热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构关系研究

 热力耦合作用下岩石的微观结构的变化是引起宏观力学变化的主要原因,从热力耦合作用下花岗岩的流变机制研究出发,建立热力耦合作用下花岗岩的流变模型,从而推导流变本构方程是一种可行的方法。通过热力耦合作用下花岗岩的流变机制研究可知：(1) 花岗岩是一种由多种成分构成的具有多晶复合介质特点的脆性坚硬岩石,具有很大的非均质性,内部微观结构可分为晶粒、晶粒边界、晶间胶结物及晶间孔隙,这样的组分和结构将决定花岗岩在热力耦合作用下的流变特性。(2) 热力耦合作用下花岗岩流变现象主要是热力耦合作用下岩体内晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,即温度产生的热破裂和应力产生损伤破裂的复合破裂过程,微观结构上的变化使得标志着热力耦合作用下宏观力学特性的力学参数成为温度的函数。因此,将岩石现象流变学与物理流变学结合起来,提出热力耦合作用下岩石热黏弹塑性流变元件力学元件,在广义西原模型的基础上建立热力耦合作用下花岗岩流变模型,推导出可描述150 MPa及600 ℃以内花岗岩的流变本构方程,用试验结果验证了其适用性和合理性。热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构方程的建立为高温岩体地热开发钻井施工及其稳定性研究提供了依据。     

高温4 000 m静水压力下钻进过程中花岗岩体变形特征

为从高温岩体中提取热能,需向热能储层花岗岩层中施工深部钻孔,钻孔的稳定性将影响钻井施工的进展,但钻孔的稳定性又受其围岩变形的影响.因此,为研究高温高压下钻孔围岩的变形特性,利用中国矿业大学600 ℃ 20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统,模拟研究4 000 m静水压力下,不同温度时钻孔施工过程中花岗岩体的变形特征,结果表明:(1) 恒温恒压下花岗岩体钻进过程中的变形呈现明显的蠕变特征,轴向和侧向变形均具有完整的初始蠕变和稳态蠕变;(2) 不同温度下钻进过程中花岗岩轴向和侧向变形量随温度的增加而增大,且存在温度阈值,为150 ℃～300 ℃;(3) 4 000 m静水压力下花岗岩体钻进过程中,300 ℃时开始出现明显的加速蠕变过程,500 ℃时产生蠕变破坏.     

裂隙倾角对水中高压电脉冲致裂煤岩体效果的影响

为了探究裂隙倾斜角度对水中高压电脉冲致裂煤岩体效果的影响,采用含有预制中心孔和平行预制裂隙的煤岩体相似试样,以预制裂隙倾角为变量进行了真三轴水中高压电脉冲致裂试验,基于试验结果分析了裂纹扩展特征.利用颗粒流程序进行模拟,进一步研究了裂隙倾角对裂纹扩展特征的影响。研究结果表明:围压作用下,平行裂隙之间的区域应力降低,裂隙两端产生了应力集中,在冲击载荷的作用下裂纹更容易在应力降低区域产生并向应力集中区延伸;随着裂隙倾角的增大,裂隙对应力波能量的消耗先增加后减小,裂纹长度和宽度呈现先增加后减小的趋势;在高压电脉冲的作用下,试样在中心孔处、预制裂隙两端和预制裂隙内侧生成微裂纹,随着应力波在裂隙处发生反射和衍射,应力集中区域发生转移,在这个过程中微裂纹发展成宏观裂纹使裂隙与中心孔连通.研究结果为高压电脉冲致裂技术在工程上运用和钻孔位置的合理选取提供了依据。     

高温高压条件下花岗岩切削破碎试验研究

 为了达到最接近实际工程的试验效果,采用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,设计了精确的加压和旋转系统,操作控制比较方便,测量数据准确。利用大尺寸(f 200 mm×400 mm)花岗岩试样和工程钻头(f 30 mm的PDC钻头),使试验条件更加接近实际工程情况,开创了该类大试样试验的先河。通过正交试验研究花岗岩在高温高压状态下的切削破碎规律,得出以下结论：(1) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,花岗岩的可切削性逐渐增强,在超过一定的钻压时,切削速度随着温度的升高而明显增大,在755 N钻压下,300 ℃的切削速度比室温时增大30%～50%;(2) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,单位破岩能耗明显降低,在钻压为755 N时,300 ℃时的单位破岩能耗比室温时降低20%～30%;(3) 在高温高压环境下,切削速度随着钻压或转速的增大而增大;单位破岩能耗随着转速的增大而增大,随着钻压的增大而减小,与室温无围压状态下的切削破碎规律基本一致;(4) 由于花岗岩在此温压范围内属于渐进破坏,抗压强度下降缓慢,如果钻压太低则切削速度和单位破岩能耗受温度影响很小,为了在高温下取得对花岗岩的良好切削效果,钻压需要超过一定的值。     

