流量引起的注入压力变化对水力压裂效果的影响研究

为探究不同流量条件下水力压裂试件的破裂压力和裂隙扩展面积变化规律,利用真三轴水力压裂系统开展不同流量的水力压裂物理模拟实验。实验结果表明:通过压裂液流量控制注入压力变化量,流量与注入压力变化量、破裂压力呈正相关关系;泵压力曲线都经历了储液─上升─下降─稳定4个阶段,流量越大则储液时间越短、压裂曲线上升和下降的周期越短、稳定压力越高;裂隙扩展面积随流量的增加而增加,在流量为60 m L/min时裂隙扩展面积最大,压裂效果最佳,但当流量超过60 m L/min时容易产生形态单一、扩展面积小的裂隙网络,水力压裂效果会明显降低。研究结果可为水力压裂技术工艺参数的设计提供参考。     

仰斜开采覆岩移动及对地表坡体稳定性的影响

以鲁班山南矿烂田口边坡为研究对象,以相似模拟试验和数值模拟为手段,对缓斜多煤层地下开采对覆岩移动规律及顺层边坡稳定性的影响进行了研究。结果表明:倾斜地表对水平移动的影响较大,对下沉影响较小;重复开采将加剧覆岩移动且导致采空区范围逐渐扩大,移动盆地在范围、深度上逐次增大;边坡顶面因受拉应力影响产生了开采裂缝,其余部位受压应力为主;垂直方向最大应力主要位于坡体下部,靠近坡顶垂直应力逐渐减小,水平方向应力在坡体中部变化较大;煤层开采结束后的一段时间内,顶板出现了整体垮塌、地裂缝扩张;在遇降雨条件下,地表水将通过裂缝渗入软弱夹层并将其软化,滑面的力学强度将大大降低,更易因山体失稳而产生滑坡。     

基于MC准则的DP系列准则的巷道围岩塑性分析

考虑不同屈服准则对塑性区的影响,以Mohr-Coulomb屈服准则和Drucker-Prager屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,推算出巷道围岩塑性区半径和位移的解析解。研究表明,不同屈服准则对塑性区半径和位移的大小的分布均有重要影响;同时分别考虑不同内聚力、内摩擦角、原岩应力和支护阻力情况下,塑性区半径和位移的Mohr-Coulomb准则解和Drucker-Prager系列准则解的变化规律并对其进行比较。分析表明,相同条件下,塑性区半径及位移的DP3准则解最大,DP1准则解最小,DP2准则解接近于Mohr-Coulomb准则解。     

不同围压下页岩声发射及破裂前兆信息研究

对页岩进行常规三轴压缩下的声发射试验,并以时间为参考变量,得到力学与声发射参数之间的耦合关系,对其进行分析,以研究常规三轴压缩下页岩声发射特征的围压效应及其破裂前兆信息,并进一步揭示岩石破坏的微观机制,结果表明:(1)页岩声发射信号可分为4个阶段,即:原生裂纹压密阶段、平静阶段、爆发阶段、破坏阶段。(2)随着围压的升高,页岩的峰值强度随之升高,损伤强度σcd也随之升高,并且其数值约为峰值强度的91%。(3)随着围压的升高,由于破裂后的岩块之间的破裂面在凹凸处存在相互啮合啃断,岩样声发射信号在峰后残余强度阶段出现多个峰值。(4)页岩声发射RA值在主破裂发生前都有突然增大,并达到峰值的现象,预示着主破裂即将发生,因此可以将声发射RA值的突然增加作为页岩主破裂前兆信息。     

煤巷围岩分类的Fisher判别分析法

基于Fisher判别理论建立了煤巷围岩分类的Fisher判别分析(FDA)模型。选取巷道埋深、巷道跨度、采动影响系数,围岩强度、松动圈厚度和节理发育情况6个指标因子作为FDA模型的预测指标体系,以实测数据作为训练样本,获得了相应的判别函数。通过分析计算,去掉了重要性较弱的松动圈厚度1个指标,得到了4个判别函数。为了验证模型的有效性,首先利用15组实测数据作为学习样本对模型进行训练,采用回代估计法检验模型的有效性,回判的误判率为0,然后将建立的模型应用于同一地区的实际工程数据判别中,判别效果较好。结果表明,FDA模型简单、准确,是快速判别煤巷围岩分类的一种有效方法。     

