石油工程岩石强度与变形尺度效应研究现状综述与建议

岩石强度与变形存在显著的尺度效应。本文对石油工程岩石强度尺度效应根源、强度与变形尺度效应规律及影响因素进行总结分析,并对未来研究方向给出了建议。结果表明:非均质性理论和端部摩擦效应理论是解释岩石强度尺度效应根源的主要理论,但实际岩石强度必然受到二者共同制约,区别在于不同尺度岩样,起主导作用的因素不同;岩石强度与变形尺度效应规律目前仍存在较大分歧,各预测模型普适性有待提高;岩石类型、非均质度等10个因素均影响岩石强度与变形尺度效应规律;建立行业统一的测试和评价标准、开展储层条件下的岩石强度与变形尺度效应实验等6个方向是未来石油工程岩石强度与变形尺度效应的研究重点。岩石强度与变形尺度效应研究对于钻井安全和压裂设计等具有重要指导意义。     

灰岩强度的尺度效应研究

通过水口山康家湾矿采集的岩样,利用岩石力学试验机对不同直径和不同高度的灰岩进行了大量的单轴压缩试验,研究了不同高径比岩样的变形和破坏形式。结果表明:岩石高度对岩石强度峰值以前的变形特性没有显著的影响;当直径一定时,随着长度的增大,岩样的破裂形式由复杂的平行破坏变为剪切破坏。同时指出,通过增加垫块的刚度可以减小端面的摩擦效应。同时对由于取样造成的岩样强度降低的原因进行了分析。     

岩石强度理论研究

岩石强度理论是研究岩石在各种应力状况下的强度准则的理论,它表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系.由于强度理论在解决岩体工程实际问题的重要作用,所以,强度理论或强度准则是工程力学界的一个热门课题.数百年来,尽管提出了各式各样的岩石强度准则及其修正理论,但是,由于岩石材料力学性质的复杂性和非确定性,仍有许多问题没有很好地解决,各种观点之间的争鸣一直没有停止过.对于各种各样的强度理论,重要的不是公式的形式和计算,重要的是强度准则的基本思想和解决什么样的工程问题,即这个强度准则用于何处;如何应用强度准则更准确地解决工程实际问题.     

不同侧压下沉积岩石变形与强度特征

基于沉积岩石类型,系统地研究了在不同侧压条件下不同岩性岩石的力学特性。研究表明,沉积岩的变形和强度以及破坏机制与其所承受的有效侧压大小有关,不同岩性岩石的刚度和强度均随侧压的增大而增大;不同岩性岩石的应变软化性态和破坏机制也均随侧压的增大而发生转化。     

炭质泥岩单轴加载RFPA~(2D)数值模拟

通过数值模拟软件RFPA~(2D)对炭质泥岩单轴加载的力学行为进行研究。在单轴加载条件下分别模拟了岩石破坏过程、岩石凯瑟效应、不同尺寸对岩石破坏的影响。研究表明:单轴加载条件下,岩石的破坏过程与声发射情况相对应;用数值模拟验证了岩石的Kaiser效应;针对岩石不同尺寸的影响,采用高径比为2的标准试样进行模拟,发现150 mm×300 mm是岩石强度的分界点。     

复合岩石力学特性的厚度效应

通过对复合岩石在不同厚度比下的单轴压缩试验研究,作者发现;厚度效应对复合岩石的力学特性有很大的影响。本文以试验数据为基础,对复合岩石在不同厚度比下的强度特征,变形特征作了详细的讨论。     

组合煤岩试样的冲击破坏效应及其应用

煤矿冲击矿压的防治是国际岩石力学与工程界的一大世界难题,其主要原因在于缺乏有效的理论指导以及治理效果的综合检验技术。本文以不同类型的组合煤岩试样为研究对象,利用Disp-24声电测试系统测定组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的声发射、电磁辐射信号,揭示了组合煤岩试样冲击破坏过程中的声电效应。研究结果表明,组合煤岩试样中各组件的力学强度参数、冲击倾向性指数与声电信号的强度之间呈正相关关系,即弱化煤岩体中顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度就能够降低其冲击倾向性。以此,提出了冲击矿压强度的弱化控制机理以及治理效果的综合检验技术。并在徐州三河尖煤矿9202高冲击危险工作面进行了工程实践,取得了预期的效果。     

