裂隙岩体渗流与应力耦合有限元分析

裂隙岩体中裂隙发育规模和分布规律控制了岩体的渗流特性和变形规律，从工程角度出发，忽略岩块的渗透性，假设水流只在岩体的裂隙网络中流动，以立方定律为基本公式，给出了非平行楔形裂隙渗流方程，利用裂隙变形与渗透系数之间关系的耦合机理，给出了有限元分析模型。给出的算例表明，所提出的模型是可靠的。     

裂隙岩体裂隙网络渗流模拟研究

给出了裂隙岩体渗注以的几个基本定义。将岩体裂隙网络视为一个图，利用离散数学图论中图的矩阵表示法和单一裂隙渗流的立方定律，建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型，并将该模型用于实际边坡工程岩体裂隙渗流分析。     

渗流作用下裂隙岩体冻结温度场分布规律研究

建立了渗流作用下裂隙岩体双孔冻结的数值计算模型,采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,实现了裂隙岩体冻结过程中耦合及相变问题的模拟,分析了裂隙存在对岩体冻结温度场及渗流场的影响,研究了不同渗流速度下对应的冻结温度场的分布规律.结果表明:裂隙的存在会减薄上游冻结壁厚度,等温线在冻结壁外图形成“心形”分布;渗流速度对冻结壁的发育及其交圈时间影响较大,渗流速度愈大,冻结壁发育愈慢,交圈时间愈长.在本文条件下,当渗流速度小于7 m/d时,流速与交圈时间基本呈线性关系;当渗流速度超过7m/d时,交圈时间呈现急剧增长,达到10 m/d时,交圈时间趋于无限大,即交不上圈.     

煤矿深井砂岩微裂隙水力耦合渗流机理研究

深井透水问题是煤矿安全生产的关键性影响因素之一,通过自主研发的微裂隙三轴应力渗流机理模型试验系统,采用单因素敏感度分析法,揭示粗糙度JRC、裂缝开度b、围压σ、渗透水压p0等因素对微裂隙渗流的影响;同时运用数值模拟手段再现了微裂隙渗流过程,分析了水压作用下水力扩缝演化过程。研究结果表明:对微裂隙渗流影响由强到弱的因素分别为渗透水压、粗糙度、裂缝开度、围压;水压作用下水力裂缝扩展演化过程可划分为应力累积阶段、微裂隙稳定扩展阶段。     

裂隙岩体渗流水-岩耦合数值分析

以单条平直裂隙中的水流运动规律和裂隙网络渗流模型为基础，介绍了裂隙岩体渗流场与应力场耦合非线性分析的基本原理以及两场耦合的数学模型，并说明了耦合计算方法及步骤，运用算例，通过对比分析耦合及非耦合两种情况下的渗流场等值线图，说明了在渗流场必须考虑水-岩耦合作用。     

裂隙岩体渗流耦合模型及在三峡船闸分析中的应用

根据岩体实际性状，提出了基于块裂介质和拟连续介质的裂隙岩体三维渗流耦合数学模型，并编制了三维有限元程序，最后以三峡高坡为工程算例，验证了所提出的数学模型基本上是合理、可信的。     

裂隙岩体裂隙网络渗流模型研究

给出了裂隙岩体渗流的几个基本定义。将岩体裂隙网络视为一个图，利用离散数学图论中图的矩阵表示法和单一裂隙渗流的立方定律，建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型，并将该模型用于实际边坡工程岩体裂隙渗流分析     

不同粗糙度单裂隙渗流规律研究

为了研究裂隙岩体的渗流规律,将岩体中的裂隙网络简化为单裂隙,依据Barton提出的10条JRC标准轮廓曲线,采用3D打印技术制备出含10级粗糙度(JRC=1～20)的单裂隙水泥试件,对其进行单裂隙渗流试验,研究不同粗糙度单裂隙岩体在不同围压、水压情况下的渗流规律.研究结果表明:岩体单裂隙渗流过程中,当水压和围压恒定时,...     

