高孔低渗泥岩渗流-损伤耦合模型与数值模拟

以泥岩高放废物处置库为研究背景,在室内试验和现场试验研究的基础上,以泥岩损伤为主线,研究开挖扰动对泥岩渗透性的影响规律,通过在渗流-应力耦合控制方程中引入损伤变量,建立泥岩的渗流-损伤耦合模型,完成了有限元程序的二次开发。对泥岩巷道由于开挖施工引起的围岩卸载以及支护过程进行数值模拟,探讨开挖扰动影响下围岩的损伤分布形态以及渗透性质的演化规律。研究结果表明:计算所得的渗透率分布规律与实测结果一致,渗透性扰动区近似为椭圆形,扰动区最大渗透率约为原岩的397倍,与工程实际相吻合。     

泥岩非线性蠕变损伤-渗透愈合耦合模型及其应用

以某泥岩高放废物处置库为研究背景,根据室内试验和现场试验成果,提出了考虑泥岩应变硬化和软化以及蠕变效应的损伤判断准则和修正MohrCoulomb屈服破坏准则,建立了一种新的泥岩非线性黏弹塑性损伤模型;探讨了泥岩的渗透性演化机制,以泥岩损伤-渗透耦合及其自愈合为主线,建立了泥岩损伤-渗流耦合模型及渗透性自愈合演化方程.然后对地下储库施工过程进行了数值模拟,研究结果表明:施工质量对围岩扰动区有明显的影响,人工掘进巷道最大损伤约为0.38,明显大于采用盾构法施工的巷道;开挖后围岩渗透率明显增大,人工掘进巷道约为原岩的109倍,盾构施工巷道约为原岩的24倍;围岩蠕变损伤在巷道施工完成初期增长速度较快,扰动区渗透率略有增大,此后愈合应力和水化学效应对围岩渗透率的影响大于蠕变损伤的影响,扰动区渗透性逐渐恢复,约3年后渗透率愈合到原岩的数量级10~(-19)m~2.所提出的模型能有效地描述泥岩水-力耦合特性,对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义.     

基于渗流-应力-损伤耦合模型的泥页岩井壁稳定性研究

石油钻井过程中,泥页岩地层井壁稳定性研究十分复杂。本文在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb破坏准则,建立了基于等效塑性应变的损伤演化模型,给出了泥岩的渗透性的演化方程。以中国西部某油田实际钻井过程为例,建立了井壁稳定分析模型。计算过程中考虑了围岩损伤引起的弹性模量、黏聚力和渗透系数的变化,得到了井壁围岩损伤、渗透系数、应力、塑性应变、孔隙压力和位移的分布规律。结果表明,井壁附近岩石的损伤演化对围岩塑性区的塑性应变和应力分布有明显影响。钻井液密度的高低,会造成井壁在水平最小主应力方向上的剪切损伤或在水平最大主应力方向上的拉伸损伤。当损伤达到极限时,会造成井壁围岩的破坏。     

多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征

为研究多次爆破作用下巷道围岩累积损伤演化与破裂特征,建立考虑扰动效应的时效损伤本构模型.二次开发扰动效应的时效损伤本构模型,并建立数值模型验证了开发程序的正确性.将本构模型应用于深部巷道多次爆破开挖的数值模拟中,研究围岩累积损伤演化特征与破裂特征.结果表明：地应力对巷道围岩爆破累积损伤有抑制作用,地应力越大,抑制作用越明显;围岩的损伤程度随爆破扰动次数的增加呈现非线性累积特征,围岩损伤范围也随着爆破荷载作用次数的增加而扩大;巷道围岩近区在多次爆破荷载作用下损伤严重,巷道围岩表层出现破裂现象.     

