采空区裂隙岩体渗流特征及渗透性试验研究北大核心

为了探索采空区裂隙岩体内地下水的渗流特征,确定裂隙岩体的渗透系数值,为定量研究含水层受开采影响评价提供参考;采用相似材料模型试验与渗流试验方法,基于采空区的裂隙发育情况与分布特征,对裂隙岩体的渗流特征以及不同裂隙率采动岩体的渗透性能进行了研究。结果表明:采空区裂隙岩体内的地下水流呈非线性渗流特征,水流特征与渗透性能明显受岩体裂隙率影响;裂隙岩体的水平渗透系数与垂向渗透系数均与裂隙率呈正相关关系,渗透性能随裂隙率的增大分为缓增区与激增区2段;采空区裂隙岩体的垂向渗透系数介于0.067~0.649 cm/s之间,水平渗透系数介于0.744~6.847 cm/s之间,较煤层开采前扩大了2~4个数量级。     

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,...     

围压作用下煤粉充填煤岩裂隙渗流特性

为了研究不同颗粒大小的煤粉充填煤岩裂隙对煤层气渗透率产生的影响,以焦作煤业有限责任公司下属的赵固一矿二1煤储层为研究对象,以不同粒径煤粉为充填介质,在一定围压条件下,以不同气压和不同裂隙宽度进行了煤粉充填煤岩裂隙渗透特性实验。结果表明:在一定围压条件下,随着气压的增大,相同裂隙宽度不同目数煤粉充填的煤岩裂隙渗透率都先增大后减小,且峰值渗透率随着煤粉目数的增大也减小;在不同裂隙宽度相同目数煤粉充填的煤岩裂隙中,煤岩裂隙渗透率随着充填宽度的增大而增大。     

基于RFPA~(2D)-Flow软件对裂隙岩体渗透特性表征单元体的研究

大型水利水电工程多依附于高陡裂隙岩体边坡而建,而边坡的渗控结构成为研究重点。为进一步研究裂隙岩体渗透特性及其各向异性的影响因素,基于C语言程序,考虑不同迹长、密度的概率分布,通过蒙特卡罗方法生成随机裂隙,然后将随机裂隙导入有限元渗流计算软件RFPA~(2D)-Flow,形成渗流裂隙网络模型。通过对不同的方位、不同尺寸上的等效渗透系数的模拟计算,得到不同工况下的渗透张量,结合类张量特性和类常量特性判定依据,确定渗流表征单元体,并自定义渗透特性各向异性系数,研究裂隙的密度、迹长对岩体渗透张量、表征单元体尺寸和各向异性系数的影响。结果表明:①裂隙密度和裂隙迹长对裂隙岩体的渗透主值影响较大,但对渗透主方向几乎无影响,随密度或者迹长的增大,裂隙岩体的渗透主值逐渐增大;②在一定范围内,随着裂隙密度或迹长的增大,裂隙岩体的渗透表征单元体尺寸逐渐减小;③裂隙岩体渗透特性的各向异性系数r随密度增大逐渐减小,随裂隙迹长增大呈现先减小后增大的趋势。在此基础上,以锦屏一级水电站坝区左岸边坡裂隙岩体为例,根据地质勘探所获的裂隙概率分布特征及相关参数,利用本文研究方法进行渗流数值模拟计算,确定锦屏左岸裂隙岩体的渗透张量和表征单元体尺寸,并结合现场压水试验结果对本文数值模拟结果进行修正,修正系数在一个数量级之内,说明本文模拟计算结果与实测结果相近。     

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。     

裂隙岩体渗透性分析研究

该文描述了单裂隙岩体的裂隙面结构性状 ,提出了等效裂隙开度的计算方法和测量方法。建立了单裂隙及成组平行裂隙的渗透系数表达式 ,并在此基础上推导出了三维应力、自重应力及压剪联合作用等三种受力状态下裂隙岩体的渗流与应力的关系     

超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性影响实验研究

为探究超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性的影响,利用超声波NM-4B波速检测仪、蔡司Stemi508显微镜和煤岩芯渗透率测试仪,测试超声波不同功率激励前后煤样的表面裂隙宽度、微细观损伤和渗透特性的变化.实验结果表明:随着超声波激励功率增大,表面裂隙宽度增大,煤体表面裂隙宽度扩展率随功率呈正指数相关;超声波激励功率越...     