裂隙岩体非饱和渗流问题的研究

发展了“孔隙--裂隙”二重介质模型;研究了裂隙岩体非饱和渗流问题;推导出了裂隙岩体非饱和渗流方程;并结合边坡稳定中的渗流问题进行了分析应用。     

砂煤岩互层水力裂缝扩展规律的数值模拟研究

砂煤岩互层中都含气的情况下,采取多层联合压裂工艺进行煤层气和致密砂岩气的合采,但是地层垂向上岩石性质差异很大,地应力状态不同,从煤岩层起裂和从砂岩层起裂裂缝的形态可能会有很大的差别。采用有限元方法对砂煤岩互层中的裂缝进行了模拟研究,依据室内试验及现场数据,考虑了分层地应力、岩性差异、地层界面、施工条件的影响。采用全三维的裂缝扩展模型,分别模拟了砂岩层射孔起裂和煤层射孔起裂2种情况。结果表明,从砂岩层起裂的裂缝会在缝高方向上迅速突破煤岩层,在模型范围内,缝高大致是缝长的2倍,达不到压裂深穿透储层的目的。从煤岩层起裂的裂缝缝高方向受到砂岩层的遮挡作用,缝长较长,采取合理的施工参数裂缝可以扩展至砂岩层,推荐采取从煤层起裂的方式。并对煤层为起裂层这一情况下裂缝形态的影响因素进行了探讨,5 MPa左右的最小水平主应力差可以将裂缝限制在煤层中,地应力差为4 MPa时,存在7 m³/min的临界排量,推荐采取不小于7 m³/min的排量施工,低弹性模量、高抗拉强度、高渗透率的砂岩层有效限制了裂缝缝高方向的扩展,高黏度的压裂液有助于裂缝的穿层行为,但影响程度较弱,煤层推荐采取清水压裂液。     

等离子冲击波作用下红砂岩的动态破裂行为试验与数值模拟研究

为了研究等离子冲击波作用下岩石的破裂行为,开展了不同放电间距下的高压脉冲击穿红砂岩试验。利用超高速相机观测了红砂岩试件的裂纹扩展过程,讨论了放电间距对等离子冲击波作用下红砂岩试样表面裂纹密度的影响。随后,利用数值模拟软件LS-DYNA建立与实验条件一致的有限元模型,对比了模拟和实验结果,再现了试验过程。结果表明：等离子冲击波作用下,垂直放电通道方向的两个表面上的破坏主要是径向裂纹;平行放电通道的四个侧面则是横向裂纹占主导。随着放电间距的增大,试件表面的裂纹密度逐渐增大。依据数值模拟结果对试件内部的破裂过程及应力波的衰减进行了分析。结果表明:随着与放电间距的增加,等离子冲击波在红砂岩试样内部形成的有效应力呈现出指数型衰减,在自由面附近有效应力峰值趋于稳定。     

高温作用后岩石裂隙渗流试验及其模型分析

在油、气能源地下存储、高放核废料地质处理中,岩石的温度和裂隙渗透压力会显著地影响岩石裂隙的渗流性质。当渗透压力梯度逐渐增加时,渗流流量随之增大,使得Darcy流转变为非线性渗流。为研究高温致裂岩石裂隙渗流的基本规律,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合仪(该系统由围压、轴压和渗透水压3套相互独立的加载部分组成),在1 MPa的围压作用下,对高温作用后的岩样进行不同渗透压下的渗流试验,研究渗流流量与压力梯度的演化规律,并基于三维CT扫描技术对渗流试验后的岩样内部裂隙开度进行逐层检测,获得岩石裂纹开度统计分析以及岩石逐层孔隙率统计分布,能清楚的观测到岩石内部裂隙的网络结构,可为研究岩石多裂隙渗流提供依据。通过Forchheimer方程描述渗流流量与渗透压力梯度的关系,将渗流过程分为Darcy流与非线性渗流2个阶段,并引入非线性因子E,在实际岩体工程中大多定义E=0.1作为线性流和非线性流的分界点,从而求解出临界Darcy流的阈值和临界雷诺数。为了研究不同渗透压力下动量相对损失率的大小,采用欧拉数来计算岩石裂隙渗流的动量相对损失率。结果表明,随着渗透压力的增加,动量相对损失率呈现出先减小后增加的趋势。在某一渗透压力下,欧拉数达到极小值,表明在其压力作用下流体流动的变化率最小,对实际工程中研究高温致裂岩石裂隙渗流具有指导意义。     

