柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

循环加卸载下柱状节理材料渗透率和孔隙度演化规律研究

 为了研究柱状节理岩体在多次围压循环加卸载下渗透率与孔隙度的演化规律,利用致密岩石惰性气体渗透测试装置,对柱状节理岩体相似材料进行3次围压循环加卸载模型试验,测量柱状节理岩体相似材料在3次围压循环加卸载下渗透率与孔隙度的变化过程,研究渗透率、孔隙度与围压之间的变化关系以及对应力的敏感性。试验结果表明：在第一次围压加载阶段,柱状节理材料渗透率和孔隙度变化较大,且围压卸载后不能恢复初始状态,在此后的围压循环加卸载阶段,围压变化对柱状节理岩体渗透率和孔隙度的影响较小;加载阶段,渗透率和孔隙度与围压均成幂函数关系;卸载阶段,渗透率与围压成幂函数关系,孔隙度与围压成指数函数关系;随围压增大,渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性均减少,围压卸载后,渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性可以恢复;在每个围压循环加卸载阶段,渗透率对围压变化的敏感性与柱体倾角的关系曲线均呈双峰形,且第一个峰值总是大于第二个峰值;围压加载阶段孔隙度与渗透率成幂函数关系,围压卸载阶段孔隙度与渗透率成指数函数关系;柱状节理材料的孔隙度越大,渗透率对孔隙度变化的敏感性越强;柱状节理材料渗透率对孔隙度变化的敏感性与柱体倾角的关系曲线呈双峰形,且第一个峰值大于第二个峰值。     

循环加卸载作用下砂岩孔隙度与渗透率演化规律试验研究

研究砂岩在多次循环荷载作用下孔隙度及渗透率随荷载的变化规律,利用致密岩石惰性气体渗透率测试系统对砂岩进行了5次循环加卸载试验。试验结果表明:砂岩的孔隙度和渗透率随围压的增大而减小,循环加卸载过程中,砂岩的孔隙度、渗透率在加载阶段与卸载阶段的变化曲线均是不重合的。围压加载阶段孔隙度和渗透率随围压的变化关系均呈指数关系,在围压卸载阶段孔隙度与渗透率随围压变化均呈幂函数关系。砂岩在低围压条件下渗透率随围压变化的程度较大,在高围压条件下渗透率变化程度较小。加载阶段砂岩渗透率变化程度在第1次循环期间较大,从第2次循环开始由于岩样一定程度的压密渗透率随围压变化越来越小,而卸载阶段5次循环过程中渗透率随围压的减小而增大,但是循环次数增加过程中,渗透率的恢复程度相对于第一次循环越来越小。     

温度与应力对原煤、型煤渗透特性影响的试验研究

 通过试验分析尺寸效应、温度和应力对原煤及型煤的渗流特性的影响,结果表明,对岩芯直径相同而高度不同的均质试样,尺寸效应对渗透率的测试值误差一般在10%以内;非均质煤样尺寸效应对渗透率的测试值误差范围为4%～40%,甚至可能更高;微裂缝的发育程度是导致煤样渗透率变化较大的主要因素。不同直径的煤样,直径相对较小的煤样在围压加压、卸压条件下渗透率变化比大尺寸煤样更为敏感,渗透率对应力的敏感性大于孔隙度。当煤体经历较高的围压后,孔隙结构将发生塑性变形,煤体会遭受永久性不可逆的损害,表现在孔隙度及渗透率的值无法恢复到初始值。煤在经历高温后,大孔被压缩,但微孔更加发育,比表面积增加,同时煤体的强度将有所降低,当围压增加时,存在一个围压临界点,当围压达到临界点,渗透率会大幅降低。原煤与型煤在加压、卸压条件下渗透率的变化规律一致,均与围压成指数关系。     

不同饱和度砂岩渗透率、孔隙度随应力变化规律研究

 制备含水饱和度为0%～70%的砂岩岩样,利用低渗透岩石气体渗透测试装置,对不同含水饱和度的砂岩岩样进行气渗试验,测量其在不同围压和渗压下的渗透率以及对应围压下的孔隙度,分析和讨论不同含水饱和度低渗透砂岩渗透率、孔隙度与应力三者之间的关系。得到以下结论：含水饱和度低于50%的低渗透砂岩,其气测渗透率随孔隙压力的增大而减小,含水饱和度高于50%的低渗透砂岩,其气测渗透率的变化规律相反;气测渗透率与孔隙压力符合指数函数关系;随着含水饱和度的增大,气测渗透率对孔隙压力变化的敏感性减少,且气测渗透率对孔隙压力变化的敏感性随着孔隙压力的增大而增大;绝对渗透率、孔隙度与围压均呈指数函数关系;随着含水饱和度的增大,绝对渗透率对围压变化的敏感性增大,对孔隙度变化的敏感性减小,且绝对渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性均是随着围压增大而减小;低渗透砂岩的孔隙度与其绝对渗透率的变化成正相关,孔隙度的少量降低即能引起其绝对渗透率的大幅度下降;绝对渗透率与孔隙度成指数函数关系;随着含水饱和度增大,绝对渗透率对孔隙度变化的敏感性增强,且随着孔隙度的增大,绝对渗透率对孔隙度变化的敏感性也逐渐增强。     