基于核磁共振技术和压汞法的液氮冻融煤体孔隙结构损伤演化规律试验研究EI北大核心CSCD

为了研究液氮冻融循环作用下煤体的孔隙结构损伤演化规律,采用图像分析法、核磁共振和压汞法对液氮冻融作用下煤样的表面裂隙扩展、孔隙度、束缚水体积、自由水体积、孔容、比表面积和孔径分布的演化规律进行研究。研究结果表明:(1)随着液氮冻融循环次数的增加,煤样的原生裂隙逐渐扩展、连通并产生次生裂隙,冻融次数达到一定程度后,各孤立的裂隙相互连接形成具有主裂隙和次生裂隙的裂隙网络;(2)液氮冻融能够促进煤体孔隙发育,煤样的微孔和小孔逐渐扩展、发育连通从而形成中孔和大孔,造成煤样的孔隙连通性增强,束缚水体积比例减小,自由水体积比例增大,总孔隙度、残余孔隙度和有效孔隙度增大;(3)液氮冻融后煤样的孔隙数量增多,孔径增大,在部分区域形成孔隙密集区并连接形成微裂隙;(4)液氮冻融后煤样的总孔容和比表面积增加,孔容的变化主要集中在中孔和大孔,煤样的微小孔逐渐向中孔和大孔转化,导致煤样中孔和大孔的比例上升。     

联合改进作用距离和Dijkstra算法的复杂结构声发射定位方法及应用

声发射定位对含空区等复杂结构的连续动态安全监测具有重要意义。针对直线路径定位方法不适用于复杂结构,而常规Dijkstra搜索算法常出现局部最优路径等问题,提出了一种联合改进作用距离和Dijkstra算法的声发射定位方法,实现复杂结构下声发射的高精度定位。理论测试显示：基于改进作用距离的Dijkstra算法得到的P波传播路径长度小于等于常规作用距离的Dijkstra算法,即P波走时更为准确。理论测试和断铅试验定位测试表明：本文提出的定位方法在复杂结构声发射定位时的整体误差在0.50 cm范围之内,断铅事件平均定位误差由常规作用距离Dijkstra算法的0.95 cm下降至本文的0.54 cm。改进的声发射定位方法在复杂结构声发射定位方面具有很好的应用前景。     

碳酸盐矿物溶蚀对页岩孔隙的改造作用及其意义——以川东地区下志留统龙马溪组页岩为例

碳酸盐矿物与页岩气储层的孔隙结构密切相关,探讨二者之间的定量关系有助于深化对页岩岩石学定量表征与微米/纳米尺度孔隙改造等的认识。为此选取四川盆地东部彭水地区下志留统龙马溪组页岩,开展了稀盐酸—页岩酸岩反应实验;综合利用场发射电镜、微CT以及低压氮气吸附方法,表征溶蚀前后孔隙结构;研究碳酸盐矿物对页岩储层孔隙结构的影响,进而探讨溶蚀孔的地质、工程指示意义。研究结果表明：①常温下酸岩反应120 h,碳酸盐矿物完全溶蚀而其他矿物则无明显变化;②碳酸盐矿物完全溶蚀后,出现大量孔径介于3.9~62.5 μm的溶蚀孔,溶蚀孔总体积分数占比为6.8%,与样品酸溶率数值6.9%接近,同时纳米孔的形态、体积、孔径、表面积等参数未发生明显的变化;③碳酸盐矿物完全酸溶后仅产生微米孔,而在纳米尺度未表现出增孔、扩孔现象,表明碳酸盐晶粒处于微米尺度。结论认为,基于微米级溶蚀孔的图像统计参数,可以有效反演碳酸盐矿物的微观分布、形貌、数量、粒径等特征参数,为页岩岩石学定量研究提供了一种新的方法,同时该溶蚀孔协同水力压裂缝网,有助于加速页岩气的产出。