基于岩石破裂特征及能量演化的致密砂岩脆性指数优选

脆性参数是致密油"三品质"评价中完井品质评价的重要敏感参数之一。采用岩芯三轴岩石力学参数测试方法,基于岩石破裂特征及岩石破裂过程中的能量演化优选出适用于鄂尔多斯盆地定边油田长7段致密砂岩储层的脆性指数计算方法。首次应用裂缝体积密度计算方法对岩石破裂复杂程度进行了定量表征,表征结果与岩石的弹性模量、抗压强度呈正相关;与泊松比、峰值应变呈负相关。通过对岩石力学参数各向异性系数C₁和C₂的分析,认为弹性模量和泊松比对各向异性更为敏感,两者构建的脆性参数更能体现岩石的脆性特征。基于岩石破裂的能量演化过程,将峰值强度前后能量变化大小与变化速率相结合,构建脆性评价新指标B_EC,其与裂缝体积密度及前人提出的脆性评价指标均具有较好的相关性。以B_EC为衡量标准优选出适合研究区致密砂岩储层的脆性指数E/μ,该指数与研究区直井试油试采的初周日产液呈正比关系。研究结果为研究区水平井水力压裂施工时指示有利压裂层段提供了科学依据。     

真三轴压缩下硬岩破裂过程超声波演化特征

为研究真三向应力下硬岩破裂过程3个主应力方向超声波波速变化规律及其与岩石破裂的关系,对云南砂岩开展了一系列真三轴试验,获得了砂岩破裂过程中3个主应力方向的波速变化特征,发现了3个方向波速具有明显差异,主要表现在三个方面:最大波速、波速初始下降时的σ₁和峰后波速变化特征。波速分析表明,最小主应力方向波速最能够反映岩石破裂过程。将基于最小主应力方向波速计算的损伤变量与裂纹体应变进行了对比分析,发现损伤变量能较好地反映岩石破裂演化过程。为了更好地描述岩石破裂演化过程,用Power函数拟合了岩石破裂增长阶段损伤变量的演化曲线,建立了多阶段破裂演化方程。试验数据拟合结果表明,该方程与试验数据拟合良好。     

岩石真三轴分级加载声发射与波速演化规律试验研究

为研究岩石在真三轴分级加载过程中声发射特性与超声波波速演化规律两者间的关系,采用自主研发的岩石真三轴试验机、声发射监测系统及超声波测试系统,开展了岩石真三轴分级加载声发射定位监测及超声波测试试验。研究表明:声发射累计能量与累计计数变化趋势可作为岩石破裂前兆信息,第1阶段随着岩石压密其增幅较小;第2、3、4阶段砂岩内部裂隙开始发育其增幅缓慢增加;第5阶段为砂岩破坏的主要阶段其增幅超过80%,推断第5阶段砂岩由于应力达到峰值强度而失稳破坏。声发射定位可以很好地表征裂缝形态与扩展规律。第1、2、3阶段,砂岩内部极少产生声发射定位事件且分布较为分散。第4、5阶段,声发射定位事件大量产生并集中于最小和中间主应力方向两侧的破裂面与破碎带上。超声波波速变化对于岩石内部变形破坏以及裂缝扩展具有良好响应。加载过程岩石波速具有各向异性,最大主应力方向随岩石压密波速增加,压密程度降低波速增速降低;中间主应力方向波速随岩石压密升高,之后随岩石形成破裂面降低;最小主应力方向波速则首先随岩石压密升高,然后随岩石形成贯通破裂面,并伴随有破碎带导致波速迅速衰减骤降至较低水平。     

C2H4在烟煤中吸附的分子模拟研究

C₂H₄作为评价煤自燃过程的标志气体，煤对C₂H₄的吸附会使得矿井空气中C₂H₄气体体积分数的降低，进而影响对煤自燃过程评估的准确性。为了揭示C₂H₄在烟煤中吸附的微观机理，构建Wiser烟煤分子模型，利用蒙特卡洛方法，模拟温度为293.15～313.15 K、压力为0.1～3.0MPa时，C₂H₄在烟煤分子模型中吸附过程，并对吸附过程中吸附热、吸附势能和吸附熵的变化进行分析。结果显示：C₂H₄在烟煤分子中的吸附量随压力的升高先迅速增加，然后趋于平缓；压力相同时，温度越高，C₂H₄的吸附量越低；Langmuir-Freundlich模型对C₂H₄吸附过程拟合效果最好，C₂H₄的最大吸附量a值随温度...     

