不同岩石巴西劈裂强度的尺寸效应

通过对3种厚度在20～50mm不等的圆柱形岩石试样进行巴西劈裂试验,采用统计和回归的方法分析了试样厚度对岩石劈裂强度的影响,得出单轴抗压强度越大的岩石,巴西劈裂强度的尺寸效应越明显;不同岩石劈裂强度的尺寸效应各有不同,白色大理石劈裂强度随试样厚度增加呈线性减小,硅质砂岩劈裂强度随试样厚度增加呈线性增大,炭质泥岩劈裂强度随厚度增加呈指数增大.拟合这3种岩石劈裂强度与厚度关系的函数,相关系数都在0.99以上.试验结果还表明,不同岩石劈裂时横向应变和轴向应变也受试样厚度的影响,存在明显的应变尺寸效应.     

冲击倾向性煤体强度尺寸效应的影响因素研究

为理清煤体强度尺寸效应数值模拟过程中力学参数折减的原因,以强度尺寸效应作为问题切入点,通过实验室试验探讨强冲击倾向性煤体强度尺寸效应,结合最弱链理论的Weibull分布推导强度尺寸效应的理论公式,利用数值模拟研究强度尺寸效应的影响因素。研究结果表明:冲击倾向性煤体强度具有明显的尺寸效应,随着尺寸(长、宽、高)增大,强度降低,两者符合指数函数关系;概率统计分布能够表达出强度尺寸效应内在本质,指出均质度m是煤岩体强度尺寸效应的主要影响因素;数值模拟结果显示:在尺寸一定时,随着均质度增大,煤岩强度表现为上凸的增长曲线,按照强度大小变化可划分为3个阶段,即波动上升阶段、快速增长阶段、渐缓增长阶段;随着均质度增大,强度趋于收敛,极限值即为煤岩体细观尺寸强度;随着均质度增大,尺寸变化对强度的影响程度降低。     

石油工程岩石强度与变形尺度效应研究现状综述与建议

岩石强度与变形存在显著的尺度效应。本文对石油工程岩石强度尺度效应根源、强度与变形尺度效应规律及影响因素进行总结分析,并对未来研究方向给出了建议。结果表明:非均质性理论和端部摩擦效应理论是解释岩石强度尺度效应根源的主要理论,但实际岩石强度必然受到二者共同制约,区别在于不同尺度岩样,起主导作用的因素不同;岩石强度与变形尺度效应规律目前仍存在较大分歧,各预测模型普适性有待提高;岩石类型、非均质度等10个因素均影响岩石强度与变形尺度效应规律;建立行业统一的测试和评价标准、开展储层条件下的岩石强度与变形尺度效应实验等6个方向是未来石油工程岩石强度与变形尺度效应的研究重点。岩石强度与变形尺度效应研究对于钻井安全和压裂设计等具有重要指导意义。     

干湿循环作用下弱胶结岩石声发射特征试验研究

弱胶结岩石具有强度低、胶结弱、易风化、易水解和含水丰富等特点,针对干湿循环作用后引发工程岩体失稳的问题,通过弱胶结岩石单轴压缩试验和AE监测技术,对比分析了不同干湿循环作用次数后的岩样的变形破坏特征及破坏过程中声发射事件数、能量释放率、b值及熵值等参数的变化特征。研究结果表明:在干湿循环作用下弱胶结岩石强度劣化效应明显,弱胶结岩石到达峰值强度时轴向应变明显增加;不同干湿循环作用下弱胶结岩石破坏过程中声发射事件数和能量释放率变化趋势一致,在初始阶段较少,弹塑性阶段缓慢增加,峰值阶段达到最大值,而对于声发射b值在初始阶段相对较高,随之降低,弹塑性阶段再次升高,峰值阶段迅速降低,而峰后阶段b值依然相对较高,声发射熵值变化与b值变化恰好相反;随着干湿循环次数的增加,声发射参数的整体量发生明显变化,声发射事件数、能量释放率和熵值均随之降低,而声发射b值随之增加。在不同干湿循环次数作用条件下,弱胶结岩石破坏过程中的声发射多参数变化特征能够反映水对其宏观强度和细观结构物质的劣化作用及影响程度。     

分形节理抗剪强度尺寸效应的数值试验

为了研究岩石节理抗剪强度参数取值中的尺寸效应问题,采用随机分形方法,重构了岩石节理剖面线,在此基础上,应用数值直剪试验方法,研究了不同分维值岩石分形节理抗剪强度参数随节理尺寸的变化规律.数值直剪试验结果表明岩石分形节理存在消除抗剪强度参数尺寸效应的临界节理尺寸(CJS).以分维值为1.1,1.2,1.3的岩石分形节理为例,得出其抗剪强度参数CJS分别为60,70,80 cm.节理剖面线分维值越大,分形节理抗剪强度参数的尺寸效应就越显著,临界节理尺寸也越大.     