不同加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验研究

 利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,以平煤十矿原煤样为研究对象,进行不同加卸载条件下(即增加轴压的同时卸载围压)含瓦斯煤力学特性的试验研究。研究结果表明,不同加卸载条件下含瓦斯煤的力学特性表现各异,主要表现为：加卸载煤样的承载强度比常规加载煤样的峰值强度低;加卸载煤样的承载强度随初始轴力的升高呈指数关系降低、随轴力加载速度的增加呈幂函数关系降低、随初始围压的升高呈指数关系降低、随瓦斯压力的升高呈线性关系降低;随着轴向应变的增加,各条件下变形模量呈现先迅速减小然后缓慢减小直至破坏后保持基本稳定的趋势,泊松比表现出先逐渐减小后增加最后基本保持稳定的趋势。该研究对巷道支护和瓦斯抽采具有重要的指导意义。     

Strength and deformation characteristics of irregular columnar jointed rock mass: A combined experimental and theoretical study

The irregularity of jointed network poses a challenge to the determination of field mechanical parameters of columnar jointed rock mass (CJRM), and a reasonable prediction of deformation and strength characteristics of CJRM is important for engineering construction. The Voronoi diagram and three-dimensional printing technology were used to make an irregular columnar jointed mold, and the irregular CJRM (ICJRM) specimens with different dip directions and dip angles were prepared. Uniaxial compression tests were performed, and the anisotropic strength and deformation characteristics of ICJRM were described. The failure modes and mechanisms were revealed in accordance with the final appearances of the ICJRM specimens. Based on the model test results, the empirical correlations for determining the field deformation and strength parameters of CJRM were derived using the dip angle and modified joint factor. The proposed empirical equations were used in the Baihetan Project, and the calculated mechanical parameters were compared with the field test results and those obtained from the tunneling quality index method. Results showed that the deformation parameters determined by the two proposed methods are all consistent with the field test results, and these two methods can also estimate the strength parameters effectively.     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。     

孔隙压力变化对岩石强度特性的影响

 在油气开采过程中,注采制度的改变必然会引起孔隙压力的波动,进而影响到储层岩石的力学性质。通过三轴抗压实验研究不同孔隙压力下的岩石强度特性及周期性孔隙压力作用下的岩石变形特征,结果表明,围压恒定,随孔隙压力下降,岩石的三轴抗压强度、弹性模量、体积模量、剪切模量都呈现增大趋势,泊松比整体呈下降趋势。对采用降压方式开发的油气藏,随着孔隙压力降低,岩石体积模量增大,体积压缩系数减小,岩石的可压缩性逐渐减弱。孔隙压力周期性加、卸载过程中岩石的轴向应变、径向应变和体积应变都将随循环周期逐渐累积,在加、卸载初期变化较大,随循环次数增加逐渐趋于稳定。岩石强度及变形规律随孔隙压力的变化规律表明,油气藏开发初期的压力降落对储层物性的影响和损害大,在储层开发前期若不采取有效措施稳定地层压力,到储层开发后期,再通过注入流体来改变地层的渗透率不会产生明显的效果,而且岩石变形的累计还可能诱发、诱导地层破坏甚至灾害性事件发生。     

不排水升温–降温过程引起的饱和粉质黏土的热力学响应

通过室内试验,研究不排水条件下反复升温–降温过程引起的饱和粉质黏土的热力学响应。研究表明,在饱和粉质黏土升温–降温的整个作用过程中,试样的温度变化过程在每一个循环内是一致的,而与围压和温度循环次数无关。在每个循环的温度升高过程中,孔隙水压力不断增大并趋于稳定值,且增长趋势类似。同时,归一化最大孔隙水压力随循环次数的增加而增大。在降温过程中,随着温度循环次数的增加,归一化孔隙水压力下降的速率似乎减慢,而残余孔隙水压力则逐渐增大。此外,随着围压的增大,归一化残余孔隙水压力有减小的趋势。随着温度升高,孔隙水和固体颗粒的热膨胀效应导致试样的体积明显增大,而当温度下降时,试样的体积又不断减小并趋于零。     