基于标志气体统计学特征的煤自燃预警指标构建

采空区煤自燃是影响矿井安全生产的主要灾害之一,标志气体与煤温是煤自燃预警的关键参数,2者之间的数学模型及其统计学特征是构建煤自燃预警指标体系的基础。通过程序升温控制实验,获得了88组煤样气体体积分数随煤温的变化曲线,选择指数函数、多项式函数和Logistic回归函数对气体体积分数进行拟合,以R²,方差SSE和均方差MSE等参数为评价指标,确定了Logistic回归函数为最佳拟合函数;利用Logistic函数拟合标志气体的变化曲线,得到CO与C₂H₄体积分数的4个参数A₁,A₂,p和x₀,基于统计学特征确定上述4个参数的值并检验其有效性,得到"气体-温度"的本构方程;最后,归纳了不同标志气体的初现温度、拐点温度的统计学特征,构建了基于气体统计学特征的煤自燃预警体系并进行了煤自燃危险阶段划分。结果表明:(1) 30～350℃实验温度内,标志气体体积分数变化分为波动段、稳定段和衰减段,气体体积分数与煤温符合Logistic回归模型:CO与C₂     

许疃煤矿煤炭自燃指标气体优选与应用

为了有效预防许疃煤矿3₂38工作面采空区遗煤自燃,通过采集该工作面煤样进行煤自燃倾向性测试和低温氧化试验分析,优选出预测煤自燃指标气体：煤温在20~100 ℃时,以CO作为指标气体;煤温在100~150 ℃时,以C₂H₆作为指标气体;煤温在150 ℃以上时,以C₃H₈作为指标气体,并以链烷比作为辅助指标参数。根据测试结果,采用插值拟合方法,得到各指标气体体积分数与温度之间的函数关系式。基于所建立的拟合函数关系式,通过检测煤体温度,可以计算出CO、C₂H₆及C₃H₈的体积分数,用于推测采空区自燃状况。现场应用结果表明,采空区遗煤自燃预测效果良好。     

深部花岗岩物理力学参数随赋存深度变化的变异性试验

为研究深部花岗岩物理力学参数随赋存深度变化的变异性,通过对某金矿19～1 320 m深度水平的花岗岩岩样的岩石参数(单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、天然重度等)统计分析,结果发现,岩石参数变异系数大小顺序为：弹性模量>单轴抗压强度>黏聚力>泊松比>内摩擦角>天然重度;单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角、天然重度随着深度增加有线性增大趋势,而泊松比随深度增加有线性减小趋势;根据地质统计学的变异函数,拟合出岩石参数最优模型,分析了岩石参数的空间变异性质,天然重度在赋存深度尺度内变异性小,而弹性模量和单轴抗压强度变异性较大。以岩石试验为基础,对不同赋存深度的岩石物理力学性质进行分析,揭示了岩石参数随赋存深度变化的规律及变异性,对深部开采有一定参考意义。     

