考虑主应力偏转的采动诱发断层活化机理研究

为探讨采动诱发应力场偏转活化断层机理,采用库仑破裂应力增量为断层单元活化判据,引入损伤因子评价断层面活化滑移破坏程度,模拟分析了主应力偏转对不同倾角断层面上应力分布及断层滑移量的影响.研究表明:采动诱发主应力偏转使得沿断层面剪应力增加,而垂直于断层的正应力又受开采卸压和应力偏转影响而减小;断层倾角越大,断层面上剪应力增量对主应力偏转响应越明显;逆断层下盘工作面向断层方向回采时,断层面附近区域底板主应力最先发生偏转,顶板处主应力偏转滞后于煤层和底板,然而顶板中主应力偏转量最大.不同断层倾角断层损伤因子随主应力偏转角变化呈倒"S"型变化.对于倾角分别为15°,30°,45°和60°断层,当最大主应力偏转至垂直断层时,断层面库仑破裂应力和损伤因子均最小;而偏转至平行断层时,断层库仑破裂应力和损伤因子最大,损伤因子最大值约为最小值的8.5~9.2倍.     

四川省大凉山腹地当前地应力状态分析

在四川省大凉山腹地深度分别为190.15 m和364.10 m的两个钻孔中进行水压致裂地应力测量,以获得当前浅部地壳应力的状态.测量结果表明,在测试段深度内,实测最大水平主应力最高值为14.68MPa,与该区域内已有近似深度地应力测量结果(20 MPa)相比,此次测值有所降低;3个主应力之间的关系为:最大水平主应力最小水平主应力垂直应力,表明大凉山地区地壳浅部构造应力场以水平应力为主导;最大水平主应力方向为北西至北西西向,与区域活动构造的性质和震源机制解得出的主压应力方向基本符合;最后,利用库伦摩擦滑动准则,讨论了当断层摩擦因数μ为0.6~1.0时,测区内主要断裂在该应力状态下的稳定性,认为测区内现今最大水平主应力值暂时没有达到使区域逆断层发生瞬间摩擦滑动的临界值.     

基于岩相-断层破碎带耦合约束的构造裂缝预测研究——以博兴洼陷大芦湖油田沙三中亚段为例

致密砂岩储层广泛发育构造裂缝,严重影响储层非均质性与后期井位部署.本文以博兴洼陷大芦湖油田樊162、樊3区块沙三中亚段致密砂岩储层为例,从影响构造应力的地质材料体不均一性与构造强度的差异性入手,将沉积相控制下的岩相展布模型与断层内部结构模型进行耦合,进行岩相-断层破碎带耦合约束下的构造应力场数值模拟,通过建立应力场与裂缝参数间关系,构建裂缝密度空间展布模型进行裂缝分布预测,认为构造裂缝的发育受断层结构和岩相差异的耦合控制.研究结果表明:研究区断层核部最大主应力在50～60 MPa之间,水平应力差在58～79 MPa之间,属应力中低值区域,裂缝密度集中在1.2～2.7条/m.在断层上盘的砂砾岩相部位最大主应力在41～52 MPa,水平应力差在78～91 MPa,属应力低值区域,裂缝密度集中在1.0～1.7条/m;在断层上盘的细砂岩相部位,最大主应力在73～76 MPa,水平应力差在90～95 MPa,属应力中高值区域,裂缝密度在3.5～4.0条/m.在断层破碎带上盘部位、河道前缘砂坝的中粗砂岩相与朵叶体的粉砂岩相交互处,最大主应力在73～80 MPa之间,水平应力差在106～110 MPa,属应力高值区域,裂缝密度集中在3.5～5.0条/m.总体呈现出伴随距断层核部距离的增加,裂缝密度先增加后减小的规律;距断层越近,构造应力对裂缝发育影响权重越大,距断层越远,岩相类型对裂缝发育影响权重越大.     

南堡凹陷现今地应力特征及影响因素

为了明确影响南堡凹陷现今地应力分布的各个因素并确定主控因素,基于80余组实测地应力数据,并结合测井计算、数值模拟及理论推导的手段,建立了埋藏深度、岩性、断层、构造形态、孔隙流体、温度及压裂裂缝与现今地应力之间的关系,定量分析了各个因素对地应力大小及方向的影响程度,认为南堡凹陷现今地应力分布的差异是动静态因素共同作用的结果.研究结果表明:埋深直接影响地应力的大小,其分量及应力系数随埋深增大呈规律性变化,且地应力状态发生2次转换;岩性的非均质性是地应力大小离散分布的重要原因,对地应力方向造成不超过10°的微弱偏转;断层引起周围一定范围内地应力大小显著变化并造成地应力方向杂乱分布,应力集中程度最高可达10余倍;构造形态对水平应力的影响尤其显著;孔隙流体通过改变岩石力学性质和孔隙压力影响了地应力,其大小变化幅度约18～30 MPa,方向最大变化约10°;地温引起地应力微弱且均匀变化,而注水导致的温度变化能够造成地应力大小和方向的突变,应力大小最高可达15 MPa,方向偏转超过10°,但是影响范围仅限于井筒周围;压裂裂缝引起井筒周围局部应力场的明显扰动.静态因素的影响方式具有一定规律性,而动态因素往往引起井筒周围局部应力场的突变,导致地应力的离散分布.     