鄂尔多斯东缘煤储层渗透性主控因素分析与高渗区预测

在煤层气储层渗透性影响因素的分析基础上,通过煤层地应力、热演化程度、埋藏深度与渗透率的相关性分析,探讨渗透率的发育机理,认为煤储层渗透率是煤阶与地应力联合作用的结果,地应力控制煤储层割理开启程度和方向,改变储层的孔隙结构;煤岩热演化通过改变岩石力学性质来控制割理发育,二者共同控制煤储层割理的大小,进而影响煤储层渗透率的发育,而埋藏深度与渗透率相关性不强.选取煤层渗透率主控因素进行研究,以鄂尔多斯盆地东缘二叠系煤层气储层为例,利用多元回归分析的方法建立了“煤阶与地应力”渗透性二元预测模型,对研究区渗透率的发育情况进行了预测.研究表明,地应力控制了渗透率的分布,而煤岩热演化程度对渗透率分布起到一定的调节作用,煤层气储层高渗区主要分布在研究区斜坡带地应力松弛部位,而在应力相对集中深部煤储层为低渗区.     

泥页岩多场耦合流变模型

在泥页岩井壁稳定性分析中,考虑岩石的流变特性和初始微缺陷造成的损伤及其耦合发生过程中的演化扩展,以经典半透膜渗透理论和多孔介质有效应力原理为基础,建立了泥页岩岩石应力场、化学场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,给出了泥页岩在力学与化学耦合下蠕变损伤的有限元分析格式,分析了其对应力场、孔隙压力、渗透率的影响。结果表明:井壁围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性特性,应力最大值不在井壁上,而是在近井壁地带,在井眼附近会形成应力集中,造成井眼破坏,导致井壁失稳;围岩孔隙压力随时间、距离的增长而增大后趋于平衡;岩石蠕变损伤发展引起渗透率先减小后增大,其演化率与岩石的裂缝扩展一致。     

金川矿区深部巷道围岩流固耦合稳定性数值模拟

 地下水渗流会影响巷道围岩力学性质,本文结合流固耦合基本原理,以金川二矿区深部巷道为例,采用MIDAS/GTS建立了金川二矿区1000m水平某巷道流固耦合模型,研究渗流对围岩应力场、围岩变形及开挖卸载影响。计算结果表明,渗流作用对巷道围岩竖向应力的影响大于水平应力,渗流也导致围岩最大、最小主应力比无水时偏大。渗流和无水状态下围岩变形空间分布具有相似性,渗流对巷道围岩水平位移影响相对较小,但对围岩竖向位移影响较大,其中巷道拱部竖向位移明显大于无水状态,渗流时拱部最大位移约为8.2mm,而无水时仅2.3mm左右。因此,渗流效应将导致巷道顶板稳定性变差。开挖卸载对渗流场的影响表明,开挖后巷道周边压力水头迅速降低,孔隙水压力最小降为零,且孔隙水压力也从水平层状分布变为沿巷道轮廓环形带状分布。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

破碎围岩条件下开采扰动区LSMA的动力失稳

破碎围岩环境下大断面巷道开挖必然形成大尺度采空区(large scale of mined-out-area,LSMA),其围岩介质的变形与失稳行为及过程很复杂,主要涉及到开采扰动区(excavation dis-turbed zone,EDZ)范围内围岩力学性态及强度劣化特征、顶部岩层非稳态下沉与水平挤压变形耦合作用诱致动力失稳、深层围岩离层演化至局部化冒落失稳等,且其变形从微尺度演化为大尺度(寸)过程具有复杂的非线性特征,这为灾害治理带来挑战。基于现场调查,利用表面变形与深部离层规律综合监测与锚杆(索)力学性态试验及测试,结合室内物理相似模拟和数值模拟试验,深入分析复杂地质条件下松软破碎围岩局部化变形与演化失稳机理,为工程防灾和减灾提供科学依据。     

破碎围岩条件下开采扰动区LSMA的动力失稳

破碎围岩环境下大断面巷道开挖必然形成大尺度采空区（large scale of mined-out-area，LSMA），其围岩介质的变形与失稳行为及过程很复杂，主要涉及到开采扰动区（excavation disturbed zone，EDZ）范围内围岩力学性态及强度劣化特征、顶部岩层非稳态下沉与水平挤压变形耦合作用诱致动力失稳、深层围岩离层演化至局部化冒落失稳等，且其变形从微尺度演化为大尺度（寸）过程具有复杂的非线性特征，这为灾害治理带来挑战。基于现场调查，利用表面变形与深部离层规律综合监测与锚杆（索）力学性态试验及测试，结合室内物理相似模拟和数值模拟试验，深入分析复杂地质条件下松软破碎围岩局部化变形与演化失稳机理，为工程防灾和减灾提供科学依据。     