原生层理结构影响下煤岩组合体超声波及CT扫描分析

为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响,并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性,在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据,获取了原生层理结构影响下煤岩组合体不同层位的波速及波速比变化特征;结合CT扫描及三维重构技术,应用煤岩灰度分布频数数据,提出了不同层位CT灰度均值的计算方法,获得了不同原生层理倾角下煤岩组合体不同层位灰度及煤岩含量的变化规律,建立了煤岩CT灰度均值与波速、力学参数的关系;构建了考虑层理倾角与煤岩含量效应的煤岩组合体纵波波速计算模型,并应用测试数据进行了对比验证。结果表明：(1)含原生层理的煤岩组合体波速及波速比与层理倾角线性相关,随层理倾角增加,组合体的纵波波速近似线性减小,而波速比的分布范围增大;(2)不同层理倾角下组合体的CT灰度均值与波速线性相关,随CT灰度均值增高,煤岩组合体波速线性增加;(3)煤岩组合体的密度随CT灰度均值增加线性增高,其动态弹性模量及剪切模量则与CT灰度均值均呈三阶多项式关系,并随CT灰度均值增高趋于增大;(4)层理倾角与煤岩含量相比,组合体波速对煤岩含...     

温度-水对深部砂岩动静弹性参数的影响

对鹤岗南山矿深部砂岩干燥与饱水试件在20℃~95℃状态下进行超声波测试,得到深部砂岩在干燥与饱水状态下的弹性波速随温度的变化规律,并与单轴压缩实验所得静弹性参数进行了比较分析,结果表明,当温度从20℃上升到95℃时,通过干燥与饱水状态岩样的弹性波波速呈不同变化趋势,变化幅度差异较大;干燥岩样的波速比小于饱水后的波速比,随着温度的升高,干燥与饱水波速比曲线线形变化较为复杂,变化趋势不尽相同;干燥岩样动、静态弹性模量大于饱水后动、静态弹性模量,且动态弹性模量大于静态弹性模量;干燥与饱水岩样的动、静泊松比变化规律性较差。     

煤自燃指标体系分析与优选实验研究

为了更加精准预测煤自燃发展进程并及时采取有效预防措施，利用自主研发的程序升温实验装置，以宁夏清水营煤矿与大佛寺煤矿的新鲜煤样为研究对象，获取2个实验煤样在不同氧化温度时所产生的气体体积分数与气体组分，分析实验煤样在低温氧化阶段的气体变化规律，并确定2个实验煤样的特征温度；同时，分别采用多参数指标法、气体增长率分析法与格雷哈姆系数3种方法，综合分析并预测实验煤样的氧化进程。结果表明：2个实验煤样在实验过程中产生的CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄与温度呈正相关关系；CO、CO₂与第二火灾系数R₂可作为预测2个实验煤样自燃的主要气体指标；CH₄、C₂H₆、C₂H₄、第一火灾系数R₁、第三火灾系数R₃作为辅助气体指标；宁夏清水营煤样的临界温度为60～80℃；干裂...     

干耦合超声波测试技术及其岩石动静参量测试应用

岩体非线性特征随深度增加不断凸显,其力学参量现场实时精确测量及长期监测,为地应力解除过程中岩体变化特征及应力监测提供了必要的基础。然而目前岩石力学参量测定多基于室内力学试验,时效性及拟合方法都会对测试结果带来误差。传统耦合超声波发射、接收探头对接触面平整性要求高,无法实现布置于现场钻孔内的长效监测。基于干耦合点接触声波探头测速技术,通过对声波发射、接收探头设计,电路板稳定性及去噪算法研究,研发出具有瞬时采集、无线传输功能的数字化波速采集系统。通过对同一区域取自现场加工的?50 mm×100 mm花岗岩岩样及地应力解除岩芯,分别进行室内力学试验及波速测定,以计算获取相应静态、动态弹性模量。结果表明:首先,自研发基于干耦合点接触声波测速采集系统,对不同工作接触面适应性较好,数据误差在规范允许范围内。其次,对于同一区域相同岩性不同尺度、形态的岩样,其动态、静态弹性模量关系彼此间具有适用性。这就为现场基于干耦合点接触声波测速计算获得的岩体动态弹性模量,推算其静态弹性模量提供了依据。进一步的,基于干耦合点接触声波测速数字化采集系统,岩体动、静态力学参数在现场地应力岩芯解除过程及岩体长期监测过程中的实时采集及分析研究,具有一定的可行性。     

