岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

FSD耦合模型在多孔水压致裂试验中的应用

运用以渗流、应力、损伤耦合模型(FSD-Model)为基础的岩石破裂过程分析(RFPA)系统，对非对称孔隙压力梯度下非均匀岩石多孔水压致裂过程中的裂缝扩展模式进行了数值模拟研究。数值模拟再现了水压致裂过程中岩石由细观微破裂到宏观破坏的演化过程，并且与试验结果表现出了较好的一致性。研究结果表明，水压致裂过程中裂纹的扩展模式和压裂压力都受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小和宏观上孔隙水压梯度分布的影响，裂纹总是向高孔隙水压力的区域扩展，并且压裂压力随着局部孔隙水压力的增大而降低。模拟的研究结果对实际的压裂施工具有一定的参考价值。     

基于岩石长期强度特征的岩质边坡时效变形过程分析

基于对岩体流变特性的认识,从岩石材料内在物理力学性质受环境影响随时间劣化与岩石内部细观损伤积累的角度出发,通过引入岩体细观表征单元体的强度退化模型,开展岩质边坡的时效变形与破坏特征的研究。首先模拟了含顺坡软弱结构面边坡的时效破坏模式,分析了软弱结构面分布和强度劣化特性对边坡长期稳定性的影响；其次对一含有明显的软弱结构面的软硬互层岩质边坡,进行了时效变形破坏的实例分析。由于岩体的流变特性,岩体强度参数随时间的推移而逐渐衰减,致使边坡稳定程度降低。特别是对于含有明显的软弱结构面及软岩层的边坡,软弱结构面及软岩层的长期强度特性不容忽视。对含有明显的软弱结构面的软弱互层边坡蠕滑破坏的控制和治理,应在顾及时间效应的基础上,着重考虑长期强度、渗控和开挖卸荷等主要因素。研究成果可望对类似边坡的安全评价和设计提供一定的参考。     

大岗山水电站边坡抗剪岩-洞相互作用研究

大岗山水电站右岸边坡地质条件复杂,地应力较高,发育有辉绿岩脉、中倾坡外的断层、卸荷裂隙密集带等不利组合体,边坡稳定性问题极为突出。将实际微震监测技术与有限差分数值软件FLAC~(3D)结合,对抗剪洞加固前、后的边坡稳定性以及岩-洞两体的相互作用进行分析。指出边坡开挖过程中岩体空间损伤劣化的微震活动规律和可能发生坡体失稳的潜在滑动面位置。研究发现抗剪洞起到了很好的加固作用,加固后潜在滑体产生的位移几乎不到加固前的一半、坡体的安全系数提高了36.2%及微震监测得到的微震事件降低了约66.4%。     

岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究

岩石破坏的本质原因是由于内部裂隙的萌生、扩展与贯通过程。从三维的角度出发,采用细观损伤数值模拟方法,模拟单轴压缩下含预制三维表面裂纹的岩石试样的破坏过程。数值模拟得到了表面裂隙内部扩展、贯通过程,动态再现翼型裂纹、壳体裂纹的形态,探讨三维裂纹内部的受力机制,推测可能发生的断裂类型,进一步探讨三维裂纹扩展规律。研究结果表明：①反翼型裂纹并不一定萌生于预制裂纹端部,是由于翼型裂纹扩展后应力释放后的拉应力引起;②壳体裂纹的萌生与扩展阶段是由Ⅲ型加载断裂主导,而翼型裂纹扩展至一定长度之后停滞不前;③除了反翼型裂纹之外,还新发现了一种由壳体裂纹萌生出的次生裂纹,这种裂纹的扩展引起试样整体失稳崩溃;④岩石Ⅲ型加载（反平面剪切）难以获得Ⅲ型断裂破坏,壳体裂纹是由于Ⅲ型加载下的拉应力引起,实际上属于Ⅰ型与Ⅱ型复合裂纹;⑤非均匀性对岩石表面裂纹扩展影响很大,相对均匀岩石中难以出现曲线翼型裂纹或反翼裂纹。研究结果对于岩石三维裂隙扩展机理的物理力学实验与理论分析都具有参考意义。     

