粗糙单裂隙高速非达西渗流特性的试验研究

针对裂隙岩体渗流破坏灾害问题。研制符合不同节理粗糙度的拟岩体粗糙单裂隙试件,开展了可变裂隙开度、高水力梯度粗糙单裂隙非达西渗流室内物理试验。研究表明,高渗流速度情况下,渗流水力梯度与渗流流速之间呈现非线性关系;Forchheimer方程能良好拟合高流速条件下粗糙裂隙渗流情况;提出非达西影响系数的半经验关系式,为工程实践中突涌水量预测提供重要参考。     

地热储层岩体粗糙裂隙的热流耦合效应研究

为了解决地热开采涉及复杂的多物理场耦合问题,提高开采效率,本文针对开采过程中的渗流-传热问题以离散元软件3DEC构建岩体粗糙裂隙热-流耦合数值模型。考虑不同三维形貌特征的岩体裂隙,模拟水力开度为19.17μm在不同流速时的水-岩温度变化规律。结果表明:由于裂隙形貌的阻滞作用,粗糙面出水口温度下降较慢,出水口温度有所上升,模型达到稳态所需的时间随流速和对流换热系数的增大而减小。裂隙形貌对流体和岩体温度分布均有影响,粗糙裂隙面的冷锋形态和裂隙面的形貌密切相关。光滑裂隙热突破快于粗糙裂隙,增加裂隙面的粗糙度有助于延长热突破时间。粗糙裂隙面相对于光滑裂隙面的总热量提取率略有提升,流速和对流换热系数的增加显著提高总热量提取率。通过本文研究可以为地热能系统的设计提供重要参数和指导,能够提高地热能开发利用效率。     

单裂隙介质中核素迁移模型的解析解及其应用

为了解核素在裂隙介质中的迁移规律,应用双重介质理论,分别建立描述核素在裂隙域和基质域中迁移的基本微分方程,通过二者在裂隙域与基质域交接处流量和溶质的连续性,利用拉普拉斯变换推导出描述单裂隙中一端具有指数衰减注入源的解析解.以Th-229、Cs-135及Se-79为研究对象,利用该解析解预测了这些核素的相对浓度在裂隙域与基质域中随时间和空间的变化结果,模拟结果表明,该解析解可应用于裂隙介质中的核素迁移、地下水污染等研究.     

岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响

法向蠕变是岩石裂隙的重要力学性质之一．通过分析岩石裂隙法向蠕变机理、进行干燥及渗流情况下岩石裂隙法向蠕变试验,探讨了岩石裂隙的法向蠕变及渗流的影响．研究表明,对于粗糙岩石裂隙来说,瞬时有效应力总等于裂隙凸起的压缩强度,因而初始法向蠕变明显,而后随接触面增加,蠕变速率逐渐降低;渗流过程中,岩石裂隙法向蠕变更加明显,且初次加栽应力水平下岩石裂隙法向蠕变远大于后续加载应力水平;岩石裂隙法向蠕变不能决定岩石裂隙渗流能力的降低,水力冲蚀作用明显时,可能产生裂隙渗流能力随裂隙法向压缩而增大的情况;岩石裂隙的蠕变闭合与岩石裂隙面粗糙度有关,粗糙度越大,岩石裂隙蠕变闭合量越大．研究结果对岩石裂隙法向蠕变的数值模拟及工程实践有一定参考价值．     

岩石粗糙裂隙大范围雷诺数条件下渗流特性

通过试验和理论分析,研究不同几何参数的岩石粗糙裂隙渗流的非达西系数β、临界雷诺数Re_c、非达西效应因子E等变化特性。研制裂隙渗流试验仪器,制作9个不同开度和裂隙粗糙度(joint roughness coefficient, JRC)的单裂隙模型,开展大范围雷诺数Re条件下粗糙裂隙渗流试验。根据渗流试验结果,得到了不同粗糙度(JRC=2~20)单裂隙的渗流特性,显示出粗糙度对裂隙的非线性渗流特性产生显著的影响。结合Forchheimer方程,从理论参数方面,对粗糙度的影响进行量化。研究显示:裂隙粗糙度越大,则越容易引起裂隙渗流的非线性,临界雷诺数越小,非线性作用越强。     

