高温高压CO2反应流动相变致裂机理

利用自主研制的气动力脉冲真三轴试验系统,开展了超临界CO₂热冲击致裂高强度混凝土块体试验,探究了热源功率、CO₂初始压力对热冲击破岩过程及裂隙损伤演化规律的影响,分析讨论了高温高压CO₂相变致裂过程及其裂纹扩展演化规律.充分考虑含能材料反应放热、CO₂相态变化、传热传质、瞬态非线性流动以及高压气体驱动损伤演化过程,建立了高温高压CO₂热冲击破岩的热-流-固-损伤(THMD)多场耦合模型,进一步分析了CO₂温度场、压力场以及损伤演化规律,揭示了高温高压CO₂反应流动相变致裂机理.研究结果表明：超临界CO₂热冲击致裂过程主要包括：高压气体瞬态释放产生应力波诱导型径向裂缝;相变膨胀的高温高压CO₂驱动径向优势裂缝扩展,并产生分支裂缝.其中气动力脉冲峰值压力和瞬时加载速率的增加有助于产生更多的径向裂缝,而CO₂初始压力和聚能剂含量的提高会使分支裂缝更容易形成.此外所建立模型的模...     

爆炸荷载下岩体破裂影响因素研究

为研究岩体在爆炸荷载作用下裂纹扩展的影响因素,采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件对砂岩爆破裂纹扩展机理进行数值模拟,并考察地应力、自由面和节理等因素对爆破裂纹扩展的影响。结果表明:爆生气体与应力波联合作用下的裂隙区半径是应力波单独作用下裂隙区半径的1.85倍,爆生气体的存在使破岩过程更为有效;当侧压系数不变时,随着初始应力的增加,裂隙区扩展半径减小;自由面产生的反射拉伸应力波导致平行于自由面的裂纹产生;自由面与节理平行或垂直对爆破裂纹的分布有很大影响。研究成果可为中硬岩的爆破开挖工程提供参考。     

光面爆破和预裂爆破破裂机理的研究

本文提出了光面爆破和预裂爆破的断裂力学模型,分析了应力波、爆生气体准静态压力在爆破破裂过程中的作用。通过有限元计算,研究了光面爆破和预裂爆破的断裂特征,阐述了光面爆破和预裂爆破的破裂机理。     

超临界CO_2增透煤热流固耦合模型与数值模拟

针对中国绝大多数高瓦斯煤层渗透性低以及低渗透煤层强化抽采瓦斯效果不理想的现状,结合超临界CO_2强扩散和溶解增透孔隙介质等独特优点,依据超临界CO_2作用后煤微观孔裂隙的演化特征,得到煤微观孔隙率和渗透率演化方程,根据孔隙率的变化确定损伤变量,考虑体积应力、温度、孔隙压力及超临界CO_2溶解增透作用的影响,建立超临界CO_2作用后煤的热流固耦合力学模型,利用ABAQUS软件提供的场变量子程序,结合PYTHON脚本和子程序二次开发功能,实现低渗透煤层注超临界CO_2增透规律数值模拟。结果显示:超临界CO_2注入后,注气孔周围煤体内体积应力、温度及孔隙压力变化明显,随着距注气孔距离的增加,影响程度逐渐减弱,并趋于稳定;经超临界CO_2作用后,注气孔周围煤体内不断萌生新的孔裂隙,并与原有的孔裂隙相互贯通,随注气时间的延长各级孔裂隙不断向煤体纵深演化发展,煤微观孔隙率较注气前提高了2个数量级;超临界CO_2的致裂增透作用引起煤体不同程度的损伤,距注气孔越近,损伤程度越大,损伤增加越快,注气时间越长,损伤增加的幅度越大;煤微观孔裂隙的有效发育为煤层气的扩散渗流提供了更多的运移通道,使煤体渗透系数较注气前提高了3个数量级。     

液态CO_2相变射流压力变化及其煤岩致裂规律

基于液态CO_2相变致裂技术,研发了液态CO_2相变射流煤岩致裂实验装置,对液态CO_2相变射流压力随时间衰减规律及其致裂煤岩宏微观破坏规律进行研究.结果表明:液态CO_2相变射流压力随时间呈指数关系衰减,建立的指数型液态CO_2相变射流压力随时间变化理论模型符合实验规律;三向压力值对液态CO_2相变射流裂隙扩展方向有较大的影响,受主应力比影响致裂裂隙会向主应力较大的方向扩展,且致裂裂隙均处于优势致裂范围内;液态CO_2相变射流煤岩破坏区面积、致裂孔隙及裂隙的数量与尺寸、大孔和可见孔容量等参数随着CO_2初始压力的增加而增大.     

