液氮致裂层理煤体热–流–固–损伤耦合模型及数值模拟研究

煤体原生层理对煤体力学性质有显著影响,为探究液氮低温致裂层理煤体裂纹扩展及劣化失稳机制,基于细观基元理论和损伤力学理论建立热–流–固–损伤耦合模型,并利用COMSOL软件模拟获得不同应力比下液氮致裂层理煤体裂纹扩展分布特征,分析压裂过程中煤体损伤、渗透率和温度的演化规律。结果表明：液氮注入煤体初期(5 s),钻孔附近与液氮接触煤体温度急剧下降形成小范围超低温区,产生的热应力超过煤体抗拉强度,在钻孔周围产生损伤破坏区域。随着液氮注入压力增加,煤体内部出现多条主裂纹,主裂纹主要沿层理方向发育并生成次生裂隙,且钻孔周围形成复杂破坏区域,煤体损伤开始增大,渗透率也随之增加;注入压力持续增加煤体进入失稳阶段,煤样内部大量裂纹贯通,煤体发生破坏,煤体损伤和渗透率也逐渐达到峰值。煤体损伤、裂隙压力与渗透率随着煤体层理角度增加呈增加后减小趋势,层理角度为45°时达到最大值;煤体损伤、裂隙压力与渗透率在应力比为0.5时达到最大,应力比从0.5增大到1时大幅减小,应力比超过1后逐渐趋于平稳。层理对煤体液氮压裂的起裂压力影响显著,不同层理角度条件下煤体液氮压裂起裂压力变化规律相似,随层理角度增加,起裂压力呈...     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

考虑层理方向煤岩的静动巴西劈裂试验研究EI北大核心CSCD

利用MTS815岩石力学测试系统和SHPB动态测试系统分别对垂直、平行2种层理方向煤岩进行静、动巴西劈裂试验研究,旨在探讨不同加载率下,层理煤岩的抗拉强度及其破坏特性。试验结果表明:(1)煤岩具有较强的各向异性特性。平行层理方向煤岩抗拉强度大于垂直层理方向煤岩的抗拉强度;平行层理方向煤岩随加载率变化,其抗拉强度的波动较垂直层理煤岩明显,离散现象更为显著;垂直层理煤岩破断形态较平行层理煤岩更具多样性。(2)煤岩抗拉强度及变形特性具有明显的应变率效应。随加载率增大,煤岩抗拉强度增大,呈线性或乘幂关系;加载率越大,煤岩越破碎。(3)煤岩自身组成成分及构造特点是煤岩离散性的重要影响因素,也是影响煤岩强度、变形各向异性特征的内在原因。     

考虑层理方向煤岩的静动巴西劈裂试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统和SHPB动态测试系统分别对垂直、平行2种层理方向煤岩进行静、动巴西劈裂试验研究,旨在探讨不同加载率下,层理煤岩的抗拉强度及其破坏特性。试验结果表明:(1)煤岩具有较强的各向异性特性。平行层理方向煤岩抗拉强度大于垂直层理方向煤岩的抗拉强度;平行层理方向煤岩随加载率变化,其抗拉强度的波动较垂直层理煤岩明显,离散现象更为显著;垂直层理煤岩破断形态较平行层理煤岩更具多样性。(2)煤岩抗拉强度及变形特性具有明显的应变率效应。随加载率增大,煤岩抗拉强度增大,呈线性或乘幂关系;加载率越大,煤岩越破碎。(3)煤岩自身组成成分及构造特点是煤岩离散性的重要影响因素,也是影响煤岩强度、变形各向异性特征的内在原因。     