巷道围岩稳定条件初探

根据岩石长期强度特性和Mohr-Coulomb强度理论，把岩石强度划分为摩擦强度和粘结强度两部分，进而应用巷道支护的限制与稳定作用原理，推导出了考虑摩擦强度时间效应与粘结强度时间效应存在差异的巷道支护阻力计算公式，并以典型条件分析了二者对巷道支阻力的影响关系。     

关于节理面分形的探讨

给出了几种节理的分形量测方法,讨论了岩石节理粗糙性的分形模拟,分维数与JRC之间的关系,以及尺度效应对分形模拟的影响.可以说,在一定的尺度范围内,完全可以用分形定量地刻画节理的粗糙性.     

超声波预测岩石强度的一种方法

以影响岩石破坏强度的孔隙率和对应力敏感的纵波速度作为研究的主要对象．给出了岩石破坏强度与初始损伤变量（即孔隙率）和岩石破坏强度与纵波速度之间的理论公式，提供了预测岩石强度的一种理论方法。     

煤岩与顶底板岩石力学性质及对煤储层压裂的影响

基于不同地区煤岩及顶、底板岩石样品的力学性质数据,总结了主要岩石类型的力学性质特征,重点对两者力学性质的差异进行了对比研究,分析了决定岩石力学性质的主要控制因素,如岩性、孔隙特征和含水率.以此为基础讨论了两者力学性质差异对煤储层水力压裂的影响.研究表明,岩石的强度随孔隙度的增大而减小;岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与孔隙性,水分对不同岩性岩石强度的影响方式和影响程度存在差异.力学性质的差异,影响了煤层中地应力场的分布,使得煤层气井水力压裂表现出与常规储层水力压裂不同的特点.     

软岩破碎巷道大刚度二次支护稳定原理

从组成岩体的宏观和微观力学性质角度出发，分析了软岩、破碎巷道实施锚网喷二次支护后仍然破坏的原因和影响因素，应用软岩巷道支护理论，提出了一次锚网喷支护和二次料石碹支护的力学模型，分析了各自的力学特点，得出了锚喷网一次支护和大刚度高强度料石碹二次支护的支护方式，破碎、软岩巷道支护稳定原理为：一次支护让压，围岩体受力达到较低变形速率下的力学平衡，充分发挥围岩承载力，大刚度二次支护，减少巷道岩体偏应力，使巷道围岩切向应力相对降低，径向应力相对升高，促进围岩应力向稳定应力状态转化，优化了软岩巷道支护参数.通过在程村矿的软岩、破碎巷道采用二次支护实践，取得了良好的支护效果.     

岩石点荷载强度与单轴抗压强度关系研究

点荷载试验是一种在工程现场快速确定岩石单轴抗压强度的方法。自国际岩石力学协会建议采用以来,得到了广泛的研究和应用。点荷载强度指标和单轴抗压强度之间的变换关系式存在较大的不确定性,影响该关系的因素较多,例如修正系数、点荷载强度标准值等。以贵州紫金水银洞金矿多个采场顶板岩石的点荷载试验数据为基础,探讨了不规则点荷载强度指标IS和点荷载强度标准值IS(50)之间的修正系数F的变化情况,分析比较了目前常用的四种计算方法获得的点荷载强度标准值IS(50),并对点荷载强度标准值IS(50)与岩石单轴抗压强度σC进行曲线拟合和线性拟合比较,最后得到了该矿顶板的单轴抗压强度σC和点荷载强度标准值IS(50)之间的最佳关系式,这种拟合关系在该工程施工过程中得到了很好地运用,经实践证明这种关系式是可行的。     

基于Hoek-Brown准则的数值模拟计算参数的研究

数值模拟中岩体力学参数的确定是非常重要的。详细介绍了M.Georgi法和Hoek-Brown法确定岩体力学参数的基本原理,以东升庙铅锌矿的岩体力学参数确定研究为例,以室内岩石试验为基础,测出岩块试件的物理力学参数,再综合考虑岩体节理裂隙的影响,并最终确定岩体力学参数。通过用FLAC3D数值模拟软件建立该矿的矿柱回收模型,进行地表沉降位移模拟,并对该矿区2号矿体的间柱和采空区顶板的3个位置的位移模拟曲线和同等位置的位移实测曲线分别进行比较,结果表明,通过Hoek-Brown法所确定的岩体力学参数较接近实际情况,可以作为该矿间柱回收模拟的基础数据。     