基于动态焦散线实验的护壁药包机理研究

为了探究护壁爆破对爆生裂纹、原生裂纹和定向裂纹的作用机理,基于数字激光动态焦散线实验和数值模拟方法开展了一系列研究.结果表明:护壁爆破能抑制护壁一侧爆生裂纹和原生裂纹扩展;护壁一侧原生裂纹尖端动态应力强度因子两次峰值约为非护壁一侧的53%和77%,护壁管对爆炸应力波和爆生气体起到了很好的削弱作用;炸药爆炸后,由起爆位置传爆至护壁管端部形成的射流,作用炮孔壁形成初始损伤;随后沿炮孔壁向上传播的射流持续冲击护壁管端部岩体,形成"射流效应",驱动初始损伤扩展,最终形成定向裂纹.护壁爆破不仅可以保护围岩还可以产生定向断裂效果,在工程实践中应用前景广阔.     

含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点,其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此,为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制,文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验,借助数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)监测试样变形过程,并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外,基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式,根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式,可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平,并且,可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置;裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用,具体表现为：试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区,经扩展后形成高应变集中带,继而作为宏观裂纹相应的扩展路径;试样破坏形式为拉剪复合破坏,新生裂纹在加载初期以剪切形式出现,并在裂隙尖端形成翼型裂纹,随载荷继续施加,张拉裂纹数量快速增长,最终...     

煤体张开型裂隙演化规律及失稳前兆试验

为探究不同裂隙分布特征参数煤体失稳前兆信息,基于MTS 816试验系统开展单轴加载试验,分析了煤体力学特征及裂隙演化规律,推导出起裂角精确表达式,建立了弯折裂纹力学模型.结果表明：随裂纹方位角减小,煤体劣化程度增加,但均低于完整试件,裂隙长度同试件强度呈负相关性;剪切互锁效应使含裂隙煤体应力-应变曲线表现为双驼峰形态,互锁强度同方位角呈负相关性,但与长度无明显关联;裂隙分布特征参数对初始应变场形成局部高应变区具有显著引领作用,方位角于0°～90°之间时,应变集中、弥散与裂隙扩展的空间演绎形式高度统一;定义了端部动态剪切因子(τ₀)并求得其表达式,完善了Ⅱ型SIF(应力强度因子)并推导出精确起裂角表达式,得出起裂角同方位角呈负相关性;比较剪切互锁前后扰动系数ε(K_Ⅱ/K_Ⅰ)可知,剪切互锁效应可通过抑制裂纹端部的翼状Ⅰ型扩展从而发生Ⅱ型破坏,且抑制效果与方位角呈负相关性;相较于表面应变监测,互锁强度变化特征可对煤体在不同裂隙分布特征参数下的骤然破坏提供更加积极的前兆信息.     

侧爆作用下锚固洞室破坏形式及机理研究

为了进一步提高锚固洞室在侧爆作用下的抗爆能力,利用数值分析软件LS-DYNA3D程序,研究了在侧爆作用下的锚固洞室的破坏形式及机理.数值分析结果表明:压应力波一开始是以球形向四周传播的,当压应力波碰到洞室壁时,会在洞室壁表面产生拉应力波,并以椭圆形式向反向传播;在应力波整个传播过程中,由于反射拉伸可能会在洞室锚固区和非锚固区先后产生二次拉伸破坏,最后可能会由于洞室反射的拉伸波和地面反射拉伸波相遇共同作用,在离地面比较浅的地方产生拉伸破坏区.     