急斜煤层水平分段综放开采围岩失稳特征分析

针对急斜煤层水平分段综放开采围岩失稳特征,通过对围岩力学模型分析,研究围岩结构的失稳过程和演化途径.根据急斜煤层围岩的非对称分布特点,所产生的非对称作用极易使围岩发生局部变形.局部变形的不断扩展进而将导致围岩发生失稳,这种动力学失稳极易演化为灾害.为了控制这种灾害的发生,借助声发射和钻孔窥视实时监测围岩"损伤-破裂-失稳"的全过程,将为工作面开采扰动区围岩失稳与控制提供了值得借鉴的依据.     

干湿循环对炭质泥岩蠕变及损伤特性的影响

为揭示炭质泥岩库岸边坡的时效变形和损伤特性,对经历不同干湿循环次数的炭质泥岩试样进行低场核磁共振和三轴压缩流变试验,研究炭质泥岩孔隙演化特征和蠕变特性;在此基础上,基于损伤理论和Lemaitre应变等效原理,建立考虑干湿循环、轴压和时间因素耦合影响的蠕变损伤方程 . 结果表明：随干湿循环次数增加,炭质泥岩孔隙率增加,孔隙结构由小孔隙向大孔隙演变,瞬时应变和蠕变量增大 . 建立的损伤方程能较好地表征干湿循环次数、轴压和时间对炭质泥岩损伤演化的影响;随干湿循环次数增加,炭质泥岩损伤增大,损伤时间效应增强;轴压增大,损伤增长的速率加快,加速损伤的持续时间增长.     

煤巷大厚度泥岩顶板围岩裂隙演化规律数值试验研究

运用数值试验系统,研究了煤巷大厚度泥岩顶板围岩裂隙萌生-扩展-贯通-破坏的演化规律。根据围岩裂隙的分布和演化,结合地质力学与环境条件,揭示出大厚度泥岩顶板垮落是由于煤帮上方的剪张裂隙及顶板上方的水平裂隙所形成的裂隙拱造成的,提出大厚度泥岩顶板煤巷支护的三个主要特点:及时封闭围岩、加大锚杆支护系统刚度、锚杆(索)沿裂隙方向斜向布置。研究结果有利于了解巷道围岩内部破裂的产生和发展规律,为巷道锚固方案的选择和锚固参数的优化提供了依据,可为类似条件矿井的支护提供理论依据与应用性指导。     

孔隙水压力作用的弹塑性CPPM算法及隧道围岩力学参数反演

海底隧道相比陆地隧道更易导致突水等灾害,为了研究隧道围岩在孔隙水压力作用下的受力、变形规律、塑性区的变化以及力学参数不易准确给出的问题.首先在弹塑性本构方程积分算法—最近点投射算法(Closest Point Projection Method)中引入修正有效应力公式,使用C++语言编制了考虑孔隙水压力作用的弹塑性有限元求解程序,应用所编程序对不同孔隙水压力作用下隧道的位移场、应力场及塑性区进行模拟;其次基于智能优化算法—差异进化算法(Differential Evolution)和所编弹塑性有限元求解程序开发了智能反分析程序,对不同差异策略下反演参数的精度进行比较,分析了反演参数的演化趋势随着进化代数的变化规律.研究结果表明,所编制的考虑孔隙水压力作用的弹塑性有限元程序可以较好地进行数值计算,计算结果显示孔隙水压力对隧道的受力、变形及塑性区影响比较显著,随着孔隙水压力的增大,塑性区明显扩大.自主开发的智能反分析程序反演结果具有较高的精度,其中差异策略对反演精度影响较为明显,同时在反演时需综合选择算法的变异因子和交叉因子,以达到反演参数最优化的目的,可以将所开发的程序应用于实际隧道围岩力学参数反演,对设计及动态施工起到辅助作用.     