花岗岩裂隙中的水-岩换热

为了研究裂隙岩体中的渗流传热问题，研发岩石裂隙水-岩换热试验系统，采用控制变量法对花岗岩裂隙试样开展不同温度、体积流量、水力开度下的对流换热试验.基于Forchheimer方程分析裂隙渗流流态，计算换热系数，定量研究温度、体积流量、水力开度的影响，并进行各影响因素的敏感性分析.结果表明，在体积流量和水力开度不变的情况下，随着裂隙试样温度由70℃升高到100℃，出口水流温度和换热系数均提高；在裂隙试样温度与水力开度不变的情况下，体积流量从10 mL/min增大到80 mL/min，出口水流温度线性降低，换热系数与体积流量增长关系为幂函数关系，且随着体积流量增大其增长速度减缓；裂隙试样温度与体积流量保持不变，裂隙水力开度增大，换热系数线性减小，裂隙粗糙度增大，换热系数增大.利用敏感性函数对换热系数进行影响因素的敏感性分析，换热系数受裂隙试样温度的影响最大，其次是裂隙体积流量，影响最小的是水力开度.     

岩石粗糙裂隙大范围雷诺数条件下渗流特性

通过试验和理论分析,研究不同几何参数的岩石粗糙裂隙渗流的非达西系数β、临界雷诺数Re_c、非达西效应因子E等变化特性。研制裂隙渗流试验仪器,制作9个不同开度和裂隙粗糙度(joint roughness coefficient, JRC)的单裂隙模型,开展大范围雷诺数Re条件下粗糙裂隙渗流试验。根据渗流试验结果,得到了不同粗糙度(JRC=2~20)单裂隙的渗流特性,显示出粗糙度对裂隙的非线性渗流特性产生显著的影响。结合Forchheimer方程,从理论参数方面,对粗糙度的影响进行量化。研究显示:裂隙粗糙度越大,则越容易引起裂隙渗流的非线性,临界雷诺数越小,非线性作用越强。     

裂隙网络扩展机制试验研究

在外部荷载作用下,岩体内部裂隙的形状是影响其强度和稳定性的重要因素之一.为了探究裂隙对岩石力学特性及破坏特征的影响,利用3D打印技术,制备间隙性离散裂隙网络模型,结合数字图像相关技术对裂隙网络类岩石模型试件在单轴压缩条件下的破坏特征进行研究.研究表明:因裂隙的存在,类岩石试件的弹性模量和峰值应力均随之发生显著降低;裂隙...     

岩石单裂隙水力特性试验研究进展

岩石单裂隙渗流特性是研究裂隙岩体渗流的基础,由于岩体工程实践的迫切需要,国内外研究者众多.本文以岩石单裂隙渗流的数值模拟和实验室试验的研究内容为线索,综述了粗糙度、隙宽、曲折流、沟槽流、平行板模型等概念和应力、温度、各向异性、入渗水头、尺寸效应、溶解等因素对岩石单裂隙渗流的影响,最后给出了目前存在问题及展望.     

基于离散裂隙网络的表征单元体研究

裂隙岩体表征单元体(REV)研究是岩体力学的一个基本问题,是研究岩体尺寸效应的主要方法.阐述了研究裂隙岩体REV的基本思路,基于离散裂隙网络模拟技术的数值分析方法是进行裂隙岩体REV研究的重要手段.建立不同尺寸的岩体模型,分析了裂隙数量、强度、方位等随岩体尺寸的变化特性,从而得出考虑裂隙分布的几何特性上的REV.结合锦屏二级水电站大理岩岩体裂隙的统计规律,采用4组随机裂隙并建立三维离散裂隙网络,最终确定所分析岩体的REV为10m×20m×10m.     

Fractured rock mass hydraulic fracturing under hydrodynamic and hydrostatic pressure joint action

According to the stress state of the crack surface, crack rock mass can be divided into complex composite tensile-shear fracture and composite compression-shear fracture from the perspective of fracture mechanics. By studying the hydraulic fracturing effect of groundwater on rock fracture, the tangential friction force equation of hydrodynamic pressure to rock fracture is deduced. The hydraulic fracturing of hydrostatic and hydrodynamic pressure to rock fracture is investigated to derive the equation of critical pressure when the hydraulic fracturing effect occurs in the rock fracture. Then, the crack angle that is most prone to hydraulic fracturing is determined. The relationships between crack direction and both lateral pressure coefficient and friction angle of the fracture surface are analyzed. Results show that considering the joint effect of hydrodynamic and hydrostatic pressure, the critical pressure does not vary with the direction of the crack when the surrounding rock stationary lateral pressure coefficient is equal to 1.0. Under composite tensile-shear fracture, the crack parallel to the direction of the main stress is the most prone to hydraulic fracturing. Under compression-shear fracture, the hydrodynamic pressure resulting in the most dangerous crack angle varies at different lateral pressure coefficients; this pressure decreases when the friction angle of the fracture surface increases. By referring to the subway tunnel collapse case, the impact of fractured rock mass hydraulic fracturing generated by hydrostatic and hydrodynamic pressure joint action is calculated and analyzed.     