超临界CO2增透煤热流固耦合模型与数值模拟

针对中国绝大多数高瓦斯煤层渗透性低以及低渗透煤层强化抽采瓦斯效果不理想的现状,结合超临界CO₂强扩散和溶解增透孔隙介质等独特优点,依据超临界CO₂作用后煤微观孔裂隙的演化特征,得到煤微观孔隙率和渗透率演化方程,根据孔隙率的变化确定损伤变量,考虑体积应力、温度、孔隙压力及超临界CO₂溶解增透作用的影响,建立超临界CO₂作用后煤的热流固耦合力学模型,利用ABAQUS软件提供的场变量子程序,结合PYTHON脚本和子程序二次开发功能,实现低渗透煤层注超临界CO₂增透规律数值模拟。结果显示：超临界CO₂注入后,注气孔周围煤体内体积应力、温度及孔隙压力变化明显,随着距注气孔距离的增加,影响程度逐渐减弱,并趋于稳定;经超临界CO₂作用后,注气孔周围煤体内不断萌生新的孔裂隙,并与原有的孔裂隙相互贯通,随注气时间的延长各级孔裂隙不断向煤体纵深演化发展,煤微观孔隙率较注气前提高了2个数量级;超临界CO₂的致裂增透作用引起煤体不同程度的损伤,距注气孔越近,损伤程度越大,损伤增加越快,注气时间越长,损伤增加的幅度越大;煤微观孔裂隙的有效发育为煤层气的扩散渗流提供了更多的运移通道,使煤体渗透系数较注气前提高了3个数量级。     

可视化恒容气固耦合试验系统的研发与应用

为定量分析地应力、瓦斯压力、动力扰动等因素对预静载环境下含瓦斯煤物理力学性质的影响规律,获取不同加载路径和不同瓦斯压力下煤岩体物理力学参数,研制了可视化恒容气固耦合试验系统,配合伺服压力机,形成了以可视化恒容试验仪为主体的试验系统.通过实现含瓦斯煤耦合加载室容积恒定消除了气压改变对加载过程的干扰和误差,利用系统自带的环向位移测试装置和可视化窗口实现了对试件体应变增量、煤体裂隙发育与劣化规律等特征参数的全程可视化实时监测.开展了预加静载条件下不同强度型煤试件峰后快速卸气压扰动试验,模拟了现场煤层揭露致使瓦斯压力下降情况.试验结果表明:气体卸压时间在0.55s内完成,随着煤体强度的提高,游离瓦斯对煤岩试件的劣化程度随之降低;当峰值强度低于1 MPa时,游离气体将煤体完全剥离,强度在1.5~2.5 MPa时,卸压扰动对试件仅造成裂隙的进一步扩展;煤体扩容增量随强度的变化符合第一象限单调递减幂函数方程.仪器的研发为深入研究气固耦合条件下含瓦斯煤精确加载与可视化监测提供了新的测试手段和技术支撑.     

支承压力区煤体裂隙演化区域性研究

为了研究支承压力区内煤岩体裂隙的演化规律,建立了原生裂隙扩展的力学模型,得出了裂隙的扩展过程及其力学条件.结果表明:煤体原生裂隙经历了剪切滑移—Ⅱ型扩展—弯折扩展—剪切扩展—剪切破坏—反向滑移的过程;同时,在现场对工作面前方不同距离处煤层取样,并对取样切片进行显微照相,切片的裂隙特征反映了支承压力区内的裂隙特征,现场观测和理论研究结果基本一致.基于以上分析,按照煤体裂隙发育特征,将支承压力区分为初始裂隙区、剪切滑移与Ⅱ型裂隙扩展区、裂隙弯折扩展区、裂隙剪切扩展区、剪切破坏区和裂隙反向滑移区,并结合支承压力表达式和裂隙扩展的力学条件,量化得出了各区域范围的表达式.     

高压气爆实验系统的研究

低透气、高吸附性是煤层普遍存在的一个特点,且抽采过程比较复杂,危险性高,回采工作面瓦斯抽采效果不明显。为了解决低透气性煤层瓦斯抽采率低的问题,研制了一套高压气爆实验系统,产生的高压气体瞬间从高压喷嘴释放,形成的高能爆破冲击波以及大量的高压气体冲击炮孔周围的煤体,使煤体产生的裂纹和初始状态下的裂纹相互交错,从而形成裂隙网络,不仅增加了煤层内部的透气性,同时提高了煤层瓦斯的抽采效率。     

应力波作用下巷道围岩层裂结构的稳定性研究

通过对巷帮围岩的受力特点分析,揭示了巷帮层裂结构形成的原因,并利用板的稳定性原理推导了应力波作用下层裂结构稳定的临界应力.并采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、巷道埋深对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征.结果表明:给定应力波强度条件下(pmax=15 MPa)巷帮围岩层裂破坏结构的形成与巷道的埋深有关,若H＜500 m,即可避免层裂结构的形成.当H≥500 m时,随着埋深的增加,巷帮层裂的范围有增大趋势,使得层裂结构失稳时,释放能量加大,向巷道内涌出的岩体量增加,预示着发生冲击矿压的强度变大.     