断层对盐岩储库流-固耦合及稳定性的影响

层状盐岩中天然气储库围岩存在节理裂隙或断层,可能会增大天然气渗漏的风险.为研究断层对盐岩天然气储库流-固耦合特性及稳定性的影响,建立了有断层的盐岩天然气储库数值模型,分析储库围岩的扩容、渗流深度、塑性区扩展范围和流变变形.结果表明,围岩断层附近围岩应力、应变集中和扩容现象明显,渗透率增大;在地应力和渗流压力(洞室天然气内压)共同作用下,断层岩体渗流深度、塑性区深度和变形均比其他部位大;加大天然气内压渗流深度增大,但可提高围岩稳定性.研究成果对遇断层盐岩储气库的设计和安全运行具有一定的指导作用.     

河谷坡度对岩体地应力场影响的数值模拟

通过选取河谷坡高及谷宽作为引起坡度变化的主要因素,采用FLAC3D计算程序,并结合河谷发育演化史,研究了坡度变化对河谷岩体地应力的大小、方向及分布的影响。研究结果表明:1)谷底应力集中现象明显,呈现河谷区典型的"应力包"分布特征,应力集中区范围及最大主应力量值均随坡度的增加而增大;2)谷坡上方浅部属于低应力区,最大主应力值随坡度的增加而减小,而谷坡下方靠近坡脚附近的最大主应力值随坡度的增加而增大;3)主应力方向分布特征在河谷不同部位存在明显的差异,且坡度越大,差异越明显。最后,以南水北调西线工程阿达坝区为例,对坝区地应力场分布特征进行分析,进一步验证了数值模拟结果的正确性及合理性。     

河谷坡度对岩体地应力场影响的数值模拟

通过选取河谷坡高及谷宽作为引起坡度变化的主要因素,采用FLAC3D计算程序,并结合河谷发育演化史,研究了坡度变化对河谷岩体地应力的大小、方向及分布的影响。研究结果表明：(1)谷底应力集中现象明显,呈现河谷区典型的“应力包”分布特征,应力集中区范围及最大主应力量值均随坡度的增加而增大;(2) 谷坡上方浅部属于低应力区,最大主应力值随坡度的增加而减小,而谷坡下方靠近坡脚附近的最大主应力值随坡度的增加而增大;(3) 主应力方向分布特征在河谷不同部位存在明显的差异,且坡度越大,差异越明显。最后,以南水北调西线工程阿达坝区为例,对坝区地应力场分布特征进行分析,进一步验证了数值模拟结果的正确性及合理性。     

地震荷载作用下锦屏地下厂房动力分析

锦屏地下厂房洞室群规模巨大,厂区断层及裂隙密集带发育,实测最大主应力达35.7 MPa,为高地应力区。该区基本烈度VII度,50年超越概率5%的水平峰值加速度达到0.167 g,抗震问题突出。采用输入加速度时程法,对该地下厂房5#机组段二维有限元模型进行动力时程分析。结果表明:5#机组段进行系统支护后,在地震荷载作用下,三大洞室协调振动,上下游边墙处动位移及速度差异较小;厂区水平向及铅直向加速度约为2.7 m/s2和1.9 m/s2,分别为输入加速度的1.65和1.73倍;围岩动力破坏区及动拉应力区分布规律与静力作用下相近,但其深度和量值有所增加,且在局部区域有新拉应力区生成;动拉应力区深度在3.7 m以内,其量值一般小于0.2 MPa,说明加固措施有效,可以满足抗震要求。     

丹江口库区初始地应力场的反演

根据丹江口库区的地质构造,考虑断裂破碎带和岩石力学参数随埋深变化,建立计算模型,反演分析了库区的初始地应力场,结果表明:1)库区地应力的临界深度在1km埋深附近;2)水平方向两个主应力,在埋深750m范围内X轴方向为主压应力,随埋深由13MPa增至23MPa,Y轴方向为主拉应力,随埋深由12MPa减至0,埋深750m以下两个坐标轴方向均为主压应力且随埋深增加;3)两个水平主应力差在埋深10km范围内随埋深基本呈线性增加,大约10km深处急剧减小,20km以外基本消失,岩体处于静水压力状态.     

