水、ScCO_2致裂煤体裂纹形态与形成机制研究

为研究不同压裂条件下致裂煤体裂纹形态与形成机制,采用无烟煤试件在轴压/围压分别为12/10,14/10和16/10MPa下开展水力、ScCO_2压裂试验,综合运用显微CT和三维形貌扫描表征压裂后裂隙煤体的内部裂纹形态、裂纹面粗糙度特征,并讨论不同压裂条件下致裂煤体裂纹的起裂扩展机制。结果表明:ScCO_2压裂形成的裂纹数目更大、分叉更多、开度更小、裂纹面曲折度更高,显微CT得到的孔裂隙率表明ScCO_2压裂改造范围大于水力压裂;与水力压裂不同,ScCO_2压裂影响范围更大、释放的能量更多,导致裂纹网络趋于一次形成;水、ScCO_2压裂裂纹起裂扩展均受地应力状态、层理弱面的影响,只有垂向地应力差异系数大于0.6,才能产生纵向主裂纹,反之,产生横向主裂纹;采用最大拉应力理论能较好预测产生纵向裂纹的临界起裂压力,而基于莫尔–库仑理论推导的起裂准则,能较好预测水、ScCO_2致裂煤体下产生横向裂纹的临界起裂压力,相对误差在5%以内。     

高压电脉冲水力压裂法煤层气增透的试验与数值模拟

为了提高低渗透性煤层气的抽采效率,揭示高压电脉冲水力压裂技术对煤体产生裂缝的效果及裂缝的扩展演化规律,通过实验室试验,对煤样进行单纯静水压裂(3 MPa)和相同水压力(3 MPa)、不同放电电压(5,10 k V)条件下的高压电脉冲水力压裂试验,应用CT扫描技术分析了煤样内部裂纹的起裂、发展、分布情况;建立数值模拟分析水压电脉冲作用下裂隙的发展规律和裂缝周边的应力分布情况。研究结果表明:在相同静水压力作用下,高压电脉冲水力压裂煤层比单纯静水压力致裂效果明显;放电电压越高,在裂隙尖端产生的拉应力值越大,煤体易产生疲劳损伤破坏,裂隙易产生、易发展;放电电压越高,裂纹数量越多,裂纹的起裂时间更早,裂缝延伸长度更长,宽度更宽,致裂效果更好;可证明高压电脉冲水力压裂煤层方法有效,技术可行。     

含预制裂隙黑色页岩裂纹扩展过程及宏观破坏模式巴西劈裂试验研究

为研究在层理和预制裂隙共同作用下黑色页岩的断裂特性及破断机制,对含预制裂隙的圆盘试件进行巴西劈裂试验,并利用高速照相机和声发射监测装置对试件的破坏过程进行监测。结果表明:预制裂隙会削弱试件的强度,随层理和预制裂隙角度的变化,试件的强度会表现出显著的差异性。层理角度和预制裂隙角度会影响试件起裂点的位置和裂纹尖端起裂角的大小,当预制裂隙角度较小时,试件的起裂点会偏离预制裂隙尖端,裂纹沿试件中部或层理面扩展;随预制裂隙角度增大,试件起裂点逐渐转移至预制裂隙尖端,裂纹由预制裂隙尖端向应力加载方向扩展,且层理角度对裂纹起裂角的影响随预制裂隙角度增大而逐渐减弱。根据试件的裂纹形态和形成机制,可将含预制裂纹试件的破坏模式划分为5种类型,其声发射计数的时间分布特征可以划分为2种类型。同时,结合数值模拟和理论分析结果可以看出,黑色页岩表现出一定的横观各向同性特征,其层理效应随层理角度增大而增强,随预制裂隙角度增大而减弱;且最大切向应力准则可以作为预制裂隙起裂的判据。     

煤体在不同层理方位Ⅰ型断裂特征试验研究

通过Ⅰ型断裂试验、3D形貌扫描技术,对沁水煤田15#煤的3种不同层理方位条件下Ⅰ型断裂特性、断裂面形貌特征以及层理、内生裂隙等影响下I型裂纹扩展规律进行了分析研究;并通过水压致裂试验,验证了约45°天然裂隙面对水力裂缝扩展的影响。结果表明:沿平行层理方位煤岩的断裂韧度KIC、断裂面面积、线粗糙度在3种方位中最低;在正交及垂直层理方位断裂时,煤岩体中裂纹扩展的有效路径更长,更有利于连通较多的孔裂隙,进而有利于改善煤层渗透性。同时,在该煤岩I型断裂试验中,在内生裂隙影响下裂纹扩展路径在正交层理方位的波动偏转角度最大,近似达30°;在该含天然裂隙煤岩水压致裂试验中,水力裂缝贯穿45°天然裂隙面扩展,沿垂直层理方位压裂后,裂面面积比其投影面积增大约0.3倍。结论对煤层气压裂增透工程具有一定指导意义。     

