放顶煤开采煤体裂隙演化规律实验研究

运用ＭＳＳ－３００型真三轴压力试验机对忻州窑矿放顶煤工作面的大煤样试件进行了压裂实验研究,运用分形理论探讨了煤样的裂隙演化规律,为研究放顶煤工作面顶煤的破裂演化规律及采用人工弱化顶煤措施提供了必要的理论依据。探讨了放顶煤采场有关数值计算中力学参数合理选取的新途径。     

孔隙-裂隙双重变形介质中的油水两相流动理论研究

在连续介质力学理论架构下,文章建立了饱和油水两相渗流与变形孔隙-裂隙双重介质耦合作用的理论来模拟裂隙砂岩储层中的油-水渗流,提出了基于双孔隙固相系统变形与油水两相渗流的全耦合力学模型;在对力学模型给予适当简化的基础上,应用解耦的有限元数值解方法对裂隙储层的两相流体压力、饱和度以及储层变形等参数进行了数值模拟;结果表明,裂隙储层流体运动主要由裂隙变形、油/水的PVT特性所决定。     

基于相似模拟实验的采动裂隙场演化规律研究

针对目前综放开采条件下对顶板岩移破坏时空演化规律研究不足的问题,采用相似模拟实验的方法对综放开采条件下覆岩移动和破坏机制以及采动裂隙分布规律和形态特征进行研究,结果表明:随工作面推进裂隙带逐渐地往上演化发展,而且当关键性岩层垮落断裂时,这种裂隙演化更为迅速;当工作面回采至240m时,离层裂隙趋于闭合,采动影响达到模型的顶部,裂隙带高度不再随着工作面推进距离的变化而改变。     

油页岩高温CT实验研究

利用高分辨率显微CT实验系统,对农安、长庆和大庆的油页岩从100℃到600℃不同温度下的细观变化进行了CT测试。通过对比100℃与600℃三个矿区油页岩CT图像的变化,实验结果揭示农安油页岩随温度升高,首先会产生大量热破裂,但部分裂缝会在更高的温度下闭合;长庆的油页岩层理发育且密度大的矿物较多,随温度的升高,其内部的裂缝一直在增加。大庆油页岩更接近煤的热解模式,在高温作用下,会形成大量的连通空洞。与其他两矿油页岩相比,大庆油页岩在高温下孔隙、裂隙的发育最为明显。这种差异反映了油页岩油母成因的本质差别,这种不同将直接导致油页岩最终开采工艺参数选择的不同。     

岩体裂隙渗流水力特性的实验研究

根据数理统计原理，从随机平稳过程理论出发，提出了一套描述裂隙空间曲面几何形态的三维指标和方法。在一套特制的岩石裂隙渗流实验装置上系统地研究了不同几何形态的裂隙在不同应力、应变条件下的水力特性，探讨了渗透系数与机械隙宽、剪切变形、几何形态、应力条件、加卸载条件的关系，并得出了各种不同情况下的实验数据拟合方程式。     

饱和孔隙-裂隙黏土双层地基的一维固结分析

为研究双孔结构饱和黏土双层地基的一维固结特性,在一维完全侧限条件下根据混合物理论建立了饱和孔隙-裂隙介质的固结控制方程.采用Fortran语言编制了饱和孔隙-裂隙黏土一维固结的有限元程序,利用单层地基研究成果验证本文模型和程序的正确性.运用有限元程序分析压缩模量、渗透系数及土层厚度等因素对饱和孔隙-裂隙黏土双层地基固结...     

过热蒸汽对流加热油页岩产气规律研究

利用自行研制的对流加热原位开采模拟实验台对新疆油页岩进行热解模拟实验,研究不同温度过热蒸汽作用下油页岩的产气规律,并从理论上进行了分析研究。结果表明:过热蒸汽对流加热油页岩热解过程大致分为三个阶段,第一阶段是碳酸盐的水解和热解,同时伴随着少量沥青质的热解,这个过程中主要产生CO2和少量有机气体;第二阶段以油页岩的热解为主并伴随着少量的水煤气反应,这个过程产生大量的有机产物;最后阶段是热解完成后油页岩中残炭的水煤气反应,产物主要为大量的H2和CO。本研究成果将为规模化过热蒸汽原位开采油页岩技术应用提供理论依据和技术参数,也将为油页岩原位开采的干馏气体的处理和回收提供帮助。     

CT实验条件下油页岩内部孔裂隙分布特征

为研究油页岩样内部三维正交面孔裂隙的分布特征,利用显微CT试验分析系统,对产自大庆的油页岩样进行显微CT扫描,结果表明:经过高温热解作用后,三维正交面上孔裂隙都非常发育,可作为热解产出油气的渗流通道,但分布特征却存在较明显差异,表现在孔隙度、空隙团、空隙团数量分形维数3个方面的参数值差异较大.与XOZ和YOZ面比较,在XOY面上,70层图像的孔隙度分布较均匀,空隙团的结构较规则.在油页岩原位注蒸气开采中,XOY面可作为为较适合的注热方向.     