压实黄土强度及渗透各向异性研究

为揭示各向异性对黄土强度和水分场的影响,通过抗剪强度试验和渗透试验对压实黄土强度和渗透各向异性进行研究。结果表明:压实黄土存在强度各向异性,其垂直方向强度参数大于水平方向;压实黄土粘聚力各向异性随含水率增大而减小,干密度对压实黄土粘聚力各向异性无显著影响;含水率和干密度对压实黄土内摩擦角各向异性均无显著影响;压实黄土存在渗透各向异性,水平方向渗透系数大于垂直方向;压实黄土渗透系数随着干密度、围压的增大而减小,且增大到一定程度后变化趋于平缓;干密度、围压对压实黄土渗透各向异性都有较大影响,随着干密度和围压的增大,压实黄土的渗透各向异性会逐渐削弱。     

基于波速测量的龙马溪组页岩的各向异性研究

随页岩气开采大力发展,对页岩的认识也逐显重要。页岩作为明显的层状结构岩石,普遍表现出各向异性。为此,基于横观各向同性介质模型,通过测量岩样不同方向的纵波波速和快慢横波波速,计算了长宁区块龙马溪组岩样的刚度系数与弹性系数,并与静载荷试验测定的弹性参数做出对比。试验结果表明,页岩的纵波波速以及快慢横波波速均表现出各向异性,并且随围压升高,波速升高速率变缓。岩样的杨氏模量与泊松比亦表现出各向异性,水平方向上的杨氏模量始终高于垂直方向上的杨氏模量,而3个方向的泊松比不一致。动态加载测试值与静态加载测试值随围压变化趋势一致,并且随围压升高,由孔隙和微裂缝引起各向异性减弱。考虑页岩中微裂缝的存在,通过弥散损伤模型计算龙马溪组页岩的损伤参数,认为在围压作用下微裂缝主要存在于平行层理面方向,围压对垂直层理面的裂缝影响较小。     

高温三轴应力作用下油页岩的渗透特征各向异性演化规律实验研究

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向的油页岩的渗透率的演化规律。研究表明,垂直层理方向的渗透率在20℃～450℃在10^-20 m²之下,超出了稳态法渗透测试系统测试范围,处于超低渗阶段;当温度超过450℃之后,渗透率处于2.5×10^-19～1.17×10^-17 m²范围,450℃称之为垂直层理渗透率演化的阈值温度。平行层理的渗透率在20℃～400℃范围,都处于较低渗透率阶段,为2.3×10^-19～2.9×10^-18 m²,当温度高于400℃,平行层理方向的渗透率急剧增加,量级在10^-16～10^-15范围,因此400℃被称为平行层理渗透率演化的阈值温度。然后利用高温三轴瞬态法渗透测试系统,测得了...     

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。     

杂质盐岩渗透特性试验研究

利用四川大学THMC岩石三轴试验系统,针对中国天然气储库杂质盐岩开展全过程渗透试验研究,并通过试验结果拟合出同时考虑围压、扩容体积应变以及杂质含量的多因素耦合杂质盐岩渗透模型。研究表明:杂质含量、杂质分布及成分对盐岩渗透性均有显著影响,不同杂质含量盐岩损伤恢复后渗透率均有所降低,其塑性变形可分为2个阶段,I阶段渗透率增长迅速,II阶段渗透率增速减缓甚至渗透率下降,盐岩破坏后渗透率明显增大,残余阶段能维持在相对稳定的水平;低渗夹层制约盐岩垂向渗透性,而泥质成分盐岩较钙芒硝质盐岩渗透率更低。由拟合的多因素耦合渗透模型可得到:围压越高渗透率越低,扩容体积应变越大渗透率越高。当杂质含量大于0.46时,渗透率随杂质含量的增大而增大,当杂质含量小于0.46时,渗透率随杂质含量的增大而减小。     

各向异性岩石纵、横波的波速比特性研究

通过对板岩、千枚岩、糜棱岩和变质砂岩等4种各向异性岩石在平行和垂直层理或板理的3个正交方向上进行大量的纵、横波波速试验，并结合对相关文献中已有岩石波速数据的深入分析，提出岩石介质纵、横波波速比的各向异性效应。这种效应广泛存在，其发育程度受到岩石类别的控制。在试验所用的4种岩石中，板岩和千枚岩的波速比的各向异性明显，而糜棱岩和变质砂岩则不甚发育。波速比的各向异性特征主要表现为垂直层理方向上的波速比普遍小于平行层理方向，且两方向波速比的相对增量还随着垂直层理方向上的波速比的增大而逐步减小。基于横观各向同性弹性介质的波速方程，还进一步通过具体算例对这一特征进行较好的理论分析。     