加载条件对岩石强度尺寸效应及REV的影响研究

应用岩石破裂过程分析系统RFPA,开展不同加载方式下岩石尺寸效应及其特征单元体的对比分析,探究内在规律。研究结果表明,在限制水平向位移的情况下,岩石的尺寸效应跟单轴压缩时相比,表现更为明显,其抗压强度的REV小于水平向自由边界的REV,但同等参数下岩石的单轴抗拉强度却不会表现出明显的尺寸效应,研究结果对准确测定这些加载条件下的岩石材料的实验尺寸具有一定指导意义。     

水射流辅助岩石切削过程的刀具热应力分析

建立了刀片在水射流辅助切削岩石过程中的热传导模型,并在对岩石切削过程进行热功转换分析的基础上,给出了热流密度、界面温度等边界条件的确定方法,从而建立了水射流条件下刀片的温度场模型。对刀片由于温度变化产生的热应力进行了系统分析,并给出了热应力的计算模型,并且结合计算分析了射流压力等参数对各种热应力的影响。研究表明：热应力是导致岩石切削刀具失效的主要影响因素。热应力受刀具与岩石材料热物性质、刀片尺寸、切削力、切削速度、射流压力等因素影响。水射流的存在可以大幅降低刀具的热应力,热应力的大小与射流压力p的四次方根的倒数成正比。选择合适参数可将热应力控制在临界范围内,避免刀具早期失效,延长其使用寿命。     

瓦斯压力对非均质煤岩抗压强度尺寸效应的影响

通过非均质固、气耦合数值试验的方法,研究不同瓦斯压力作用下非均质煤岩抗压强度尺寸效应的影响规律及其作用机理.研究表明：含瓦斯煤岩的抗压强度随着瓦斯压力的增加而呈非线性降低,其降低的幅度随着瓦斯压力的增加而增大;在煤岩裂纹萌生、扩展、演化过程中,通过渗流场与应力场的耦合作用,瓦斯压力降低了煤岩的有效应力,促使裂纹不同方向发育,导致应力局部集中和变形的局部化;增加煤岩的非均质性,促使煤岩均质度动态演化,使得同一均质度煤岩,瓦斯压力越大,抗压强度尺寸效应越明显,瓦斯压力对非均质煤岩抗压强度尺寸效应有显著影响.     

分形节理抗剪强度尺寸效应的数值试验

为了研究岩石节理抗剪强度参数取值中的尺寸效应问题，采用随机分形方法，重构了岩石节理剖面线，在此基础上，应用数值直剪试验方法，研究了不同分维值岩石分形节理抗剪强度参数随节理尺寸的变化规律．数值直剪试验结果表明：岩石分形节理存在消除抗剪强度参数尺寸效应的临界节理尺寸（CJS）．以分维值为1．1，1．2，1．3的岩石分形节理为例，得出其抗剪强度参数CJS分别为60，70，80cm.节理剖面线分维值越大，分形节理抗剪强度参数的尺寸效应就越显著，临界节理尺寸也越大．     

岩石准静态和动态冲击试验及尺寸效应研究

为了研究尺寸效应对材料力学性能的影响,利用MTS(材料试验系统)和SHPB(分离式霍普金森压杆)试验装置,对不同长径比石灰岩试件进行了准静态和动态冲击压缩试验.试验结果表明:准静态加载条件下,岩石试件的强度随长径比的增大而减小;而动态冲击条件下,试件长径比对强度的影响存在一个临界值.长径比低于临界值,强度随长径比的增大而减小;长径比高于临界值,强度随长径比的增大而增大.对于高于临界长径比的岩石试件,存在临界加载速度,低于临界加载速度,静态尺寸效应占主导地位;高于临界加载速度,动态尺寸效应占主导地位.     