不同含水饱和度低渗透岩石气体滑脱效应研究

低渗透岩石气体滑脱效应的研究是油气开采与存储领域十分重要的内容,但目前关于低渗透岩石气体滑脱效应的研究大多是在气体单相流下进行的,对于气–液两相流时,液体对气体滑脱效应的影响,所做的研究不足。因此,利用研发的低渗透岩石惰性气体渗透性测试系统,对含水饱和度为0~70%的低渗透砂岩,进行了不同含水饱和度的低渗透岩石气体滑脱效应及有效渗透率变化规律的研究,试验结果表明:(1)二次公式k_g=k_∞(1+b/q-a/p~2)可以较为准确的解释低渗透岩石的气体滑脱效应,准确性明显高于Klinkenberg公式。(2)含水饱和度对低渗透岩石的气体滑脱效应有明显影响,气体滑脱效应随着含水饱和度增大而减少,在含水饱和度超过50%时,气体滑脱效应几乎完全被限制。(3)由于水的作用,含水的低渗透岩石随着围压增大,气体滑脱效应减少,这与克氏理论的结论相反。(4)含水饱和度对低渗透岩石的有效渗透率影响显著,随含水饱和度的增大有效渗透率减少,且围压越大,低渗透岩石的有效渗透率对含水饱和度变化越敏感。(5)低渗透岩石的有效渗透率与含水饱和度符合幂函数关系,即k_∞=k_0(1-S_w)~c。     

利用显微X光CT对围压和孔隙水压条件下岩石试样的细微成像及其分析

 为得到岩石试样在各种围压和孔隙水压条件下的成像并分析其变形,利用显微X光CT系统获得具有5 mm高分辨率的三维图像。为此,设计和制造了一个可以对岩石试样同时加围压和孔隙水压的新型压力容器。用此容器,对高20 mm、直径10 mm的Berea砂岩及Noto硅藻泥岩试样施加静水压并使之变形。在各种围压和孔隙水压条件下,每隔15° 测试其径向尺寸。试样的平均直径随着有效围压的增长而单调减小。在此,有效围压被定义为围压和孔隙水压之差。随着有效围压的增加,其直径的变化根据不同的方向而不同,即其变形的各向异性特征得到了证实。Noto硅藻泥岩试样的各向异性比最大,达8%。实验结果表明,此显微X光CT方法可用来测试在各种围压和孔隙水压条件下一般方法很难测得、小或不规整试样的变形。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究

 为了解低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律,利用自行研制的煤岩体三轴渗透仪,在不同轴压和围压条件下,对以南桐矿区矿井低渗透突出煤层的原煤而制备的试样采用稳态渗流法进行瓦斯渗流试验;比较传统的渗透率计算方法与考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法在低渗透煤体渗流试验数据处理中的差异。研究结果表明：(1) 低渗透煤体中的瓦斯渗流具有显著的Klinkenberg效应;(2) 对于低渗透煤体,Klinkenberg系数b值与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系,而煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系;(3) Klinkenberg系数b值随着煤体绝对渗透率的降低而逐渐增大,煤体的绝对渗透率随着煤体体积应力的增大而逐渐降低;(4) 采用考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法处理试验数据所得到的结果更为合理;(5) 试验得到的煤体渗透率表达式反映了瓦斯压力和应力对瓦斯渗流的共同作用,能很好地模拟低渗透煤层的瓦斯渗流。     

复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变化规律研究

 通过含瓦斯煤渗透特性试验研究,系统分析复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性的变化规律,建立含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压、瓦斯压力、围压升降、全应力–应变过程等之间的定性与定量关系,深入探讨各种不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明,应力路径对含瓦斯煤的渗透率有重要影响：(1) 含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增大而减小,随瓦斯压力的增大而增大。(2) 含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力均呈指数关系变化。(3) 围压升、降过程中,含瓦斯煤渗透率会受到一定程度的损害,其损害程度可以用最大渗透率损害率和渗透率损害率来表征。同时,三维压缩条件下含瓦斯煤会发生二次密实效应。(4) 三轴压缩下全应力–应变试验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈“V”字型变化趋势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,并且渗透率的增幅小于其减幅。     

循环载荷下突出煤样的变形和渗透特性试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井——天府煤业有限责任公司三汇一矿K1煤层原煤制备的煤样为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统,进行固定瓦斯压力及不同围压情况下突出煤试样循环载荷下渗流试验研究。研究结果表明：在循环载荷作用下,煤样产生塑性变形,煤样的弹性模量和渗透率随着循环次数增加呈下降趋势,且在第一循环下降最为明显;卸载过程中渗透率逐渐增大,加载过程中渗透率逐渐减小,卸载和加载时的渗透率–应变曲线围成一个封闭环,与轴向应力–应变曲线形成的封闭滞回环相对应,说明渗透率的变化与煤样的损伤变形密切相关;渗透率变化率和损伤变量呈正相关变化,前几个循环变化较为明显,经过之后几个循环,其数值趋于稳定。     