Laboratory study on the mechanical behaviors of an anisotropic shale rock

Shale gas is becoming an important energy source worldwide.The geomechanical properties of shale rocks can have a major impact on the ef fi ciency of shale gas exploration.This paper studied the mineralogical and mechanical characteristics of a typical gas shale in Ohio,USA.Scanning electron microscope(SEM)with energy dispersive X-ray(EDX)analyses was employed to measure the microstructure and material composition of the shale rock.The anisotropic behaviors of shale rock,including compressive and tensile strengths,were experimentally measured.The characteristics of shale rock were also studied by nondestructive wave speed measurements.The shale demonstrated strong anisotropic behaviors with the tensile strengths perpendicular to the bedding plane around 300e360 times of that parallel to bedding plane.Results of ultrasonic tests indicated that both compression and shear wave velocities show strong anisotropic patterns.The compression wave speed was the smallest in the direction perpendicular to the bedding plane;while the shear wave speed was the smallest in the direction parallel to the bedding plane.The ratio of wave speed anisotropy is around 1.3e1.4 for compression wave;the ratio of shear wave speed anisotropy is larger and more diverse compared with the compression wave anisotropy.This might be related to the larger variability in the frictional adhesive strength along bedding plane than the compressive adhesive strength.     

黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究

 气体压裂作为一种新型的无水压裂技术,对页岩气开采具有重要意义。为探究不同层理方向页岩气体压裂破坏机制,以彭水黑色页岩为试样,首先系统地分析其力学各向异性特征,并利用自行改造组装的高压气体压裂系统分别对轴向平行层理页岩和轴向垂直层理页岩开展气体压裂试验,研究层理方向对页岩的变形、强度、声发射特征和破坏形态的影响,揭示页岩气压致裂破坏的机制,讨论不同加载方式下层理效应对页岩破坏强度的影响。研究表明：(1) 黑色页岩的拉、压力学特征受层理方向影响明显,平行层理面加载页岩与垂直层理面加载页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、剪切模量之比分别为：138.22%,44.37%,169.17%,173.27%,泊松比受层理影响小。页岩平行层理面加载时,容易沿层理面产生张拉破坏;垂直层理面加载时,在层理本身发生剪切滑移破坏。(2) 轴向垂直层理面页岩的破坏气压、破坏时间分别是轴向平行层理面页岩的4.2和3.35倍,前者沿层理弱面发生拉伸破坏,后者以拉伸破坏为主,也有剪切破坏发生,其破裂面凹凸起伏明显。所有变形曲线呈非线性变化,垂直层理面页岩的变形大,其变形曲线出现异常拐点,侧向变形曲线呈下凹趋势;轴向平行层理试样的变形曲线相对光滑,侧向变形曲线呈上凹趋势。AE能率反映了轴向垂直层理页岩破坏更加剧烈。(3) 加载方式对页岩强度的层理效应系数影响显著,影响最大的是气体压裂试验,最小的是单轴压缩试验。     