采动断层活化导水特征分析与实验研究

断层活化导水是煤矿突水的一种重要形式,具有较强的危险性和隐敝性.根据裂隙介质水动力学理论,提出了断层附近原始导升带内的地下水压力大于断层面的法向应力是断层活化导水的必要条件,开采作用导致地下水压力与地应力失去原有平衡是断层活化导水的诱因.研究结果表明:对于不导水的岩样裂隙,当注水压力大于围岩压力时出现渗流现象.葛亭煤矿井下注水试验显示当注水水压力达3.5MPa(数值模拟该处的地应力值2～4MPa)时F6断层活化导水.理论分析、室内试验和现场试验结果具有一致性.     

三维地应力场测试及围岩稳定性分析

为解决涡北煤矿-450水平运输大巷破坏严重的问题,采用岩石Kaiser效应法对-450水平进行地应力测量。结果表明:-450水平最大主应力为15.36 MPa,属中高应力区,水平应力过大不利于巷道维护。在地应力测试基础上,应用UDEC数值模拟对变形量进行了预测。研究表明,锚杆支护完全能够满足围岩稳定的要求,可为巷道开挖提供合理的支护方案,为矿区巷道围岩控制提供借鉴和指导。     

地应力约束下米级油页岩高温蒸汽压裂与渗流-传热特征

为了探明高温蒸汽原位压裂油页岩的过程与机理,评价高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中温压时空演变规律,以大尺寸(米级)油页岩作为研究对象,采用实验室物理模拟的方法研究了在地应力约束下油页岩储层在高温蒸汽持续作用下表现的宏观压裂-渗流-传热特性.试验结果显示：高温蒸汽压裂需要克服地层应力和热应力叠加的约束作用,起裂压力值高,可达地应力的2倍;油页岩顶底板致密低渗,可以对压裂矿层起到较好的保温和隔热作用,热解区域完全靠蒸汽的流动规律控制;高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中,蒸汽压力(最大0.97 MPa)要远低于地层应力(3.82 MPa),当蒸汽沟通注热井和生产井时,二者的压力表现出协同一致的变化特征.在低地应力油页岩原位注热开采过程中,可以采用高温蒸汽压裂技术,压裂后矿层渗流通道良好,在矿层中注入较低压力的蒸汽便可实现大范围热解,通过注热井和生产井的轮换和调控,可以快速控制热解区域的走向.     

南堡凹陷高深北区三维非均质应力场精细预测

为了明确南堡凹陷高深油藏现今地应力三维分布特征,通过井壁崩落法与声发射法确定了井点现今地应力方向与数值,基于"岩心-测井-地震"相结合,构建了南堡凹陷高深北区三维非均质岩石力学场,采用Petrel与Ansys联合建模技术,开展了高深北区三维应力场的精细预测,认为断层与岩性是复杂断块油藏地应力分布的主要影响因素.研究结果表明:高深北区现今地应力方向总体为NEE向,变化范围为NE58°～86°,断块内、断块间的现今地应力方向变化明显;现今地应力数值呈西低东高的分布趋势,在平面上和剖面上离散性较强,为Ia类地应力,层间地应力差异明显,划分了5种地应力剖面类型.断层是导致高深北区应力场分布差异大的最主要因素,对其数值和方向均有显著影响,应力方向在断层附近发生约5°～10°的偏转,应力数值降低约30%,其次是储层岩石力学参数,对地应力数值影响较大,埋深与地应力数值具有较高的线性相关;Petrel与Ansys联合建模技术实现了三维模型及非均质岩石力学场的构建,形成了一套针对复杂断块非均质油藏的现今地应力三维空间分布综合预测技术,为类似复杂断块区地应力精细预测提供参考.     

阳江抽水蓄能电站地应力场回归分析

采用基于三维有限元正演分析、应力实测资料及将岩体自重和构造应力作为地应力的主要构成因素的多元线性回归方法,对阳江抽水蓄能电站的地应力场进行回归分析.通过拟合实测地应力资料获得对应于地应力构成因素的回归系数,进一步获得了整个工程区特别是重要工程部位的岩体应力分布.回归结果表明:工程部位岩体属中等应力水平,最大水平主应力方位随埋深的增加由EW方向至NWW方向偏转.文章最后揭示了工程局部应力场与区域应力场构造的关系.     