花岗岩高温高压条件下冲击凿岩规律试验研究

利用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”、大尺寸（200 mm×400 mm）花岗岩试样研究了花岗岩在高温高压状态下的冲击凿岩规律。研究结果表明,随着温度升高凿岩速度增大,当温度超过约150 ℃时,岩石裂隙数量增多,并且呈现出一定的塑性变形特征,不利于冲击能量的充分利用,冲击凿岩适用于钻进较低温度下（不超过１５0 ℃左右）的坚硬岩层;在高围压状态,冲击凿岩的单位破岩能耗随着温度升高而降低;在高温高压环境下,在一定钻压和冲击功率范围内,凿岩速度随着钻压或冲击功率的增大而增大,单位破岩能耗随着钻压的增大而减小。     

基于MATLAB的FDTD两种常见吸收边界条件的编程

本文介绍了时域有限差分法的基本原理。结合两种常见的吸收边界条件，以具体模型为例，阐述了基于MATLAB编程的基本流程，并给出了用MATLAB绘制的场图。     

脉冲荷载作用下煤体裂纹扩展研究

针对低渗透性煤层抽采煤层气效率低的问题,基于断裂力学裂缝应力强度因子理论,通过RFPA-Dynamic数值模拟对煤体试件在模拟地应力作用下煤样裂缝周边应力和裂缝扩展规律进行了分析,采用高压电脉冲水力压裂技术和CT扫描技术对煤体进行了压裂试验并对产生裂缝的效果及裂缝的延展演化规律进行了研究。研究表明:原煤样质地坚硬,原生节理不发育;在静水压力和高压电脉冲冲击荷载作用下煤样易产生疲劳损伤破坏,煤样有贯穿性主裂纹和分支性裂纹产生,裂纹数量多,延伸长度长,宽度较宽;在高压脉冲波作用下裂纹尖端拉应力较大,出现了应力集中现象,裂纹易产生、易发展;表明高压电脉冲水力压裂煤体效果明显,方法有效,技术可行。     

锚杆无损检测反射信号分形分析及其应用研究

为了避免锚杆无损检测过程中反射信号特征点难以识别的问题,将分形维数中的盒维数引入到锚杆无损检测反射信号的分析之中。为研究锚杆极限承载力与盒维数的关系,通过设置干沙填充的缺陷段、制作不同配比的锚固剂分别从锚固缺陷程度和锚固剂性质两个角度来进行研究。在古交东曲矿井下实地进行了锚杆反射信号的采集并在分析完成后进行了拉拔检测。结果表明：锚杆中的缺陷数目越多,极限承载力越小,响应曲线盒维数越高;锚固剂性质随含砂率增高而改变,极限承载力先增高后降低,响应曲线盒维数增大;在矿区同段巷道内（锚固剂性质相同）,响应曲线盒维数越大,工作荷载越大,锚固极限承载力则呈现变小的趋势。     

基于PFC~(2D)的等能量冲击波致裂岩体数值仿真研究

以炸药爆炸及水中脉冲放电爆炸等技术在油气井致裂过程中的应用为背景,借助离散元颗粒流计算软件PFC~(2D),从岩体的裂隙扩展及其内部的振动衰减2方面研究了具有相同能量、不同特征的冲击波对岩体的致裂作用规律。     

水中高压电脉冲放电致裂不同强度煤体效果研究

为探明高压脉冲放电技术对不同物理力学特性煤体的致裂效果,用相似材料替代煤岩地层,运用高压脉冲放电系统对不同强度的相似材料进行水中放电致裂实验并分析致裂效果。研究表明:宏观来看,试样强度越大,形成贯通裂纹所需脉冲放电次数越多,所需要的能量也就越大;试样强度越小,形成贯通裂纹后的试样钻孔内部裂隙发育越丰富。裂纹的扩展程度都呈现三个阶段,即准备阶段、发展阶段和破环阶段;但随着试样强度的增大,准备阶段的次数增加,即需要更大能量为发展阶段做准备。裂纹的扩展速度都呈现出"慢-快-慢"的趋势。微观上来看,钻孔周围的裂纹随实验次数增加明显变宽,直至破碎,而这种现象随着距钻孔的距离越大越不明显。