泥质粉砂岩冻融作用下含初始损伤岩石动力学特性试验研究

为研究冻融作用下含不同冲击损伤砂岩的动力学特性,对完整及不同初始损伤的泥质粉砂岩进行冻融 后开展冲击加载试验,研究冻融作用对含初始损伤泥质粉砂岩的宏观动力学性能和损伤演化规律。 结果表明:含初 始损伤砂岩的纵波波速、弹性模量与冻融周期呈负相关;含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级初始损伤砂岩的纵波波速随冻融周期的增 大分别下降了 8. 1%、11. 9%、11. 2%、16. 8%,初始损伤等级越高的砂岩在冻融作用下纵波波速下降幅度越明显;冻融 损伤和初始损伤耦合作用下砂岩弹性模量的变化速率逐渐增加,抵抗形变的能力逐渐下降,塑性逐渐增大;在冻融作 用下含初始损伤砂岩的动态抗压强度与应变率呈指数衰减;初始损伤的存在加剧了冻融损伤对岩石的劣化作用,加 快了砂岩自身宏观动力学性能的弱化速率。     

冻融循环条件下岩石物理力学指标相关性分析

为了得到冻融循环条件下岩石强度指标与物理指标的关系,在室内实验和理论分析的基础上,建立了冻融循环过程中岩石抗压、抗剪强度力学指标与纵波波速、孔隙率物理指标的关系。试验结果表明：随着冻融循环次数的增加,岩石的孔隙率增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力降低;冻融循环条件下粗砂岩的孔隙率、纵波波速与单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力之间具有良好的相关性。通过测量经历不同冻融次数的岩石的孔隙率和纵波波速,较好地反映出冻融循环过程中岩石强度的衰减关系。     

煤岩特性对超声波速影响的试验研究

超声波测试技术广泛应用材料内部缺陷与表面裂缝检测和描述,然而其声学参数同煤岩物理特性与结构特征的关系,成为该技术在地下采矿工程中应用的瓶颈问题之一。在大同煤矿集团塔山矿8212工作面采集煤块及顶板岩芯,采用美国Tektronix公司生产的超声波仪,开展不同层理方向煤岩及不同岩性岩石的超声波室内测试试验,并结合CT扫描、磨片分析等微观测试手段和覆压渗透试验获得煤岩内部物质含量组成形态及渗透特性,系统研究密度、层理方向、孔隙度、渗透率、矿物颗粒成分及大小等因素对超声波传播速度的影响。试验表明：纵波与横波波速均表现出随密度增大而增大的趋势;煤岩的超声波速有明显的层理效应,试验发现轴向与层理的夹角由小变大,其纵波和横波波速呈减小趋势,轴向平行层理煤岩的纵波、横波波速分别约为轴向垂直层理的1.22,1.23倍;纵波波速随孔隙率与渗透率的增大而减小,且煤的渗透率亦呈现明显的层理效应,轴向平行层理煤岩的渗透率约为轴向垂直层理的57.1倍;岩石矿物颗粒越细纵波波速越大,岩样纵波波速依次以细砂岩、中粗粒砂岩、含粗砂细砾岩和粗粒砂岩由大到小排列。     

基于回弹法的岩石强度预测及切割采矿应用分析

以玲珑金矿灵山矿区某极破碎矿体机械化开采为研究背景,采用N型回弹仪选取11个测定区域开展回弹测试,并在测试点钻孔取芯加工为标准岩石试样进行声波试验和单轴压缩试验。通过分析试验结果,得到回弹值、纵波波速与单轴强度之间的关系,可知回弹值与岩石单轴抗压强度呈指数型相关,而纵波波速与岩石强度拟合关系曲线贴合较差,在此基础上进行声波—回弹结合的二元回归分析,综合比较得到幂函数的相关系数最好。研究结果能为玲珑金矿灵山岩体强度预测和掘进开采分析提供帮助。     

