高温石灰岩膨胀应力的试验研究

为保证高温过程中岩石工程的稳定性和安全性并解决煤炭地下气化过程中气化炉围岩的维护问题,采用高温加热炉和扫描电子显微镜研究了高温双向约束条件下石灰岩膨胀应力的变化规律.试验结果表明:石灰岩的膨胀应力随温度的增加逐渐增大,恒温结束时石灰岩的膨胀应力为刚达到该温度时初始值的1.2～1.7倍;各温度段之间石灰岩膨胀应力和加热温度近似呈线性关系,并且各温度段的曲线斜率逐步增大,恒温60 min后膨胀应力趋于各温度水平的稳定值;高温过程中,石灰岩膨胀应力经历了3个阶段:加热升温阶段、恒温膨胀应力增大阶段、膨胀应力稳定阶段;高温过程中石灰岩膨胀应力的变化与其微观结构变化密切相关.     

平顶山天安二矿石灰岩膨胀应力的试验研究

为了保证高温过程中岩石工程的稳定性和安全性,采用高温加热炉和扫描电子显微镜研究了高温双向约束条件下石灰岩膨胀应力的变化规律.试验结果表明,加热过程中石灰岩的膨胀应力随加热时间的增加而增加,各温度段之间呈现明显的线性关系,曲线斜率依次增大,不同温度水平曲线的转折点不同.随着温度的升高,石灰岩的膨胀应力不断增加,500℃后增加速度加快.恒温后,膨胀应力和加温时间关系曲线的斜率逐渐减小,但曲线仍平缓上升.高温过程中石灰岩膨胀应力的变化与其微观结构变化密切相关.     

TBM盘形滚刀切削饱水岩石试验研究

为了研究不同类型(软岩-硬岩,高孔隙率-低孔隙率)岩石饱水情况下全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀的切削特性,选用砂岩、花岗岩、板岩、石灰华、混凝土5种岩石开展干燥条件与饱水条件下的滚刀切削破碎试验和破碎块筛分实验,并利用三向力传感器对侵入过程中的侵入力进行测定.对比分析滚刀切削过程的侵入力-侵深曲线、破碎块特征以及破碎比能耗等规律.试验结果表明:饱水后岩石强度下降6%~27%;饱水后岩石侵入系数较干燥条件下的降幅与岩石吸水率呈正相关性,Pearson相关系数为0.957;混凝土和石灰华干燥条件下瞬间破碎,而在饱水条件下抑制了裂纹的扩展;饱水后岩石破碎块度增大,硬岩在饱水后的破岩量下降,软岩破岩量增加;饱水后硬岩破碎的比能耗下降明显,平均下降37.8%,软岩的破碎比能耗上升,其中混凝土饱水后比能耗升高20%,石灰华升高81.6%.     

酸性溶液中砂岩声波特性变化规律的试验研究

波速与岩石的物理力学参数具有较好的相关性,超声波检测技术被越来越多的应用到岩石物理性质的研究中.利用超声波检测技术的纵波波速、振幅以及频谱图等参数,对砂岩在不同HCl溶液和H_2SO_4溶液浸泡时段的波速变化规律进行了跟踪研究.实验发现酸对砂岩的腐蚀速率呈现出一定的阶段性特征;酸性较强时,酸的种类对腐蚀影响较大,酸性较弱时,酸的浓度对腐蚀影响较大;腐蚀后,烘干试样孔隙率增大波速下降,下降最高为2.5%,而浸泡试样孔隙被液体填充后砂岩试样趋于均匀,从而使波速增大,最大变化率为16.65%;HCl和H_2SO_4溶液中试样的振幅变化规律与波速相似,呈现一定的阶段性特性,其中HCl溶液中试样的振幅下降66.7%,而H_2SO_4溶液为57.9%;经腐蚀后试样波形发生畸变,主频衰减,HCl溶液浸泡试样波形变化和主频衰减程度较大于H_2SO_4溶液浸泡试样.     

大孔隙率砂岩的试验研究

对大孔隙率砂岩在不同饱和液体情况下的力学特性进行了试验研究,以两种破坏理论对大孔隙率砂岩的破坏特征进行了解释.试验证明:大孔隙率砂岩存在临界围压,随着围压的变化,大孔隙率岩石以压剪破坏为主逐渐转化为以孔隙坍塌破坏为主;在油水转化过程中,也存在临界饱和度,超过此临界饱和度,岩石力学性质发生较大改变.     