考虑裂隙-岩块间水交换的单裂隙非饱和渗流数值模拟

为了研究单裂隙非饱和渗流的水力特性,根据裂隙面分形维数、裂隙面位错值和面积接触率,提出了采用随机布朗函数生成裂隙开度分布的方法;基于裂隙局域立方定理成立的假定,并考虑裂隙-岩块间拟稳态水交换,建立了单裂隙非饱和渗流数值分析模型。模拟得到的裂隙毛细压力-饱和度以及非饱和渗透系数-毛细压力的关系曲线能够反映排水、吸水间的滞后性及体现排水时的进气值和残余水饱和度。模拟结果与试验结果的定性对比表明,建立的模型可为考虑裂隙-岩块间水交换的单裂隙非饱和渗流模拟提供合理可行的方法。最后对比了考虑与不考虑裂隙-岩块间水交换的裂隙非饱和渗透系数-毛细压力关系曲线,结果表明,在高毛细压力(低饱和度)下,可忽略裂隙-岩块间的水交换。     

碳酸盐岩潜山储层渗透率解释方法探讨

碳酸盐岩储集层的非均质性非常严重,大多数具有多重孔隙结构特征,渗透率为岩块渗透率和裂缝渗透率的总和,计算比较复杂。我们充分利用常规测井资料及核磁测井技术对潜山裂缝性油藏储集层进行深入系统的研究,总结出了一套全面系统的评价渗透率的解释方法,极大地提高了碳酸盐岩潜山裂缝性储层渗透率的解释精度。     

Comprehensive assessment on dynamic roof instability under fractured rock mass conditions in the excavation disturbed zone

The damage process of fractured rock mass showed that the fracture in rocks induced roof collapse in Yangchangwan Coal Mine,China.The rock mass was particularly weak and fractured.There occurred 6 large-scale dynamical roof falls in the excavation disturbed zone (EDZ) with the collapsing volume of 216 m3.First,the field detailed geological environment,regional seismic dy-namics,and dynamic instability of roadways were generally investigated.Second,the field multiple-index monitoring measurements for detecting the deep delamination of the roof,convergence deformation,bolt-cable load,acoustic emission (AE) characteristic pa-rameters,total AE events,AE energy-releasing rate,rock mass fracture,and damage were arranged.Finally,according to the time-space-strength relations,a quantitative assessment of the influence of rock-mass damage on the dynamic roof instability was accomplished.     

基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC^3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明：抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。     

古16井区火山岩储层测井评价

通过成像测井资料并结合地质资料和常规测井资料分析，对16井区火山岩裂缝性储层有效性和渗透性进行了评价研究。结果表明：火山岩储层空隙类型主要为裂缝和基质溶孔，储层模式主要为裂缝直接连通裂缝型、裂缝间接连通的孔隙—裂缝型，储层类型有低孔—裂缝型和孔隙—裂缝型2种；储层孔隙度较小，基质岩块孔隙度为2％—22％；裂缝为0．01％～0．08％，为低孔、低渗性储集层；储层主要分布在火山岩的中上部不整合面250m以内。     

Effect of expansive fillings on fracture seepage

Based on an investigation of the damage process of fractures filled with expansion media, samples of filling media col-lected on the spot, were obtained. The physical water properties of fracture fillings were tested by a WZ-2 type Dilatometer. Given our test results of the hydrated properties of fracture fillings and the mechanical parameters of altered rock mass collected from the Daye Iron Mine and comparisons between the expansion stress of fracture fillings and mechanical parameters of altered rock mass, the effects of the mechanical response of fillings on fracture seepage are discussed. The results show that the ratio of filling swell pressure to tensile strength of altered rock specimen varied between 11.79 and 36.77 and the ratio of filling swell pressure to shear strength of these rock specimen ranged from 72.11 to 171.18. Therefore, fillings have an important effect on fracture seepage, and the effect of deformation of the fracture caused by swell pressure of the filling mechanics cannot be ignored either. The multiple hydraulic coupling effects of fillings on the impact of fracture permeability are discussed according to theoretical analyses. It is shown that the effect of expansion of fracture fillings greatly affects the deformation of altered rock masses. Both tensile effect and shear effect produced by fracture fillings greatly increase the permeability of fractures. The plastic and liquefaction effects of frac-ture fillings also improve the permeability of fractures. On the basis of this analysis, a mechanical seepage model of filled fracture is established.