依然有残余强度,为塑性破坏;前者在临近破坏前会出现标志破坏前兆的声发射低事件率缺失现象,后者不明显。岩石声发射事件率呈现前低后高特征,类岩石则为‘高-低-高’,相应的声发射能率表现出高度的一致性;不同变形阶段两者的声发射频带分布不同,反映出两者内部破裂演化的差异性。     

川西硬脆性页岩力学特征及井壁稳定性研究

在硬脆性页岩地层钻井过程中井壁失稳现象频发,严重阻碍了现场钻井作业的进程。针对小塘子组页岩钻进过程中发生的井下垮塌现象,通过开展系统室内实验测试,并结合实验数据建立的理论模型,评价分析小塘子组页岩地层的井壁稳定情况。结果显示,小塘子组页岩属于典型的硬脆性页岩,层理缝发育,在外力或高应力环境下可以产生张性裂缝;钻井液浸泡效应可降低小塘子组页岩地层力学强度,层理走向及力学弱面效应对小塘子组页岩力学性能影响明显;裂缝走向、井眼轨迹及井壁渗流场影响小塘子组页岩地层井壁稳定性,当裂缝面与井眼轴线之间夹角满足一定关系,井壁岩石容易沿裂缝面发生滑移垮塌。     

不同蠕变条件下耐热钢焊接件的空洞损伤演化

针对两种马氏体耐热钢焊接接头(F92/Co3W2和Co3W2/Co3W2)在105~250 MPa和873~948 K条件下开展蠕变拉伸测试,利用Larson-Miller参数法外推不同温度下焊接接头服役100 000 h寿命对应的蠕变断裂许用应力,研究其在不同蠕变条件下的空洞损伤规律. 随着外加应力的降低,两种焊件的断裂位置、断裂模式及断裂机制均发生了转变,从位于母材的穿晶塑性断裂变为细晶热影响区的沿晶脆性断裂(即Ⅳ型断裂). 针对断口区域的空洞损伤变化规律的研究表明：(1) 当断裂模式由塑性断裂转变为脆性断裂时,断口附近空洞会出现突变,塑形断口空洞“个头大数量少”而脆性断口空洞“个头小数量多”;(2) 在相同断裂模式下,随蠕变应力的减小,空洞按照“尺寸变大、数量密度增大及面积分数增大”的规律变化;(3) Ⅳ型断口处空洞存在合并链接现象,其方向与应力方向垂直.     

致密岩石变形破坏过程中渗透率演化的试验研究

为了研究致岩石在变形破坏过程中的渗透率变化特点,利用自适应全自动岩石三轴试验机对致密脆性的花岗片麻岩进行了不同孔隙压力下的渗透试验．试验结果表明：岩石不同变形阶段的渗流特性明显不同;在孔隙压力不大的情况下,岩石本身的裂隙发育情况与孔隙压力相比,对渗透率占主导作用;环向应变更能体现岩石发生软化屈服破坏的过程,在体现渗透率变化上响应更灵敏．在试验的基础上进一步探讨了应力-应变过程中渗流应力耦合的机理,分析了岩石细观力学性质对屈服破坏前期渗透率“突跳”的影响．     

岩石单轴压缩下破坏失稳过程SEM即时研究

通过在扫描电镜下进行单轴加载实验,即时观察分析岩石受力过程中微裂纹的萌生、扩展和贯通破坏的全过程,得到各试样的应力 应变曲线及其所对应的微结构变化的电镜照片·实验结果表明,岩石试件的变形与破坏过程可以分为裂纹压密、微裂纹萌生和扩展以及断裂破坏３个阶段;微裂缝首先在预裂缝周围的拉应力集中区产生,随着外载荷的增加不断扩展,最后形成与最大主应力方向平行的宏观断裂带·     

中部锁固岩桥脆性断裂特征试验研究

锁固型岩桥的脆性断裂是带裂隙岩体失稳的主要原因,具有较强的突发性和隐蔽性。针对“三段式”、“挡墙式”两种典型的中部锁固岩桥类型,开展端部开裂砂岩试件的单轴压缩试验研究。基于能量散耗理论及声发射(AE)频度-能级指数关系,结合高速工业相机记录信息,探究了岩体受压过程中岩桥脆性断裂机理及其前兆信号特征。研究结果表明：(1)与“三段式”锁固岩桥相比,“挡墙式”锁固岩桥峰值强度和弹性模量降低,但其脆性断裂特征更加明显；(2)“挡墙式”锁固岩桥应变能耗散速率明显高于“三段式”锁固岩桥,其声发射平静期与塑性变形阶段持续时间较短,但AE事件率及声发射能量释放更高,岩桥内部裂纹扩展活动更频繁；(3)“三段式”、“挡墙式”锁固岩桥整体频度-能级的关系分别可表示为 与 ,脆性破坏程度越剧烈,声发射b值(斜率)越小；(4)声发射b值的快速下降可作为岩桥脆性断裂的前兆信号。锁固岩桥的存在形式与赋存位置影响着裂隙岩体的脆性断裂倾向,研究所得可为端部开裂岩体突发脆性失稳提供理论依据及科学预测方法。     

脆性岩石破裂过程渗透性演化试验

为探讨脆性岩石变形破裂过程中渗透性的演化规律,利用电液伺服控制岩石力学试验系统(MTS815 02)对不同岩性的岩石进行了应力 应变全过程渗透试验·试验结果表明岩石的渗透率与其应力状态密切相关,岩石峰后的渗透率普遍远大于峰前,常在应力 应变曲线峰后区出现"突跳"现象,而造成这一现象的根本原因在于岩石内部细观结构的变化·并根据试验结果建立了峰值前后反映岩石结构变化特征的分段应力 渗透率关系方程,为建立描述岩石破裂过程应力 渗透率耦合数值模型提供了可靠的试验依据·     

钻井液密度对裂缝性泥页岩地层坍塌压力影响的力化耦合研究

 缝性地层井壁失稳是钻井工程中经常遇到工程难题之一,裂缝发育地层常伴随严重的井壁坍塌,具有水化性质的裂缝性地层在钻井液侵入后更易发生坍塌。扫描电镜观察某油田泥页岩发育的层理实际为尺寸极小的微裂缝,使用XRD 衍射仪测定了该泥页岩黏土矿物质量分数为30%~40%,泥页岩水化性质较强。通过剪切实验测定了泥页岩吸水后的抗剪强度,求解了不同含水量裂缝面的黏聚力及内摩擦角。建立了钻井液滤液向地层内的渗流方程及裂缝性地层坍塌压力方程,计算了不同钻井液密度和浸泡时间的坍塌压力。计算结果表明,高钻井液密度导致钻井液滤液向裂缝内加速渗流,裂缝面强度降低导致地层更加容易坍塌。裂缝性地层井壁失稳不宜提高钻井液密度稳定井壁,应采用措施提高钻井液封堵性及抑制性,降低钻井液滤液侵入量。