焦家金矿破碎岩体岩石力学分级稳定性研究

通过对焦家金矿焦家矿区进行不同地质条件区域岩石取样,进行实验室岩石力学性质试验,分析岩石力学参数。通过采用Q系统分级法、RMR分级法和BQ分级法对矿岩体分级并进行对比,提交不同岩体分类分级,并提出在不同岩石条件下采场安全作业规格,对提高安全生产具有积极作用。     

低温条件下含水率对岩石力学特性的影响分析

在冻土地区,当岩石孔隙度较高时,冻结引起的岩石强度明显增加,因此有必要对其机理进行深入研究。本文研究了孔隙水对低温条件下饱水岩石力学性质的影响,在-170°C至室温范围内,对凝灰岩和砂岩进行了单轴压缩试验和间接拉伸试验,并结合扫描电子显微镜试验观察岩石的微观结构。研究发现并总结了孔隙水对岩石低温强化机理的影响规律。岩石强度的强化被认为是由孔隙水冻结引起的荷载分布效应和孔隙水冻结后引起的冰强度增加之间的相互作用引起的。本研究将宏观岩石力学与微观岩体结构相结合,为冻土地区岩石力学研究提供了一定的参考。     

动压软岩巷道锚注加固机理与应用研究

随着矿井开采强度不断增大和煤矿井田开采深度日益增加，软岩、动压、深井以及它们的复合型巷道的有效维护已成为制约矿井安全生产的关键问题之一．针对某矿中三轨道石门动压、软岩的复合型工程特点，从巷道的布置层位、保护煤柱设计、支护方案及受采动影响状况等方面入手，分析了石门变形破坏的原因．研究结果认为：有效改善巷道围岩体力学性能，为锚杆支护提供可靠着力基础，从而使支护体与围岩共同作用形成有效承载结构，是治理动压软岩复合型巷道的主要技术途径，并提出了“以锚注加固为基础，关键部位进行加强支护”的“非均匀支护”新技术，进一步确定了该石门主要的锚注加固技术方案和技术参数．确定的方案在现场进行了工业性试验，结果表明，该石门在受上部煤层开采影响时，围岩变形量得到了有效控制，而且围岩变形很快趋于稳定，为矿井的安全生产创造了条件，取得了良好的技术经济效益．     

亭南煤矿强膨胀性软岩巷道底臌变形力学机制

针对亭南煤矿西翼轨道大巷的底臌防治难题,运用软岩工程力学理论,分析了底板泥岩的黏土矿物成分和结构及其遇水膨胀强度软化的特性,提出了软岩巷道的底臌变形力学机制。研究结果表明：底板泥岩的黏土矿物含量高达50.9%,主要黏土矿物成分为高岭石和伊/蒙混层矿物,具有强膨胀性;泥岩遇水后的软化特性明显,在暴露20 h后,强度衰减系数为0.72,35 h时强度衰减系数为0.61,开挖后必须及时对底板泥岩进行封闭;底臌变形破坏主要受分子吸水膨胀、胶体膨胀、构造应力、工程偏应力、软弱夹层等多种因素影响,其变形力学机制为I=1\*ROMAN ABII=2\*ROMAN ABDIII=3\*ROMAN BA型;根据该复合型变形力学机制,提出了铺设干石灰粉、开挖反底拱和安装底角锚杆的综合支护对策,经现场应用,效果良好。     

破碎围岩巷道锚网索喷注耦合支护技术的研究与应用

深部软岩巷道具有非线性大变形特征,单一的支护方式难以控制。锚网喷注支护是具有锚网喷支护与注浆加固共同作用的一种耦合主动支护方式,可以改变围岩力学参数,提高围岩强度。文章结合鹤岗矿业集团兴安矿四水平中央石门返修的工程实践,分析了锚网喷注支护的工程特点。经理论分析和工程应用表明,锚网喷注支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了深部软岩巷道变形问题,是一种有效控制深部软岩巷道变形的支护形式。