裂隙岩石的应力–水流–化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征。进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力–应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析。试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大。溶液pH值最终趋于中性。试件弹性波纵波速最终也趋于稳定。预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响。单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致。裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸–剪切模式。浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大。该研究为建立应力–水流–化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础。     

层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质影响规律试验研究

为研究层理和预制裂纹方向对煤断裂力学性质的耦合影响规律,对半圆(SCB)切槽煤样开展准静态加载试验,并对试样变形破坏过程中的声发射进行监测。将煤视为横观各向同性体,采用有限元软件标定了试样的形状因子,获取了更符合实际情况的断裂韧度。结果表明：不同层理和预制裂纹方向组合试样的加载曲线和断裂载荷差异显著。试样的断裂模式和断裂韧度受层理与预制裂纹方向共同影响。断裂韧度随层理与加载方向夹角变小而降低,而倾斜预制裂纹会进一步削弱试样抵抗裂纹扩展的能力。拉伸破坏主导了预制裂纹的起裂扩展过程,试样的扩展路径表现出显著的各向异性特征。根据最终裂纹形态,可将试样的宏观破坏模式分为4类。加载过程中试样产生的声发射与载荷–时间曲线相对应,由于发生破坏的结构不同,起裂后的撞击数随层理和预制裂纹方向改变发生明显变化。外载作用下,试样内部不断产生拉伸和剪切微裂纹而发生损伤,其损伤演化过程与层理和预制裂纹方向紧密相关。在不同加载水平区间内,拉伸微裂纹占据主导地位,剪切微裂纹占比相对较低;随着加载水平增加,微裂纹持续发育扩展,试样损伤不断累计,最终发生起裂破坏。     

超临界CO_2/清水压裂煤体起裂和裂缝扩展试验研究

为了探究超临界CO_2与清水压裂煤体的压裂效果,运用TCHFSM–I型大尺寸真三轴压裂渗流装置,对尺寸为100 mm×100 mm×100 mm煤试样施加三轴压力来模拟煤系地层压裂过程,结合压裂理论基础和试验数据,对比分析了压力–时间曲线、表面裂缝形态及裂缝宽度,结果表明:相比于清水压裂,相同的3种三轴压力条件下,超临界CO_2压裂更容易起裂,起裂压力分别减小了28.3%,28.0%,27.4%,且随着约束压力的增大,减少比例逐渐减小;超临界CO_2压裂能够生成明显的层理裂缝及分叉裂缝,其数量越多主裂缝扩展范围越小;压裂过程中超临界CO_2易渗透到煤样内部的层理裂隙及微孔裂隙内导致压力变化迟缓,而且试样破裂后压力不易保持,裂缝宽度较狭窄;清水压裂的裂缝宽度集中分布于0.450～0.650 mm和1.250 mm区间,而超临界CO_2的裂缝宽度集中分布于0.050～0.250 mm区间,两者相差3～6倍,对于局部分叉裂缝及层理裂缝,甚至相差2个数量级左右。     

顶板–煤柱结构体力学特性及其渐进破坏机制研究

基于声发射和数码摄像机录像系统,对不同高比的5组顶板砂岩–煤柱结构体进行单轴压缩试验,研究其力学特性及渐进破坏机制。顶板砂岩–煤柱结构体整体强度是远离交界面和交界面处砂岩、煤样强度的综合,摩擦效应加强了交界面处煤样强度,而削弱了交界面处砂岩强度;顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随岩煤高比递减而呈递减趋势;在同等条件下煤样原生裂纹越发育,顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、弹性模量和单轴抗压强度越小。顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂导致应力–应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,大部分起裂位置位于煤样上,但当岩煤高比为9∶1时,交界面处砂岩首先破坏起裂。煤样内裂纹扩展和贯通使其变得较破碎且形成局部破坏,同时局部破坏的贯通导致煤样最终破坏;砂岩破坏是煤样内裂纹扩展贯通至其内部造成的,且由于裂纹扩展能力、速度及角度的不同,砂岩破坏形态呈劈裂破坏、剪切破坏或不发生破坏,随岩煤高比增大,煤样和砂岩破坏程度增大,煤样更加破碎。     

碳酸盐岩应力–应变关系与微结构分析

 碳酸盐岩微裂隙的存在、产生和发展对宏观力学性质有显著的影响,通过碳酸盐岩扫描电镜图像分析和进行三轴剪切试验,发现碳酸盐岩中白云岩、灰岩、白云质灰岩的应力–应变关系均可分为压密阶段、线弹性变形阶段、微裂隙的产生和稳态扩展阶段以及断裂破坏阶段,与之对应的微裂隙表现为：原始微裂隙发生闭合,稳定持续存在形成线弹性变形,新的微裂隙在应力集中处产生、扩展并稳定发展以及微裂隙扩展强烈、发展成宏观裂隙最终导致岩块整体破裂。试验表明,受压状态下岩石裂隙是从孔隙的外围开始发育,逐渐扩展到孔隙,最后导致孔隙及岩体失稳。裂隙发育以张性的微裂隙起始,逐渐形成剪裂隙,并出现追踪剪裂隙的张裂隙,直至裂隙贯通。碳酸盐岩的初始微观裂隙主要的表现为张裂隙和剪裂隙,岩石破裂从先存的裂隙端部开始,原有裂隙的端部是加载后应力集中的地方,在岩石介质的晶粒边界的接触点或断层附近,应力高度集中导致裂纹密度增加,当压力达到或接近峰值压力时,由于裂纹的汇交与集中迅速失稳形成宏观断裂,随后就出现开裂和应变软化。     