考虑层理方向效应煤岩巴西劈裂及单轴压缩试验研究

 针对淮南矿区B10煤层以水平层理为主,且层理性较强的特点,通过巴西劈裂及单轴压缩试验,研究煤岩在垂直和平行于层理面方向上的拉、压力学特性。研究结果表明：(1) 煤岩垂直和平行于层理面方向抗拉强度均具有明显的离散性,但前者离散程度更大;对比两者均值,前者显然小于后者,各向异性显著。(2) 宏观煤岩成分分布的随机性及其物理力学性质的差异是导致煤岩抗拉特性离散性的重要条件;而宏观煤岩成分的条带状分布特点,以及煤岩割理系统分布的方向性,则是决定煤岩力学特性各向异性的内在原因。(3) 煤岩垂直与平行于层理面方向单轴压缩轴向应力–应变曲线相比,前者峰前变形特征相似,力学性态稳定,峰后应力跌落迅速,脆性特征明显;后者则峰值前、后各曲线均变形各异,力学性态不稳定。煤样的轴向峰值应变均小于1%,变形特征属脆性破坏。(4) 垂直和平行于层理面方向单轴压缩煤样的断口破坏形态分别以剪切和劈裂破坏为主,且2个方向的单轴压缩强度及变形参数均具有明显差异,各向异性特征显著。(5) 煤岩垂直和平行于层理面方向单轴压缩特性均具有一定的离散性,但后者离散程度更大。(6) 煤岩单轴抗压强度远大于抗拉强度,垂直和平行于层理面方向单轴抗压强度分别为抗拉强度的40.1和14.7倍。     

单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究

层理对煤岩体宏、细观力学性质都有重要影响。为探究不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及变形破坏中的声发射特征,分轴向平行层理和轴向垂直层理2种情况进行煤岩制样,采用MTS815岩石力学试验系统和PAC声发射仪,开展单轴加载条件下破坏全过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩AE时序参数、能量释放规律、空间演化特征和AE振幅分布的层理效应。研究表明:相对于轴向垂直层理煤岩,轴向平行层理煤岩在整个受力过程中AE振铃计数和能量释放更强,但单位时间的AE振铃数和能量释放更平缓,轴向垂直层理煤岩呈现急剧猛烈的能量释放特征;轴向平行层理煤岩中,一定规模的AE事件在更低应力水平就会产生,其AE空间分布更加均匀,无轴向垂直层理煤岩的成核现象;在变形破坏全过程中,轴向平行层理煤岩AE振幅分布变化幅度较小,其b值更大,大尺度AE事件比例更低。研究成果在一定程度上反映了煤矿开采过程中工作面和上覆煤岩的层理方向对其声发射特征的影响,可对现场声发射监测围岩破坏情况提供借鉴和参考。     

渗透各向异性对基坑工程性状的影响研究

天然沉积的土体在结构构造上呈现出各向异性特征,因而在渗透上也呈现出各向异性特征。基于比奥固结理论,开发出了考虑渗流与土骨架变形耦合的三维基坑有限元程序,分别分析竖向渗透系数不变时和水平向渗透系数不变时渗透各向异性对基坑变形的影响。研究表明,无论是水平向渗透系数不变还是竖向渗透系数不变时,随着渗透各向异性系数的增大,支护结构的水平位移都增大,坑外较远距离处的地表沉降都减小;但对于坑底隆起变形,则是当水平向或者竖向渗透系数不变时,另一个方向的渗透系数越大,坑底的隆起变形量越大。因此,在进行基坑工程建设时,应考虑渗透各向异性的影响。     

考虑侧向变形的各向异性砂土土压力试验研究

 基于各向异性砂土在不同常应变增量比条件下的应变路径试验研究土压力系数与侧向应变约束条件之间的密切关系,并且进行各向异性砂土的土压力离心模型试验,验证材料试验的规律,分析比较大主应力与沉积面夹角不同时填土的土压力及位移场随挡墙位移变化规律的异同。研究结果表明,大主应力分别垂直和平行于沉积面的2种情况下,K0状态附近的滑动区域差别较小,土压力大小差别较小。随着挡墙位移的增大,2种情况下填土形成的滑楔体大小和土压力大小的差异明显增大,大主应力垂直于沉积面时填土中形成的滑楔体尺寸较小,土压力也相对较小。试验结果表明,与各向同性的情形相比,各向异性使静止状态的土压力增大,对极限状态影响较小,表明压缩变形各向异性明显比强度各向异性影响要大。