围压对红砂岩应力波传播特性的影响

围压可以改变岩石内部微观结构,导致波阻抗发生变化,进而影响应力波在岩石中的透反射能力。为探索围压对岩石应力波传播特性的影响,通过一维应力波理论推导,得到了岩石应力波透射系数和反射系数随波阻抗值的变化关系。用红砂岩制备短试件和长试件,基于动静组合加载实验系统进行不同围压下的应力波传播试验,分析岩石的纵波波速、波阻抗、反射系数和透射系数与围压的关系。根据岩石波阻抗与围压的经验模型,结合理论分析所得的透射系数与波阻抗的关系,得到不同围压下透射系数的理论值,并与相应的试验值进行对比,证明理论分析结果的正确性。综合分析了岩石的纵波波速、波阻抗、透射系数和反射系数与围压的关系,得到围压对红砂岩应力波传播衰减特性的影响规律。结果表明,岩石短试件和长试件的纵波波速及波阻抗与围压之间均具有正向相关性。随着围压的增加,短试件反射系数的绝对值逐渐减小,透射系数逐渐增大,长试件的透射系数逐渐减小,透射系数和反射系数均与围压呈二次函数关系。纵波波速、波阻抗、透射系数及反射系数与围压的关系都表明,增大围压有利于应力波穿过岩石,减小其幅值的衰减。     

粘弹性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性研究

为了研究粘弹性岩体位移反分析的唯一性问题，本文根据弹性岩体径向位移推导了粘弹性岩体中符合Maxwell模型的圆形巷道位移解析解，并根据参数可辨识性条件对粘弹性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性进行了研究。结果表明，无论布置多少个测点都不能唯一地反分析出所有的5个参数；必须至少已知2个参数，才有可能唯一地反分析出其他参数；侧压力系数是否为1和地应力是否为0对反分析唯一性有明显的影响；随着已知参数的增多，参数的可辨识性增强；地应力和侧压力系数的可辨识性最好，弹性模量、泊松比和粘滞系数次之。研究结果对于岩体参数的反演计算具有一定的指导意义。     

冻土声学测试中的异常现象分析

基于饱和多孔介质波动理论平面波解,分析了频率对纵、横波速度和衰减的影响以及孔隙率、体积模量、渗透系数等参数对纵、横波速度的影响,得出了波速、衰减具有频散的特性及孔隙率是影响冻土波速的主要因素等结论,据此分析了冻土超声波测试中存在的动力学特性规律不明显的原因,并提出了改进建议．在饱和土波动理论分析的基础上,对高饱和土的纵、横波特性进行了分析,得出了完全饱和土和未完全饱和土之间的波速性态有很明显的差别,并据此解释了冻土超声波测试中的波速比和泊松比偏低问题．     

基于P波模量的原位胶结充填体强度预测模型研究

原位胶结充填体质量评价通常采用单轴抗压强度作为表征指标,由于在现场工程中无法快速、准确获取充填体的强度值,因此需要建立一种参数易于获取且准确的原位胶结充填体强度预测模型。基于胶结充填体物理力学参数的内在联系,从量纲平衡的角度探索了胶结充填体单轴抗压强度与P波模量的关系。根据C矿和I矿两种原位胶结充填体的密度、P波速度及取芯强度的测试数据,采用线性拟合的方法获得了基于P波模量的原位胶结充填体强度预测模型。通过对C矿和I矿的强度预测模型拟合效果分析可知,P波模量与取芯强度呈正相关性,且拟合效果较好,证明原位胶结充填体强度预测模型精度高,具有很强的实用性。     

浅谈声波法技术在采矿中的应用

矿山开采过程中冲击矿压是严重威胁矿井安全生产的动力灾害。随着矿井开采深度的不断增加,冲击矿压的危险和危害也日趋严重。本文通过对弹性波方程的建立与解释,说明岩石的弹性特征决定着开采应力的动态变化,因而采用测定纵横波速的方法可以测定岩体的弹性常数。并且说明了采用声波法在观测记录弹性波传播规律或参数变化来反演出煤岩体的物理力学参数变化,进而进行动力灾害的预测和评价的可行性。指出在21世纪弹性波技术有着极好的应用前景。