考虑主应力偏转影响的基坑开挖应力路径

针对目前基坑开挖应力路径研究中缺乏对主应力偏转影响的考虑,引入主应力方向角的概念并推导了其计算方法,建立了p-q-α三维应力状态体系。以黏土超深基坑开挖工程为算例,采用有限元软件ABAQUS模拟基坑开挖全过程,对基坑不同区域关键位置点在开挖卸荷过程中的三维应力路径进行了研究。结果表明,坑底土体平均压应力p减小,广义剪应力q先减小后增大,主应力方向角α偏转幅度较大;坑侧土体主应力方向角α有明显偏转,但应力路径的发展与支撑的设置密切相关,基坑坡顶土体则几乎不发生主应力轴偏转。     

深层致密砂岩储层现今地应力场预测及应用——以塔里木盆地克拉苏构造带克深10气藏为例

为建立一套适用于塔里木盆地复杂地质条件下深层致密砂岩储层的现今地应力预测方法,基于"单井地应力测井解释+三维地应力场模拟"开展三维非均质应力场研究,并将研究成果应用于勘探方面的井位部署、钻井工程中的井眼轨迹优化及完井工程的储层改造方式优选.本文以克拉苏构造带克深气田的克深10气藏为例开展研究,认为较宽的泥浆窗口(不低于0.3 MPa/hm)是钻井提速的安全保障,优选天然裂缝发育(裂缝密度大于0.3条/m)、水平应力低于平均值2～3 MPa、力-缝夹角小于45°且裂缝开启压力低(一般低于2.05 MPa/hm)的层位射孔是提产的关键.研究结果表明:克拉苏构造带深层致密砂岩储层现今应力场普遍属于走滑型(S_(Hmax)S_VS_(hmin),III类),现今地应力数值高,最小水平主应力普遍高于110 MPa,水平应力差多大于35 MPa,且分布离散;现今最大水平主应力(S_(Hmax))方向总体为近NS向,局部为NW或NE向;受强烈且持续的构造挤压和巨厚盐层的影响,库车山前现今地应力状态在纵向上可能发生4次转变,这种复杂应力环境、复杂构造和岩性对钻井的井壁稳定带来极大挑战;基于现今地应力研究评价井壁稳定性从而优化井眼轨迹减少了20%的钻井复杂事故,至少节约了15%的钻进时间,直接促进了钻井提速;考虑地应力因素优选射孔层位,为确定钻井揭开位置和最优储层改造方式提供直接参考.     

采场地应力分布规律及对巷道围岩稳定性影响分析

采用空芯包体应力法对桃园煤矿二水平地应力大小和方向进行了现场测试,由实测结果可知,二水平岩体地应力场宏观上属于水平构造应力场,最大和最小主应力倾角均值小于10°,最大主应力是最小主应力的1.58～1.84倍,中间主应力与垂直应力较为接近,随埋深的增加垂直应力相应增大。依据巷道轴向与最大水平主应力方向倾斜程度,对二水平采区主要巷道进行了稳定性分析,26.8%的主要大巷和66.7%的采区巷道受最大水平主应力影响为3级,表明主要大巷布置较为理想,而采区巷道矿压显现剧烈,还有较大的优化空间。     

阳江抽水蓄能电站套芯解除法深钻孔三维地应力测量研究

运用深钻孔套芯解除法对阳江抽水蓄能电站进行了三维地应力测量,并将测试结果与水压致裂法进行了比较.结果表明:工程区域应力属于中等水平,最大水平主应力方向由浅至深逐渐向NWW方向偏转,2种方法的测试结果基本相同.     

交通和运行荷载耦合作用下管道承插口力学响应研究

承插式混凝土管是目前最为常见的城市排水管道结构形式,在管内流体和上覆荷载的耦合作用下可能发生接头破坏,进而引发管道渗漏。基于Abaqus和Fluent有限元软件建立了考虑橡胶圈承插口的排水管道三维精细化模型和管内流场模型,在充分考虑管土相互作用、承插口和橡胶圈接触以及管内流体的情况下,借助MpCCI (mesh-based parallel code coupling interface)平台联立求解了结构和流体模型,重点研究了不同流量、交通荷载大小和作用位置对承插口动力响应的影响规律。结果表明,在多场荷载的作用下,中心管节的最大主应力和竖向位移最大,且管底和管顶的应力分布规律相同,均受拉,但管底的应力值稍大;流量的改变对承插口的力学响应影响较小;交通荷载幅值大小对承插口的最大主应力和竖向位移的作用较显著,且影响集中在中心管节;荷载作用位置的移动对承插口竖向位移和管顶、管底的力学响应影响较明显。     

褶皱区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响

为探讨褶皱构造区应力场分布规律及其对冲击矿压的影响,采用FLAC2D数值模拟程序,研究了褶皱构造形成过程中的应力分布规律和工作面开采导致的局部应力场变化规律.结果表明,褶皱形成后,褶皱核部的最大水平应力比翼部大,翼部的最大水平应力比背斜处大,褶皱构造区具有初始地应力场分布的非均匀性;与仰采推进相比较,从背斜往向斜的方向俯采推进时,煤岩体内应力集中程度更高,褶皱区具有开采后局部地应力场变化的方向性.褶皱向斜部分是水平应力集中区,采掘时冲击危险性较高,而翼部、背斜处的冲击危险性次之;褶皱区工作面最有利的推进方向应是自向斜起往背斜方向推进.