真三轴条件下砂岩强度、变形及破坏特征试验研究

研究真三轴应力状态下岩石强度、变形及破坏模式对于科学准确地预测和评价地下岩石工程稳定性具有重要的意义。通过自主研制的真三轴电液伺服控制系统开展一系列砂岩真三轴加载试验,结合CT扫描技术,系统研究了不同中间主应力影响下砂岩强度、变形及破裂特征。研究发现:随着中间主应力的增加,砂岩强度呈先增加后减小的趋势;中间主应力的增加促使该加载方向变形逐渐受到抑制,侧向膨胀主要沿最小主应力加载方向,并出现先减小后明显加快的趋势,中间主应力由对岩石的保护作用逐渐演变为损伤作用;真三轴条件下,岩样内部出现两条规则的破裂面,裂纹面沿着σ2方向,倾向于σ3方向,整体破裂形态较规整,岩样破裂面表面积随中间主应力的增加呈先减小后增加的趋势。本文研究成果对于更深入的理解真三轴条件下砂岩力学行为及破坏特征有一定的意义。     

热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度

利用600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机测量了"鲁灰"花岗岩(200 mm×400 mm)在三轴应力作用下升温过程中渗透率的变化。发现热破裂花岗岩的渗透率随温度变化存在一个临界温度Tc,即300℃。低于该临界温度时,渗透率较小,其量级为10-19m2,并且增幅较小;高于该温度后,渗透率出现了突变,且增幅较大,300~400℃,其数值增加一个量级,为10-18m2;在400℃时,渗透率的数量级增大至10-17m2。同时采用MPV-SP显微光度计定量地研究了"鲁灰"花岗岩试样20~400℃热破裂过程中裂纹数量的变化。长度大于5μm(即l5μm)和长度大于10μm(即l10μm)的微裂纹数量出现两个峰值,并且l5μm的微裂纹数量变化的峰值温度均小于l10μm的微裂纹数量变化的峰值温度;300℃后l10μm的微裂纹数量增加较快,其增加速率约1个/10℃。300℃后微裂纹的快速增加是导致热破裂花岗岩渗透率突然增加的主要原因。     

地应力及氮气长期作用下焦煤渗透特性的演化

松软低渗透高瓦斯煤层瓦斯抽采是矿井瓦斯抽采的难点,该类煤层极低的渗透性是地应力和高瓦斯压力长期共同作用的结果。为研究地应力和气体压力长期作用对煤层渗透性的影响,采用岩石三轴渗流仪研究了山西典型焦煤在三轴应力及氮气孔隙压力长期作用下的渗流特性。结果表明:在400m埋深地层应力(轴压、围压均为10MPa)和氮气孔隙压力(6 MPa)长期作用下,焦煤原始渗透率为10~(-17)～10~(-21) m~2,低于10~(-14)～10~(-16) m~2,为低渗煤层;但初始渗透存在一临界值:约为2.0×10~(-19) m~2。初始渗透率高于2.0×10~(-19) m~2,焦煤渗透率先增加后降低,而后趋于平稳,平稳后的渗透率低于初始渗透率;初始渗透率低于2.0×10~(-19) m~2焦煤渗透率呈抛物线式减少,后趋于平稳;试验后试样明显破碎,可见宏观裂缝且数量明显增多。     

高家堡煤矿冻岩单轴压缩力学性质试验研究

基于岩石低温损伤问题,为进一步研究砂岩低温下物理力学性质变化,对高家堡煤矿525,657和782 m深度层位砂岩,进行了不同低温(-15～-5℃)下的单轴压缩试验,观察3个深度层位砂岩在不同低温下的单轴压缩后的破坏模式,并分析应力、应变变化规律以及单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化规律。试验结果表明,在试验温度范围内,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比均受温度影响较大,单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低而增加,泊松比随温度的降低而减小。拟合出砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化曲线,得出结论:砂岩单轴抗压强度和弹性模量在-15～-10℃温度范围内的变化率,比在-10～-5℃温度范围内更大;而其泊松比变化率受温度影响不大。     

岩石真三轴分级加载声发射与波速演化规律试验研究

为研究岩石在真三轴分级加载过程中声发射特性与超声波波速演化规律两者间的关系,采用自主研发的岩石真三轴试验机、声发射监测系统及超声波测试系统,开展了岩石真三轴分级加载声发射定位监测及超声波测试试验。研究表明:声发射累计能量与累计计数变化趋势可作为岩石破裂前兆信息,第1阶段随着岩石压密其增幅较小;第2、3、4阶段砂岩内部裂隙开始发育其增幅缓慢增加;第5阶段为砂岩破坏的主要阶段其增幅超过80%,推断第5阶段砂岩由于应力达到峰值强度而失稳破坏。声发射定位可以很好地表征裂缝形态与扩展规律。第1、2、3阶段,砂岩内部极少产生声发射定位事件且分布较为分散。第4、5阶段,声发射定位事件大量产生并集中于最小和中间主应力方向两侧的破裂面与破碎带上。超声波波速变化对于岩石内部变形破坏以及裂缝扩展具有良好响应。加载过程岩石波速具有各向异性,最大主应力方向随岩石压密波速增加,压密程度降低波速增速降低;中间主应力方向波速随岩石压密升高,之后随岩石形成破裂面降低;最小主应力方向波速则首先随岩石压密升高,然后随岩石形成贯通破裂面,并伴随有破碎带导致波速迅速衰减骤降至较低水平。     