孔隙煤体峰后应变软化及其对工作面冲击地压的影响

基于孔隙煤体SEM结构分析,在煤本构模型中引入损伤参数,结合煤块单轴应力-应变试验曲线,对煤体峰后应变软化性能与表征煤强度分布特征的Weibull参数之间的关系进行了探讨,得到Weibull参数m值与煤峰值强度后线性降模量λ之间的拟合关系,反映了煤体损伤程度对其峰后应变软化的影响。并基于能量原理,分析出煤体峰后应变软化是采煤工作面发生冲击地压的必要条件,将孔隙煤体的本构关系简化为双线性应力应变关系,结合工程实例计算了发生冲击地压时煤体峰后应变软化的临界范围与Weibull参数取值范围,对孔隙煤体峰后应变软化及其对冲击地压的影响程度做出了定量评价。     

三点弯曲作用下不同粒径组成的类岩石材料声发射特性试验研究

为探讨粒径组成对三点弯曲受拉破坏材料的声发射(AE)特性的影响规律,制备了4种粒径的类岩石材料试件,分别进行三点弯曲声发射试验,分析了各试件加载过程中的力学特性和声发射特性。研究表明:类岩石材料的三点弯曲荷载-位移曲线经历非线性和近似线性2个阶段;随着粒径的减小,峰值荷载和到达峰值荷载时的声发射累计事件数均呈增大趋势,声发射累计撞击数与声发射累计能量的比值r的最大值也呈减小趋势,说明粒径越小产生相对高能量的声发射事件越多,振铃计数的关联维数D值变化幅度呈减小趋势,同时,到达最低点时的相对荷载水平越高。r值升高后再次降低到持续的低值阶段为孕育主破裂阶段,可将D值的最低值作为主破裂前兆点。     

基于不同类型煤吸附甲烷的吸附势重要参数探讨

目前广泛使用的以饱和蒸汽压(P0)和吸附相密度(ρa)为重要参数的吸附势理论,在用于煤-甲烷吸附体系研究时,因求取虚拟饱和蒸汽压时参数k值选取随意,导致吸附行为描述精度不高。借助低中变质程度构造煤和共生非构造煤样品,通过开展煤对甲烷等温吸附实验,进行P0和ρa标定,获得相应的吸附特征曲线,并在较宽温域内对不同类型煤等温吸附曲线进行预测。研究发现,基于k值的P0计算对吸附特征曲线影响较大,不同煤样的最优k值分别为kP1N=3.2,kP1D=3.4,kP8N=3.1,kP8D=3.0。利用313 K下吸附数据预测了不同煤在243,283,303,323 K的等温吸附曲线,认为选用Amankwah公式并利用最优k值计算P0时所获得结果与实测值吻合最好。     

考虑两侧煤柱与弹性煤体基础的基本顶板初次破断特征

建立考虑两侧煤柱支撑与实体煤作为弹性基础的基本顶板初次断裂力学模型,采用差分算法及主弯矩破断准则计算研究得到如下结论。① 基本顶初始断裂位置为偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面(弹性基础系数k较小,基本顶厚度h、弹模E较大时),反之为偏较弱煤柱侧的长边实体煤区上表面;② 两侧煤柱的宽度L1,L2及支撑系数km1,km2改变时,基本顶中部区与实体煤区的主弯矩及位置几乎不改变,而两侧煤柱区的主弯矩及位置变化显著;③ E,h大,而L1,km1,L2,km2小时,基本顶在两侧煤柱区不断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧的悬顶区中部下表面→偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面,断裂特征为非对称“=-X”型;反之基本顶在煤柱区会断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面→偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面→较强煤柱区上表面→较弱煤柱区上表面,断裂特征为非对称“O-X”型;而L1,km1较小,L2,km2较大时,只较弱煤柱侧基本顶不破断,最终断裂形态为非对称“U-X”型;④ 比值k/E或k/(Eh3)不变(k,E,h改变时,km1及km2与k保持某个任意比值不变),基本顶破断规律不变。     

强矿震临界破裂阶段的岩体弹性波场

为探索井田范围较大尺度岩体破裂失稳的危险性预测,以抚顺老虎台井田为工程背景,反演连续12个月矿震弹性波的传播速度比（v_P/v_S）和质点振动振幅比（A _S/A _P）,分析强矿震临界发生阶段的弹性波场变异特征。结果显示,M_L≥1.5矿震的波场信息较敏感,在M L≥3.0（E≥1.8×10⁸J弹性能）矿震前,波速比和振幅比绝大多数存在显著的低值异常,预测M _L≥3.0矿震的信度分别为0.79和0.93,虚假异常和缺失异常较少,具有良好的应用前景。波速比和振幅比在强矿震临界破裂前存在的降低和恢复过程,可能指示能量核心区岩体的张性破裂扩容和裂隙闭合过程。     