冻融循环下土石混合体-混凝土界面剪切特性及孔隙结构演化特征试验研究

为探明冻融循环下寒区土石混合体-混凝土界面强度劣化机制,首先,通过核磁共振(NMR)分层测试获取界面区孔隙结构演化特征;其次,考虑冻融循环次数、含石率、法向应力的影响开展直剪试验,以探究界面剪切力学特性;同时,基于分形理论定量评价界面区孔隙结构特征;最后,结合界面区孔隙结构演化特征与界面强度劣化规律揭示界面强度劣化机理。研究结果表明：土石混合体层及界面层T₂谱分布均有2个峰值,随冻融次数增加向右发生偏移,反映了冻融过程孔隙结构的演化特性;界面剪切应力-位移曲线表现为应变软化型,界面抗剪强度及黏聚力随冻融次数增加呈现急剧下降、反翘、缓慢下降3个阶段;分形维数随冻融次数的增加呈先增大后减小趋势,随含石率的增加而增大;第1次冻融循环后,界面区土颗粒聚集成较大的团聚体,界面层孔隙体积增大,孔隙复杂程度变大,界面整体性下降,经历5次冻融后,团聚的土颗粒逐渐变脆破碎导致骨架塌落、孔隙体积减小,界面处黏结力增大,称第5次冻融循环为骨架结构变形“分水岭”,之后随冻融次数的增加碎石外部的土颗粒逐渐剥落,界面区孔隙体积增大,界面逐渐脱黏劣化。     

煤体采动裂隙场演化与瓦斯渗流耦合数值模拟

对FLAC3D的自带Mohr-Coulomb模型进行了修改,利用VC++6.0编译出Frac.dll。利用现场煤体采动裂隙观测结果作为初始裂隙状态,对采动裂隙扩展、交叉过程进行全程模拟。同时对此过程中的瓦斯流动情况进行研究。通过与现场实测数据对比,模拟结果与实测值不仅在数值上符合较好,而且分布规律和变化趋势也很一致。     

油页岩孔裂隙结构随温度演化规律细观研究

为研究不同温度下油页岩细观结构的演化规律,利用显微CT试验分析系统,对产自抚顺的油页岩样进行显微CT扫描,结果表明:随着温度升高,试件内裂隙结构经历了"生成—闭合—再发育"的三个阶段,但整个油页岩试件的空隙率一直增大.选取含裂隙的局部区域作为研究对象,在100℃～300℃内,裂隙逐渐闭合导致区域内空隙团的数量增加但空隙团总体积减小;300℃～600℃内裂隙重新开裂并不断发育延伸,区域内大部分空隙团得以连通,空隙团数量减小但总体积增大.     

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。     

双轴加载下大尺寸岩石裂隙演化规律试验

为准确掌握深部岩体的破裂过程中失稳机制,对大尺寸试样进行了不同加载速率下的双轴加载试验,分析了试件破裂过程中裂隙演化规律和声发射行为特征.在大量试验的基础上,选取了由425硅酸盐水泥、砂子(粒径≤2 mm)、石膏、高效减水剂和水组成的砂浆材料,确定了各组分的最优配比.借助岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统和PCI-2声发射监测系统,分析了不同加载速率对大尺寸试样裂隙演化的影响规律和破裂的声发射行为特征.结果表明:加载速率越大,大尺寸试样越容易产生反翼裂隙,发生突变性剪切破坏,而不同加载速率下试样破裂的声发射行为特征基本相似,当加载到90%σc时,声发射事件累计数瞬时增多,表现为裂隙的瞬时扩展贯通,导致试样最终破裂.     