核废料泥岩处置库围岩综述

随着社会与经济发展对能源需求的不断加大,与深部围岩有关的岩土工程问题越来越受到广泛关注,如地热资源开发、核废料处置及煤炭地下气化等工程。很多国家已经对核废料处置库围岩进行了大量研究,其中泥岩因导水率低和自封闭能力强而受到极大重视。本文现就核废料处置库围岩泥岩来探讨,阐述泥岩作为处置库围岩的基本特性以及工程特性,详细阐明了其优点与不足。着重介绍了我国泥岩处置库围岩研究进展。     

基于SVD和DE反演方法的渗透率估计

根据孔隙流体离子扩散浓度分布,推导出激发极化弛豫时间与孔隙半径的平方成正比,并与孔隙内溶液的扩散系数相关.在分析信噪比和参变量个数对差分进化(DE)算法反演精度影响的基础上,提出先用奇异值分解(SVD)方法大致确定组分数,再用DE算法反演弛豫谱的联合反演方法,并建立结合弛豫谱、孔隙度和地层因数的综合渗透率估计模型.结果表明:联合反演算法无须事先给定弛豫时间分布,反演精度高,对信噪比鲁棒性好,而且基于弛豫谱的综合估计模型可以显著提高渗透率估计的准确度,其中驰豫时间谱、孔隙度和地层因数的综合模型对于岩心样品的渗透率估计精度可以达到0.980 2.     

基于Weibull统计分布的岩石损伤模型

基于岩石内部裂隙和孔隙分布的随机性,运用连续损伤力学理论,建立了围压与轴压共同作用下岩石的统计损伤模型;结合岩石应力应变曲线的特征参量确定了模型参数,增强了模型的适应性;探讨了岩石损伤的演化性态及其宏观表现,并通过试验对模型进行了验证.结果表明:岩石的宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应,其损伤演化途径反映了岩石变形破坏的全过程;模型理论曲线与试验实测曲线具有较高的吻合度,验证了模型的合理性.     

采动岩体应变-渗流耦合效应与致灾机理分析

为了研究承压开采背景下顶板岩层破断和渗流规律的时空关系特征,在理论分析的基础上建立了基于有限元数值分析的等效连续介质流固耦合数学模型,嵌入了应变—渗透系数的耦合本构关系,应用于工程实践。得出采场围岩渗透性演化规律、含水层中孔隙压力演化规律及采动破坏区发育范围与渗透性增大区对比关系。研究结果表明:将岩体渗透性演化规律与岩体采动破坏区发展规律共同作为计算和设计防水煤柱的判据,更加符合现场实际;研究成果对厚松散层高承压含水层下安全高效开采具有指导意义。     

巨厚煤层全煤巷道围岩体运移演化规律研究

针对巨厚煤层全煤巷道围岩体的物理力学性质差、赋存条件复杂、大变形、支护难等问题,采用数值差分软件FLAC3D,系统分析了巨厚煤层全煤巷道开挖后围岩体的三维运移演化规律及不同赋存条件对演化规律的影响。研究发现:开挖对巨厚煤层全煤巷道围岩及掘进面前方一定范围内都有扰动影响,且在巷道围岩深部三维方向上均存在应力集中区;得出巷道围岩在不同赋存条件下呈现底板位移量顶板位移量帮部位移量的运移规律及塑性区扩展范围和分布状态的演化规律,为巨厚煤层全煤巷道的支护和开采提供了理论依据和技术支持。     

基于遗传算法的软岩破碎带巷道围岩参数反分析

针对软岩破碎带应力分布复杂,各参数难以确定的问题,结合红庆梁穿越软岩破碎带的深埋巷道,基于弹塑性位移反分析的思想,结合Matlab软件GA工具箱与有限差分软件FLAC3D,采用模拟计算值与工程实测值确立适应度函数.在智能寻优反演中,分别得出巷道断层前、中、后的围岩位移等效力学参数.将所得参数用于其他巷道的变形预测,其预测结果与实际监测有良好的吻合效果,说明了此方法的合理性.