循环加、卸载孔隙水压力对砂岩变形特性影响实验研究

 利用MTS815岩石力学实验系统对饱和砂岩进行三轴等围压情况下的循环加、卸载孔隙水压力实验。结果表明：压密阶段的加、卸载曲线中出现了很多“Z”状的波动,这些小波的出现没有规律性,初始残余变形比较大,还没有形成明显的滞回曲线。在弹性耦合阶段稳定滞回曲线加载时,应变呈上凹“Z”状波动,在到达上限值前出现拐点,应变达最大值;卸载时,应变呈下凸“Z”状波动,在到达下限值前出现拐点,应变达最小值,该阶段形成稳定的滞回曲线,表现形式由疏变密,稳定滞回曲线包含弹性变形向塑性变形演化。在孔隙水压力的不同上限值和不同幅值区间的耗散能构成不对称“X”形。在加载段,随着孔隙水压力增大,耗散能逐渐减小;卸载段,随着孔隙水压力减小,耗散能逐渐减小。“X”形的交点出现的位置和夹角与不同上限值和不同幅值区间有关。在循环加、卸载孔隙水压力作用下,残余应变与循环次数的关系符合乘幂负指数关系。     

循环孔隙水压力作用下砂岩变形损伤的能量演化规律

 从能量的角度出发,分析砂岩在循环孔隙水压力作用下的变形损伤过程,并探讨在这一变形损伤过程中的能量吸收与释放的演化规律,结果表明：单个循环过程中岩石的滞回曲线分为4个阶段,同时单个循环过程中能量吸收与释放也分为4个阶段。在加载段,单位体积吸收能和单位体积释放能均随着循环次数的增加而减小且逐渐趋向于稳定,孔隙水压力循环下限值越大,单位体积吸收能和单位体积释放能均越大;能量吸收与释放分界点对应的轴向有效应力随着循环次数的增大而增大。在卸载段,单位体积释放能随着循环次数的增大而减小,而单位体积吸收能随着循环次数的增加而增大且孔隙水压力循环下限值越大,单位体积吸收能越小;能量吸收和释放分界点对应的轴向有效应力随着循环次数变化有逐渐下降的趋势。单位体积塑性能随着循环次数的增加而逐渐减小,即随着循环次数的增加,岩石在单个循环孔隙水压力后的损伤变形逐渐减小;在循环初期阶段,孔隙水压力循环上限值相同的情况下,下限值越大,单位体积塑性能越小。     

考虑变围压因素的饱和软黏土循环纯压动力特性

饱和土体的动力特性表现出对应力路径的依赖性。越来越多基于变围压动三轴的试验结果表明：循环围压应力路径对砂土等颗粒材料的变形和回弹特性存在较大的影响。基于变围压动三轴试验,通过循环偏应力与循环围压的耦合模拟真实交通荷载下竖向循环正应力与水平循环正应力的耦合,研究了循环围压对饱和软黏土孔压、永久和回弹变形的影响。试验结果表明：在不排水条件下,与常规恒定围压动三轴试验结果相比,循环围压的存在较大程度地改变了孔压的发展规律,减少了永久变形的累积速度,同时增加了回弹变形（即减少了回弹模量）;循环围压幅值与循环偏应力幅值的比值（RPD）越大,永久应变的减少值与回弹应变的增加值越大;并进一步建立了考虑循环围压因素的饱和软黏土永久沉降和回弹模量预测模型。     

两种有效应力下花岗岩和充填体渗透率变化规律研究

干热岩是地热资源的主要载体。干热岩体花岗岩受地质构造运动影响产生裂隙,熔融岩浆侵入到花岗岩裂隙中,形成含有充填体的花岗岩体。故采用压力脉冲法,以花岗岩母岩和充填体为研究对象,研究改变围压或孔隙压力两种路径下有效应力对花岗岩母岩和充填体渗透率的影响规律。研究表明:在孔隙压力一定情况下,随着围压增大,花岗岩母岩和充填体的渗透率都有一个快速大幅下降阶段和缓慢小幅降低的阶段;通过孔隙压力不变时卸载围压的路径减小有效应力,可以有效恢复花岗岩的渗透率。但通过围压不变时提高孔隙压力的路径减少有效应力达到恢复渗透率的目的时,存在一个“失效围压阈值”,当围压低于该阈值时,提高孔隙压力可以使渗透率得到有效恢复,高于该阈值,提高孔隙压力对渗透率不会有太大的提高;采用孔隙压力一定时降低围压和围压一定时(低于“失效围压阈值”)增大孔隙压力两种路径测试同一试样渗透率时,若两种路径下有效应力相同,则试样渗透率相差不大;通过波速对比和偏光镜图像对比分析了试样在试验前后的孔隙裂隙的压密和塑性变形,从宏观和微观角度证明了“失效围压阈值”存在的合理性。