煤样力学特性与内部裂隙演化关系CT实验研究

为了观测煤样内部结构变化和裂隙演化过程,应用X射线工业CT对煤样在单轴加载不同阶段进行了扫描,获取了不同应力状态下CT图像。通过CT图像及其差值图像的统计特征值,分析了煤岩内部裂隙演化与宏观变形间的关系。分析表明:煤样CT图像灰度统计特征值的变化反映试件内部的密度变化,间接反映了试样中裂隙的发育发展过程;将CT图像中每个体素作为研究对象,CT的差值图像表征了试件内部裂隙缺陷体积的演化;CT差值图像的均值与方差更能体现宏观变形不同阶段内部裂隙的相应变化。     

准噶尔盆地西北缘侏罗系储层成岩作用及孔隙演化

对准噶尔盆地侏罗系砂岩储层成岩作用过程的研究结果表明 ,储层的孔隙演化主要与压实作用、溶蚀作用和胶结作用等有密切的关系。压实作用和方解石胶结作用是使原生孔隙遭受破坏的主要成岩作用类型 ;方解石和粘土矿物的溶蚀作用是形成次生孔隙的主要成岩作用类型 ;高岭石的后期充填是使次生孔隙遭受破坏的主要原因。各种成岩作用的时空配置关系控制着孔隙的发育程度 ;储层孔隙发育具垂向分带性。在纵向上可划分出 4个孔隙发育带 ,这对预测本区侏罗系储层物性的空间分布具有重要意义。     

基于嵌套思路的饱和孔隙-裂隙介质本构理论

为了指导本构建模工作,需要建立饱和孔隙-裂隙介质的一般本构理论框架.首先,从混合物理论和嵌套思路出发,获得饱和孔隙-裂隙介质的能量平衡方程.其次,根据热力学功共轭特性确定了饱和孔隙-裂隙介质本构方程的应变状态变量和应力状态变量.再次,根据热力学局部平衡假定,获得饱和孔隙-裂隙介质的自由能势函数一般本构方程.最后,从一般自由能势函数本构方程出发,获得孔隙骨架和裂隙骨架变形相互耦合的各向同性线弹性方程.当孔隙骨架和裂隙骨架变形解耦时,该方程能够退化到Khalili线弹性方程.研究表明,在小应变情况下固相应变可分解为裂隙骨架应变、孔隙骨架应变与固相材料体应变之和;当混合物均匀化响应原理成立和流相材料本构模型与单相一致时,裂隙骨架应变、孔隙骨架应变、固相材料体应变、裂隙流相材料体应变和孔隙流相材料体应变分别唯一决定裂隙介质有效应力、孔隙介质有效应力、固相材料真实压力、裂隙孔压和孔隙孔压;当自由能函数是状态变量的二次函数时,可获得线弹性本构模型.     

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。     

油页岩原位注蒸汽开发的固-流-热-化学耦合数学模型研究

针对目前传统地面干馏油页岩技术中存在的高成本、高污染问题,提出了对油页岩进行原位注蒸汽开发的新方法.并利用太原理工大学研制的高温高压干馏釜对油页岩进行了高温高压蒸汽作用下油页岩干馏渗透实验.结果表明:高温高压蒸汽作用下油页岩会产生大量的孔隙、裂隙,从根本上提高了油页岩的渗透性;主要利用对流传热的方式,高效率地加热了油页岩并带走页岩油.同时,在复杂理论分析的基础上建立了油页岩原位注蒸汽开发过程中的固、流、热、化学耦合数学模型,包含了众多的耦合项作用,为分析解决油页岩原位注蒸汽开发过程中的复杂物理化学过程提供了理论依据.     

对陆梁油田储层成岩作用与孔隙演化

对陆梁油田白垩系及侏罗系储层成岩作用过程进行了研究,主要从储层的孔隙演化的影响因素进行了分析。研究结果对预测本区储层物性的空间分布具有重要意义。     

含裂隙类岩石试样单轴抗压强度特征及裂纹演化规律

通过研究含复杂裂隙岩体性质,甄别岩体中关键裂隙,进而简化裂隙网络.基于3D打印技术制备含裂隙类岩石试样,利用数字图像相关(DIC)技术和颗粒流软件PFC研究了试样应变场变化、试样内局部应力分布状态和破裂模式.研究结果表明:1)相较于完整试样,含水平裂隙试样的峰值强度降低了20.9%,含垂直裂隙试样的峰值强度仅降低3%左右,水平裂隙对试样的劣化效果更显著;2)水平裂隙中部拉应力远超垂直裂隙端部应力,因此含水平裂隙试样更易且更早产生拉伸裂纹,导致含水平裂隙试样强度低于含垂直裂隙试样强度;3)当十字交叉裂隙中垂直裂隙长度为水平裂隙长度的1~2倍时,十字交叉裂隙中的水平裂隙是控制试样裂纹演化及强度特征的关键裂隙,因此十字交叉裂隙可简化为水平裂隙.