煤巷顶板锚固孔钻进钻杆振动机理与特征分析

基于煤巷顶板锚固孔钻进过程中钻杆存在横向振动、纵向振动、扭转振动,且岩石的响应力与反扭矩是钻杆发生3种振动的主要原因.利用数值计算方法,对λ=1.0~1.5条件下,煤巷顶板几种常见的岩石模拟钻进,获取了4种岩石对钻杆的响应力与反扭矩,并得到了钻杆的振动特征,发现应力状态的改变对钻杆振动特征影响不明显,钻杆在砂岩中钻进时主要振动形式以横向振动为主,在砂质泥岩中钻进时以纵向振动为主,在泥岩和软弱夹层中钻进时以扭转振动为主.钻杆横向和纵向振动响应频率按由大到小顺序依次为:砂岩、砂质泥岩、泥岩、软弱夹层.扭转振动响应频率按由大到小顺序依次为:泥岩、砂岩、砂质泥岩、软弱夹层.     

3种条件下砂岩超声波波速的试验研究

利用自行研制的岩石高温加热装置,对砂岩试件单向约束、双向约束、无约束3种试验条件下高温前后的纵波波速进行试验研究.结果表明:单向约束试验中,随着温度的升高,砂岩Y,Z方向波速与温度的关系曲线基本成二次函数变化,X方向近似直线下降,700℃时砂岩波速降到了2.096km/s;双向约束试验中,砂岩3个方向的纵波波速随温度升高均呈直线下降;700℃时双向约束试验中砂岩纵波波速最多下降了51.793%,无约束试验中1 200℃时砂岩纵波波速最多下降了80%.高温作用后,岩石内部微结构发生变化,温度越高变化越大,主要表现为岩石内部水分不断蒸发,含水矿物的脱水、相变和岩石部分熔融,孔隙率增加,颗粒边界裂纹出现、发展、贯通,微裂隙产生、演化,矿物成分分解,胶结物强度降低,内部结构热应力扩散,矿物颗粒相互摩擦挤压等.     

酸性环境下砂岩腐蚀的渗流特性

为拓展酸性介质与砂岩之间的细观特性研究,基于数字岩心模型和格子Boltzmann方程,开展砂岩受酸腐蚀过程的加速模拟试验,分析不同酸性环境下受酸腐蚀砂岩的渗流特性。通过CT扫描设备探究受酸腐蚀砂岩内部矿物组成的结构变化;利用Image J和Avizo可视化图像处理软件建立了受酸腐蚀砂岩的数字岩心,结合格子Boltzmann方程构建出砂岩受酸腐蚀过程中的渗流模型,分析砂岩受酸腐蚀过程中内部孔隙结构和渗流特性的变化规律。研究结果表明：CT扫描试验可展示砂岩内部的矿物组成及孔隙分布,反映酸性溶液对砂岩的腐蚀程度;渗透深度随孔隙率的增大而增大,变化速率先快后慢,最后趋于稳定,说明基于Boltzmann方程构建的渗流模型对模拟砂岩受酸腐蚀过程具有较好的适用性。     

高压空化水射流破岩主要影响因素的研究

为了探讨高压空化水射流的空蚀能力与水力参数、岩石性质的相互关系及各参数影响破岩效果的内在机理,通过在不同泵压和围压条件下,针对不同孔隙率的岩石对高压空化水射流破碎岩石效果进行了一系列实验研究.结果表明:空蚀效果(空蚀质量、空蚀深度)随泵压增加成二次函数关系增加,随围压增加成二次函数关系减少;空泡云长度随泵压的增加而增大.随围压的增大而减小,并能较好的拟合成三次曲线函数关系,空泡云长度直接决定有效靶距,从而影响空蚀效果;本实验条件下,泵压在7 MPa时发生空化现象,并能破碎单轴抗压强度为96MPa的砂岩;岩石的孔隙率对空化水射流的破岩能力影响较大,孔隙率越高的岩石越容易被空化水射流破碎.     

鄂尔多斯盆地延长组地层PDC钻头钻井破岩数值研究

针对鄂尔多斯地区浅部地层,通过岩心实验获取力学参数,根据岩石力学D-P准则确定地层本构模型,利用剪切损伤原则确定失效标准。在此基础上,建立了PDC钻头动态破岩的非线性三维有限元模型,开展浅层PDC钻头破岩效率研究,进一步分析钻头破岩过程的响应机理与钻进规律。并对泥岩砂岩进行了破岩仿真,考虑了切向力随时间变化规律。计算结果表明,岩石损伤和应力分布能够反映钻头钻进过程中岩石的动态响应;在其他条件相同时,砂岩层段刀齿受力要高于泥岩层段,刀齿侧向力变化幅度大,在往复受力作用下,切削齿易于产生疲劳破坏甚至崩齿现象。以目标区块的砂岩层段为研究目标,其高效破岩的合理转速为5r/s,可在较低的能量消耗下提高钻井效率,为现场施工提供理论指导。