高孔隙率砂岩涌水渗流场特征与注浆治理

将孔隙率引入到多孔介质达西渗流理论中的连续性方程及动量守恒方程,建立均质高孔隙率砂岩非稳定达西渗流数学模型,同时结合实际工程中的水文地质条件,采用数值模拟的方法研究了不同注浆压力下渗流场演化规律及涌水区域水流速度变化。计算结果表明:随着注浆压力的提高,浆液不断驱替砂岩中的孔隙水,有效封堵过水通道;不同注浆压力下巷道涌水区域水流速度变化显著:注浆过程中水流速度降低接近于零,注浆结束后水流速度上升最终达到稳定状态。针对地下工程中高孔隙率砂岩的涌水治理提出了"深部封堵水源、浅层注浆加固"治理原则,通过现场试验,取得了良好治理效果。     

正应力作用下北山花岗岩单裂隙几何特征对辐射流渗流行为的影响研究

岩体裂隙中的地下水渗流可能会导致采掘过程中围岩突水或支护失效。为研究北山花岗岩裂隙渗流行为,采用MTS815岩石力学试验系统开展了单裂隙辐射流渗流试验研究,获得了不同正应力条件下裂隙流量的变化规律,分析了裂隙几何特征对其渗流特性的影响。随后采用变异函数对裂隙空隙三维分布特征进行量化表征,建立了考虑裂隙空隙三维分布特征和接触率为影响因素的辐射流等效水力隙宽计算模型(CA模型)。研究结果表明:裂隙空隙三维分布特征可由三维分布系数(CA)表征,CA值越大,裂隙空隙的分布越不均匀;CA模型可定量表征裂隙等效水力隙宽与裂隙力学隙宽、接触率和空隙三维分布系数之间的函数关系。试验数据与模型计算结果具有较好的一致性,验证了CA模型的合理有效性。     

煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究

我国深部开采过程中,围岩处于显著的高应力扰动环境。动载作用下岩石拉伸力学特性的研究,是实现矿井围岩稳定性有效控制及安全生产的重要基础。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对煤层顶板砂岩进行动态巴西圆盘试验。研究结果表明：砂岩动态拉伸强度随加载速率的升高逐渐增强,这种依赖性在较高加载速率时更加显著;砂岩动态拉伸破坏经历主裂纹产生、微裂纹发育及裂纹相互贯穿3个阶段;随着加载速率的升高,试样破坏方式逐渐从单一张拉破坏逐渐发展为张拉破坏与局部剪切破坏共存,碎块平均体积逐渐减小,破坏程度逐渐提高;试验过程中,试样破坏所需的耗散能量随加载速率的升高逐渐增加,并且其占输入能量的比例逐渐提高,即砂岩破坏过程中能量利用率逐渐提高。     

单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

利用PCI-II声发射监测系统和高速摄像仪对砂岩进行单轴压缩条件下声发射试验,通过声发射参数演化信息,分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征和失稳前兆情况,揭示砂岩微裂纹时空演化规律.试验结果表明:进入屈服阶段,大于80 dB的高幅值声发射活动开始大量出现,各累积参数值在时序上出现突变拐点,呈指数上升趋势;声发射震级与能...     

砂岩全应力-应变过程气体渗透特性实验

以CO₂气体为介质,运用自制含气岩石力学试验系统对平顶山煤业集团一矿砂岩全应力-应变过程中的气体渗透特性、围压对砂岩渗透特性的影响进行了实验研究.试验结果表明：全应力-应变过程中砂岩渗透率变化具有明显的阶段性,且应变滞后性明显;峰后砂岩渗透率明显大于其起始渗透率;随着围压的增加,相同应变下砂岩试件的渗透率呈减小趋势,砂岩渗透率的变化率也趋于减小.     

破碎岩体压实渗透非稳态规律的试验研究

破碎岩体中的渗流严格意义上是非稳态的。本文通过定义非稳态因子 ,试验研究了不同岩性不同粒径破碎岩石的非稳态渗流特性规律。另外 ,也讨论了非稳态因子在渗流分析中的应用     

渗流地层人工冻结温度场和渗流场之数值研究

提出了地层冻结过程的渗流场和温度场的耦合机理和渗透系数的耦合作用，建立了冻土和融土统一的微分方程数学模型，对冻、融土的热参数渗流系数进行了光滑的曲线回归，解决了非线性耦合有限元数值计算难题，实现了渗流地层人工冻结过程的数值仿真技术，数字可视化地研究了在渗流作用下的井筒冻结温度场和渗流场分布和发展规律.