自然崩落法采矿矿岩崩落过程数值模拟研究

由崩落法开采引起的矿岩崩落及其诱发的地表沉陷是一个复杂的空间与时间关系问题。以CEMI的“矿块崩落与地表沉陷模拟”项目为研究背景,利用数值模拟方法研究了深部、大规模自然崩落开采矿岩崩落的基本规律。数值模拟捕捉到了矿岩崩落过程中压力平衡拱的演化,以及裂隙萌生、扩展、贯穿岩桥的过程,研究表明,压力平衡拱的动态演化是矿岩崩落出现间歇和跳跃的内在动因,陷落角、起裂角和地表沉陷模式都受控于矿岩的崩落状态。     

水压致裂过程的三维数值模拟研究

基于RFPA数值分析方法和并行计算技术，建立了反映岩石细观损伤演化过程的三维渗流–应力–损伤耦合模型。对具有120万单元的方形岩石材料模型，进行了4组不同应力状态下水压致裂过程的三维大规模科学计算分析。计算结果分析表明：起裂压力与失稳压力并不重合，起始裂纹均为张性，裂纹扩展形式、表面平整度、走向、扩展失稳过程以及裂纹的空间分布形态受应力状态影响。当竖直方向为最大主应力方向时裂纹呈空间竖片分布，当水平应力差较大时裂纹表面形态平整，失稳到来较快；当竖直方向为最小主应力方向时裂纹的空间分布呈水平片状；不等的主应力情况下裂纹总是分布在最小主应力面内；当三向主应力相等时，裂纹起裂位置和扩展方向具有竞争趋势，空间分布不具规律，裂缝分支较多。数值模拟结果与物理实验结果有着较好的吻合，该研究对水压致裂工程设计有一定参考价值。     

储层砂岩破坏特征与脆性指数相关性影响的试验及数值研究

储层砂岩破坏特征及其脆性评价对油气田开采工程具有重要意义,针对胜利油田某油井隔层和油层砂岩岩芯,开展压缩条件下的物理试验及数值模拟。研究结果表明:储层岩芯在三轴压缩条件下的破坏模式以剪切破坏为主,同种围压的隔层岩芯脆性高于油层岩芯,脆性指数B较好地描述了岩芯脆性的变化趋势;分析了储层岩芯主要力学参数与脆性指数B的相关性,即在围压压缩条件下,岩芯峰值强度、扩容点、弹性模量、泊松比、残余强度及残余强度系数随脆性指数B的增加而降低,且用线性关系拟合各参数与脆性指数B的相关性较好;油层砂岩黏土矿物含量大于隔层砂岩是造成其脆性较高的内因,单轴压缩条件下的岩芯断面CT扫描图从细观上反映了2种岩芯脆性破坏特征的不同;在单轴压缩条件下,数值岩芯脆性随弹性模量、压拉比、内摩擦角的增加而增加,随泊松比、残余强度系数的增加而降低,与峰值强度之间的关系不大;在声发射模式上,储层砂岩以前震–主震–后震型和群震型为主,根据物理试验和数值计算结果,总结了脆性指数B与岩芯破裂声发射模式之间的内在关系,即在相同加载速率条件下,低脆性区、中脆性区和高脆性区岩芯声发射模式分别为群震型、前震–主震–后震型及主震型,通过对灰岩试样和不同种类煤体声发射模式的对比,验证了机制讨论的正确性。     

软弱夹层对深部地下洞室围岩损伤模式的影响

软弱夹层等不良结构面对深部地下洞室的围岩稳定有着重要影响,应用有限元数值分析系统RFPA对软弱夹层影响下的深部地下洞室围岩损伤演化过程进行了模拟分析,重点研究了软弱夹层的展布位置、地应力大小对洞室围岩损伤区模式的影响.分析表明,有软弱夹层时,地下洞室开挖后围岩应力分布恶化,围岩应力扰动范围增大、相应的损伤区范围增大;地应力越大时,侧压系数的大小更多地主导着洞室围岩的损伤模式.研究成果可望对深部地下洞室选址及施工设计有借鉴意义.     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性.通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关.当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张.分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值.