冲击倾向煤破坏断口微观特征及其机理研究

运用扫描电镜观测了冲击倾向煤破坏断口的微观形貌,分析了煤体受载破坏断面的裂纹、孔隙等缺陷特征及裂纹扩展特征,探讨了煤样破坏裂纹扩展途径及其微观断裂机理.结果表明,冲击倾向煤内部含有大量的孔隙裂隙,在其受栽破坏过程中,这些孔隙裂隙均充当了Griffith缺陷,促使大量新裂纹生成和煤样发生破坏.煤样中大量的尖锐孔隙及张性裂隙的微观断面特征表现出冲击倾向煤的脆性特征.由于煤的非均质性及煤样内部应力分布的非均衡性,其裂纹扩展也是不均匀、间歇式的,且裂纹的扩展路线也是曲折的,扩展过程中往往产生分岔、拐折等现象.孔隙、裂纹在应力作用下分岔、扩展、汇合贯通是导致煤体宏观断裂的直接原因.     

工程层裂准则简要回顾

层裂是一种由于材料中卸载应力波作用形成拉伸应力区而使材料产生动态断裂过程.结构物在冲击荷载下的防护工程设计中,材料层裂问题是结构设计的重点之一.在阐述层裂产生的机理基础上,通过对应力梯度准则、应力率准则和Tuler-Butcher损伤积累准则等经典工程层裂准则的简要回顾及各种准则的对比,进一步阐述了各种经典层裂准则的关系及适用范围;对基于统计细观损伤机制和唯象分析相结合的改进层裂准则进行了详细讨论.     

水平井多级脉冲气体加载压裂及产能评价

基于三向地应力和气体压力作用下水平井筒周围围岩的受力特点,通过引入加权函数,并采用与时间相关的爆生气体压力分布方程,应用弹性力学、断裂力学理论给出了多级脉冲气体加载压裂水平井裂缝尖端应力强度因子计算式,建立了多裂缝起裂扩展准静态方程,该方程可以模拟爆生气体驱动下缝长、缝宽的变化过程。根据产能方程分析了不同裂缝参数对产能的影响。结果表明,多级脉冲气体加载压裂可沿着水平井筒轴线产生多条径向裂缝,裂缝沿着与射孔相位一致的方向延伸直到止裂,止裂后裂缝会发生一定程度的闭合形成残余缝宽;不同的裂缝条数会产生不同的最终缝长;多级脉冲气体加载压裂水平井能够显著增加油井产量,裂缝的长度对油井产量的增加起决定作用,在现场施工中应对此压裂工艺进行优化设计与控制,增加裂缝长度,减少裂缝条数。     

水压致裂岩体应力量测

水压致裂技术已经发展成一种岩体应力量测方法。与传统的方法不同,它不需要使用精致的钻孔装置去量一个点的应变。通过两种液体压力的记录,可以确定大范围的平均应力,其中的一种压力是为了钻孔围岩张裂的需要,而另一压力则用于维持裂隙的张开。为了做到这一点,可以使用简单的机械式钻孔装置。记录压力与岩体应力之间,以及张裂方向和应力方向之间,存在着简单的弹性关系。许多室内实验证实了这些关系。为了更好地理解水压致裂技术,在淮南矿业学院冻结实验室附近的垂直钻孔中进行了水压致裂试验。本文介绍了水压致裂的基本理论、现场量测的设备和实测结果。     

低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题,利用数值模拟软件RFPA^2D—Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后,瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律。研究结果表明,预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高,煤层透气性显著增加,但当裂隙圈之间不相交时,瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移,因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯。现场试验证实,低透气性煤层预裂后,有效导通裂隙增加,布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果,从而降低煤与瓦斯突出危险性。     

超声波功率对煤体孔隙影响规律研究

超声波激励致裂煤体有无污染、能耗低、效率高和能量集中等优点.功率对超声波的致裂效果影响显著,为了探究功率的影响规律,借助核磁共振和超声波波速检测装置研究不同功率条件下,煤体内部孔隙孔径、数量和渗透率的变化特征.实验表明:超声波致裂煤体时微孔隙和中孔隙逐步连通形成大孔或裂隙,大孔的数量增加,煤体的总体孔隙度和有效孔隙度都会明显增加,煤体渗透率增大.超声波功率越大,P波波速减小率越大,核磁共振的T2曲线峰值明显增大,且T2截止值的左移量越大.在相同的作用时间下,功率越大,煤体致裂效果越明显.此外,低功率对微孔的影响较为明显,而高功率作用前后大孔的变化更明显.