降雨条件下裂隙各向异性对坡积土边坡渗流的影响分析

基于饱和-非饱和渗流理论, 运用Geo-studio软件中的Seep/w模块研究了裂隙各向异性与不同降雨强度共同作用下边坡的入渗规律。结果表明, 当降雨强度小于裂隙渗透系数时, 雨水入渗受降雨强度控制; 当降雨强度大于裂隙渗透系数时, 雨水入渗受裂隙渗透系数控制; 在相同的降雨时间与降雨强度条件下, 裂隙越短则裂隙内的体积含水率越高, 裂隙角度越小对边坡内部体积含水率影响越大; 增大降雨强度或增加降雨时间, 均会削弱裂隙各向异性对边坡渗流的影响。     

采场岩体边坡渗流的裂隙控渗特征

裂隙岩体的渗透特性实质上是裂隙水力学问题，裂隙控制着岩体的渗透特性。大多数矿山岩体边坡，由于岩体裂隙发育较为密集，最大裂隙间距或平均裂隙间距与边坡的尺寸(通常高数百米)相比，一般都很小．流场区域体积远大于典型表征体单元REV体积，因此采用等效连续介质模型是合理的，并且能反映裂隙各向异性渗透特征对渗流场的控制和影响作用。实例分析表明，裂隙分布形式影响着裂隙岩体的渗透系数张量；裂隙分布影响着裂隙岩体边坡的渗流场分布，自由面等势线形态和剖面等势线形态明显受裂隙发育方位的影响，自由面等势线的展布方向趋向裂隙发育优势走向，剖面等势线的展布方向趋向裂隙发育优势倾向。因此，采场岩体边坡渗流的基本特征是裂隙发育对渗流的控制性。     

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件,以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明：随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉-剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接...     

峰后破裂岩石加、卸载围压过程渗流特性的试验

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化裂隙岩石非线性渗流过程,采用Forchheimer公式对水力梯度与渗流流量之间的关系进行拟合分析,将峰后破裂岩石渗流过程划分为线性Darcy流阶段与非线性Darcy流阶段,引入非线性影响因子E,作为区分达西流与非达西流的临界点。对比加、卸载围压过程中相同渗透压力下的裂隙渗流流量与裂隙渗透性,分析产生渗流差异性的发生机制。研究表明:峰后破裂岩石在围压的加载过程中,其渗流主要表现为非线性特征,裂隙的渗透性随围压增大而逐渐减小。在高围压作用下,虽然裂隙面会产生一定程度的压缩闭合,但存在的少量张拉裂隙会逐渐扩展和连通,可能会引起峰后破裂岩石的渗透性发生改变。当围压从较高水平卸荷后,且裂隙面渗透压力处于较低水平下时,裂隙渗透性没有增加反而减小,表明裂隙面在加、卸载围压和过流冲刷的共同影响下发生了不可逆的变形,导致裂隙面开度的逐步降低。当围压卸载到与加载过程同一水平时,各级渗透压力下的渗流流量均大幅下降,表明裂隙面的渗流能力的恢复存在明显的滞后效应。     

裂隙岩体渗透特征的研究

采用力学理论研究了裂隙岩体渗透系数随埋深及水压力的变化规律，得出渗透系怀埋深水及水压力的关系式。另外，将裂隙岩体介质假设为互相平行的几组裂隙网络，提出了应力与渗流的耦合模型，得出了裂隙岩体与三向应力的关系式。     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

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。     

含气体突出煤岩纵波波速与应力耦合关系研究

为了更好地将震动波CT技术运用于煤与瓦斯突出灾害监测中,搭建了含气体突出煤岩三轴压缩波速测试系统,实验室研究了含气体煤岩所受轴压、围压和所通入的气压大小与波速之间的耦合关系,并建立了波速与各应力的数学模型。研究表明:当试样载荷不变时,随着通入气压的增大,纵波波速在开始会剧烈下降,随后趋于稳定,呈线性负相关;当围压和气压条件不变时,试样在开始受到轴压后,波速迅速增大,随后波速变化趋于平缓,接近线性增长,呈指数函数关系;当气压和围压条件不变时,试样的纵波波速会随着围压的增加而均匀增加,呈线性正相关;3种试验结果所拟合出来的数学模型均具有较高的相关性。     