综采工作面基本顶厚跨比对其初次断裂失稳影响规律

综采工作面基本顶初次断裂失稳机理对工作面支架选型及采场围岩稳定性控制至关重要。通过建立顶板力学模型分析得出:综采工作面基本顶初次断裂前,基本顶厚跨比从初始状态减小趋近极限状态时,其内部最大主应力σ1与最大剪应力τmax均逐渐增加;当厚跨比接近02时,σ1与τmax均出现陡增,但σ1增加速率大于τmax,易在基本顶两端顶部发生断裂,且基本顶初次断裂时极限厚跨比n1一般大于02。在不发生滑落失稳条件下,基本顶极限厚跨比n1随回转角θ的增大近似呈线性增加;证明了基本顶铰接结构回转初期(θ为0°～3°)易发生滑落失稳。在仅考虑厚跨比影响的条件下,基本顶铰接结构发生回转失稳的临界条件为极限厚跨比n1=0624。然而,当n1<0624时,回转极限平衡角大于岩块回转平衡角所允许的最小值时,亦会造成铰接结构回转失稳。同时,在考虑支架弹性变形的基础上,建立了基本顶铰接结构滑落失稳对工作面支架动载系数计算方法,当直接顶与基本顶离层量Δh为0时,动载系数Fsd取最小值;Δh不为0时,Fsd随Δh增加而增大,但随直接顶与支架刚度之比、直接顶自重与基本顶传递载荷之比增加而减少。最后,通过对不同综采工作面初次来压时支架工作阻力与动载系数进行计算,验证了理论分析的有效性。     

采场前方应力分布参数的分析与模拟计算

从微观岩体力学模型入手,分析了采场前方应力集中峰位置分布计算公式中的煤体强度a₀,应力集中系数k和摩擦因素f_s等3个关键参数,指出它们是随着工作面推进而动态变化的参数;确定了公式中a₀在不同区段的取值(如破坏区、塑性区和弹性区依次取值为σ*_c,σ_c和σ_c)和计算公式,指出σ*_c,σ_c和σ_c等3个值之间存在过渡数值.在此基础上,进行了相关模拟计算和对比分析,结果显示,工作面推进过程中出现的破碎区宽度大于塑性区宽度.     

烟煤粘结指数样品稳定性的研究

研究了烟煤粘结指数（G样品在不同保存方式下（常温、冷藏和除氧保存1 a的稳定性及其原因.研究表明,在常温下保存1 a不同量值的G煤样,其G值均有明显变化.在冷藏2～4 ℃下保存1 a,不同G值煤样的稳定性均比常温下好.若除氧保存1 a,各种煤样的G值可认为没有变化.开封后反复使用的样品的G值稳定性（冷藏保存比在相同保存条件下的无反复使用的样品略差.     

温度对煤吸附性能的影响

为了研究温度对煤体吸附甲烷性能的影响,采用WY-98B型吸附常数测定仪,选取了含气量较高矿井的3种煤样,进行了不同温度下吸附甲烷的等温线测试,并据此拟合出了温度与Langmuir吸附常数a的曲线方程.利用计算煤表面能的方法,推导出了温度与Langmuir吸附常数b的关系.实验及计算结果表明：随着吸附温度的升高,煤体吸附甲烷量变小,压力越大这种变化趋势越大;Langmuir常数a随温度的增大而减小,吸附量越大的煤样,其吸附常数a随温度变化的剧烈程度越大;Langmuir常数b与温度的关系依赖于吸附温度T、吸附平衡时的压强p_t以及煤自身物理性能所决定的常数k;在一定温度范围内,温度对吸附常数的影响可以用具体的函数关系式表示.     

基于方位AVO正演的HTI构造煤裂隙可探测性分析

通过建立6类HTI构造煤的理论模型,利用Hudson等效介质理论和Schoenberg所定义的传播矩阵,正演煤层顶板的方位AVO记录,最终获得了6类模型的多方位AVO记录。通过对HTI构造煤方位AVO曲线的分析可知：① 不同方位AVO曲线的P值为小于零的常量,G值较大并随方位角φ的增大而减小（φ∈[0,90°\]）;②当裂隙密度增大时,P值减小,G值增大;③ 相对于泥岩顶板来说,砂岩顶板的P值较小,G值较大。通过对HTI构造煤GVAz曲线的分析可知：① GVAz曲线的周期为180°,并在裂隙法向方位取最小值;② 随着裂隙密度的增大,GVAz曲线的波幅相应增大;③ 当裂隙水填充时,GVAz曲线的波幅大于裂隙气填充时的情形。因此,方位AVO的P值可以被用来识别煤层的顶板岩性,GVAz曲线的极值和波幅可分别用来获得裂隙发育法向和裂隙密度信息。就实际地震数据来说,较高信噪比（＞5）是进行方位AVO分析的前提。