原位地应力约束下煤储层自封闭作用及其成藏效应

关于煤层气叠置成藏效应的研究通常注重煤系地层层序地层格架的时空配置,对于原位地应力制约下储层的"自封闭效应"关注不足,应力场垂向转换诱导的煤储层渗透性的非单调性变化及其对储层压力、含气性等成藏特征参数的调控作用常被忽视。系统分析了黔西地区煤储层地应力场的垂向分布规律及其构造控制效应,揭示了渗透率随埋深的非指数变化规律及其在沁水、鄂东等含煤盆地的普适性,探讨了储层压力、压力系数垂向差异性分布及其与地应力-渗透率的匹配关系。黔西地区煤储层水平主应力(200～1 300 m)是埋深和构造综合作用的结果,含煤向斜轴部是水平主应力最为集中的区域。根据应力梯度垂向演变规律可以将其划分为应力挤压区(200～500 m,水平构造应力主导)、应力释放区(500～750 m,垂直应力主导)、应力过渡区(750～1 000 m,近向斜轴部)和构造集中区(1 000 m,向斜轴部低点部位,高应力区)。埋深中段的应力释放区有利于相对高渗储层的形成(平均0.2×10~(-15) m~2),在此深度区间上下(200～500 m,平均0.06×10~(-15) m~2;750 m,平均0.02×10~(-15) m~2)渗透率普遍较低。渗透率随埋深的这种非单调性变化规律具有普遍性,黔西盘关—土城向斜、比德—三塘向斜埋深中段均存在渗透率相对高值区,沁南(650～800 m)、鄂东(800～950 m)、滇东(600～800 m)、准南(600～800 m)等含煤盆地内这一现象也并不鲜见。原位条件下,低渗储层(0.1×10~(-15) m~2)的"自封闭"作用使其可以不依赖于盖层等封堵条件,即可构成层间相对独立的流体单元。例如,黔西地区200～500 m,750 m埋深段的低渗储层自封闭成藏作用显著,储层压力与埋深相关性较差,含气量与压力系数垂向呈"波动式"的无规律变化,常压、欠压、超压储层均有分布,流体压力系统叠置发育。500～750 m的相对高渗储层需外围形成致密的封堵盖层才能阻断层间的流体联系,相对于其他埋深区间更有利于形成统一的流体压力系统,储层压力随埋深增加或层位降低而单调递增,压力系数无明显波动,基本以常压储层为主,含气量随着埋深增大而增大。在同一煤层或气藏内部,储层相对致密部分也可能会封堵高孔渗部分的流体,导致流体压力系统横向上多段叠置。     

煤系砂岩真三轴试验及细观模拟研究

研究真三轴应力状态下岩石变形破坏特征及其机理,对于深地工程研究有着极高的指导价值与现实意义,结合室内真三轴试验,通过颗粒流离散元程序PFC~(3D)对真三轴应力状态下岩石的变形破坏过程进行了细观数值计算分析。研究发现:随着中间主应力的增加,煤系砂岩强度呈先增加后减小的趋势,对比数值模拟结果则为随着中间主应力的增加,拉黏结破坏百分比呈先减小后增大的趋势。岩石破坏是由其内部大量微裂纹拉伸扩展连接所引起的,往往剪切裂纹出现伴随有大量的张拉裂纹;同时总黏结破坏数曲线拐点的变化说明,中间主应力在真三轴试验条件下对岩石的破坏先起保护作用随后起加剧破坏作用。     

岩石耐温抗冻性能室内试验分析

选取灰岩、砂岩、煤岩3种常见岩性作为试验对象,展开“常温（20 ℃）～-30 ℃”、“常温（20 ℃）～1 000 ℃”的低温、高温状态渐变温度室内试验,深入了解温变条件下不同岩石试件物理参数、热物理参数、单轴抗压强度参数的整体变化规律。结果表明：① 低温变化过程中,孔隙率越大,水分析出现象越明显,岩石热导率随着温度降低呈现先增大后减小现象,在-10 ℃达到峰值;而试样单轴抗压强度随着温度降低而逐渐增加;② 高温变化过程中,在达到某一阈值温度时,质量损失率明显提升;随着温度升高,热导率稳步降低,且与温度呈近似线性关系;试样单轴抗压强度随着温度升高而逐渐降低,且在达到特征温度后,其强度值明显降低;③ 岩石结构越致密,孔隙率越低,天然强度越大,其温度影响敏感性越低,耐温抗冻性能越佳。     

低渗煤层气注热开采渗透规律研究

为分析低渗高储煤层注热开采时的渗透规律,通过实验室试验分析得出了山西许村煤矿3号煤在温度作用下渗透率发生巨变的渗透率临界阈值温度为350℃;通过理论分析得出了低渗储层注热开采的热-流-固数学模型,并基于该模型对热-流-固耦合作用下低渗储层注热开采的渗透规律进行了数值模拟研究,研究结果表明:随着注热时间的增加,储层渗透率也在不断的增大,当注热时间达到5 h时,储层渗透率较原始渗透率增加14倍左右,注热效果明显,5 h之后,注热对于储层渗透率的变化影响不大。     

柿庄南区块煤储层构造对渗透率控制关系的定量研究

基于柿庄南区块3~#煤层构造特征,结合测井资料和GSI多参数拟合,通过煤层构造曲率和渗透率的统计分析,定量研究煤储层构造对渗透率的控制关系。研究表明:煤储层构造曲率介于(0.3～2)×10~(-4)/m时,渗透率均大于0.2×10~(-3)μm~2;构造曲率低于0.3×10~(-4)/m或者高于2×10~(-4)/m时,煤储层渗透率均小于0.2×10~(-3)μm~2。煤储层构造曲率过高或过低都不利于渗透率的提高,以中等为好。