裂隙红砂岩冻胀力特性试验研究

裂隙岩体冻胀现象在富水岩层冻结工程中普遍存在,冻胀力易使得岩体裂隙尖端应力集中而产生新的微裂纹,微裂纹扩展贯通导致岩体发生不同程度破坏。为揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,探究以冻胀力驱动下的岩体裂隙扩展规律,利用超薄型电阻式压力传感器、温度传感器、低温恒温箱组成的冻胀力测试系统对不同冻结速率、不同裂隙尺寸、倾角以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力进行测试,分析了贯通裂隙中冻胀力演化规律、冻胀劣化机制以及冻胀破坏模式。结果表明:含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程分为初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段;冻胀作用使得贯通裂隙端部附近出现明显裂纹扩展现象,试样整体呈竖向张拉破坏;贯通裂隙最大冻胀力随隙宽呈单指数函数增长、与温度成线性正相关;冻结过程中,试样边界条件对裂隙冻胀力影响显著,刚性约束边界条件下最大冻胀力达到1. 27 MPa,融化过程中,不同边界条件对应不同冻胀力跌落现象;低温条件下贯通裂隙红砂岩冻胀力变化特征与冻胀过程中声发射能量变化规律一致,充分验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用。研究成果可为裂隙岩体冻胀力理论计算与数值分析、冻融损伤机制、冰-岩耦合特性以及煤矿立井冻结壁设计等提供参考。     

原位应力下裂缝性致密砂岩各向异性地震波速及其渗透率关联特征

超深层裂缝性非常规天然气藏的开发在能源领域所占比重越来越大,但目前关于该类型储层在原位应力下各向异性地震波速及渗透率的基础研究仍鲜有报道,一定程度上制约了其高效开发策略的制定进程。以塔里木油田克深2号裂缝性致密砂岩天然气储层为工程背景,利用先进的地球物理成像真三轴测试系统,开展了储层衰竭期间原位应力下完整砂岩与不同倾角裂缝岩样的各向异性地震波速以及各向异性渗透率演化规律实验研究,探讨了压缩波、剪切波、纵横波速比、3个主应力方向渗透率各向异性特性与内在机制,研究了地震波速与渗透率的内在关联特征。研究结果表明：首先,裂缝引起的结构非均质性以及三向不等应力作用下岩石各主应力方向微观结构的变形差异导致了地震波速的各向异性;储层衰竭期间地震波速度均随有效应力的增大近似线性增加,压缩波速度明显大于剪切波速度;纵横波速比随有效应力增大而单调减小,表明剪切波对外部荷载敏感性更强;通过压缩波速和纵横波波速比数据对比,发现剪切波S2速度对裂缝倾角更为敏感。其次,原位应力下各主方向渗透率均表现出显著的应力敏感性和结构（裂缝）敏感性,早期应力大小对储层衰竭中后期渗透率变化具有重要影响,渗透率各向异性随裂缝倾角...     

煤储层裂隙参数正演分析

以TTI煤层的二维三分量各向异性弹性波方程为基础,推导Lebedev网格的有限差分格式,对不同裂隙参数的TTI介质进行数值模拟,分析裂隙参数对地震波场的影响,建立3层介质模型,获得不同裂隙密度和裂隙填充物的理论模型,正演得到煤层的AVO记录。通过对模拟结果的分析可知:(1)当煤层介质为干裂隙时,纵波的速度各向异性对裂隙反应敏感,当煤层介质为含流体裂隙时,横波的速度各向异性对裂隙反应敏感;(2)煤层顶板的反射系数为负值,底板为正值,煤层顶底板反射系数受多种因素的影响;(3)在煤层裂隙介质为干裂隙时,裂隙密度的变化对于反射系数曲线的截距影响较大,而对斜率的影响较小,在煤层裂隙介质为含饱和流体时,裂隙密度对于煤层反射系数基本无影响;(4)随着裂隙密度的增大,裂隙填充物对于反射系数的影响也相对增大。     

水沙混合物非Darcy裂隙渗流试验研究

西部煤田因埋藏浅、厚度大,常采取大采高、快速推进的方式开采,开采时,覆岩破坏易形成贯通裂隙,当煤层上方存在水源和厚沙层时,易引发采场突水溃沙事故。裂隙中水沙混合物的渗流规律及失稳条件是探究突水溃沙的关键问题,以径向裂隙岩样和不同粒径、不同质量浓度的水沙混合物为研究对象,设计一套裂隙水沙混合物渗流试验系统;通过改变沙的质量浓度和粒径大小进行裂隙水沙混合物渗透特性测试,得到水沙混合物裂隙渗流特性参数(有效流度I_e和非Darcy流因子β)。试验结果表明:当沙粒径小于0.180 mm、质量浓度小于80 kg/m~3时,水沙混合物可以视为幂律型流体;随着沙质量浓度和粒径增大,稠度系数增大,幂指数随之减小。水沙混合物在裂隙中渗流速度-压力梯度可用二项式关系式拟合。有效流度I_e、非Darcy流因子β与水沙混合物的质量浓度ρs分别呈幂指数函数关系,随质量浓度增大有效流度I_e也随之增大,非Darcy流因子β则随之减小。水沙混合物在裂隙岩石渗流时,沙质量浓度和粒径对渗流参数都产生影响,但沙密度是主要影响因素。