低渗储层砂岩渗流–应力–损伤渐裂过程的渗透特性演化研究

低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流–应力–损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明:加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流–应力–损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。     

单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征

 利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统,对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯解吸,模拟煤体变形中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压,实时监测逸出气体压力、流量,抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低导致气体回流现象;对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯大量解吸因素之一,而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。     

采气–采煤阶段煤岩渗透率演化机制研究

为模拟煤矿现场先采气后采煤的作业过程,利用含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,开展孔隙压力减小的煤岩渗流试验和全应力–应变–渗流试验。通过推导温度升高时煤岩裂隙宽度变化的表达式,进一步构建考虑温度–应力的煤岩渗透率模型,探讨温度与应力作用下煤岩瓦斯渗流演化机制。新建的煤岩渗透率模型包括有效应力、吸附/解吸、热膨胀及热裂四部分影响因素,并使用损伤变量表征裂纹扩容过程中产生的基质膨胀效应(热裂),结果表明:(1)当外应力恒定时,不同温度下渗透率随孔隙压力减小先略有减小而后迅速增大;当孔隙压力恒定时,渗透率随温度增大整体呈先减小后增大的趋势。(2)在煤岩全应力-应变–渗流试验过程中,渗透率随轴向应力的增大呈先减小后增大的趋势;煤岩弹性模量及峰值强度与温度之间呈负相关关系。(3)新建渗透率模型的计算值和实测值基本一致,可较好表征渗透率随孔隙压力及有效应力的演化规律。(4)基于内膨胀应力的定义,探讨温度与应力作用过程中内膨胀变形对渗透率的贡献。在温度恒定时,渗透率随内膨胀因子的增大而减小;煤岩裂隙宽度与损伤相关,在温度突变系数增大过程中渗透率随之减小。     

开放型岩桥裂纹贯通机理及脆性破坏特征研究

端部开裂的裂隙岩体内部岩桥贯通是导致岩体突发失稳破坏的主要原因,脆性破坏特征明显。利用声发射仪和岩石力学刚性试验机,对不同长度开放岩桥开展单轴压缩试验,结合高速摄像机记录信息,分析了开放岩桥裂纹起裂、扩展、贯通规律及脆性破坏过程力学特性和声发射特征,并通过三维断裂力学理论揭示了开放岩桥裂纹起裂扩展贯通机理。研究结果表明:与闭合裂纹相比,开放裂纹岩桥主裂纹从下部预制裂纹内尖端起裂,往上部拐折扩展贯通岩桥和上端面,贯通过程岩桥发生逐次多级破坏,次裂纹主要沿主裂纹拐折处起裂扩展贯通岩桥及下端面;应力曲线表现出峰前"波动上升"和峰后"滞留–突降"特征,声发射参数"多峰值"现象明显,阶段性和突发性特征突出;同时,三维理论分析表明裂纹起始扩展方向与岩桥长度无关,沿最大压应力方向扩展。研究所得开放岩桥裂纹扩展贯通特征可为裂隙岩体突发失稳破坏过程提供理论依据。     

裂隙岩体渗流-损伤-断裂耦合分析与工程应用

综合运用岩体结构力学、几何损伤力学及岩石流体力学理论,建立裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型(扩展FLAC3D模型),在FLAC现有计算模块的基础上,通过Fish研制了其分析程序。该模型的耦合机理:渗透水力梯度作为渗透体积力作用于损伤应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩石裂纹的起裂,扩展导致岩体损伤演化;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加,导致渗流场的改变。对一复杂裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,得到不同蓄水时期,裂隙岸坡渗流场分布、损伤场的演化,初步探讨了水库蓄水过程中岸坡山体变形机制。耦合分析认为:山体变形是增量渗透力和增量浮托力共同作用于岸坡的结果;对蓄水相对高程较大的裂隙岸坡而言,库水位上升,裂隙渗透水压增加导致岩体裂纹起裂扩展,岩体损伤区增大且向岸坡深部扩展。高渗透压诱发岸坡不利断层带损伤区扩展,甚至贯通,可能是导致岸坡失稳的重要原因。     

高应力状态下穿过层理爆破致裂的动态行为研究

为了研究高应力状态下炮孔穿过层理爆破的裂纹起裂、扩展等动态力学行为,结合动态焦散线方法,采用数字激光动态焦散线实验系统,开展实验室模型实验。结果表明:炮孔穿过层理爆破时,爆生气体能量难以得到有效利用,炮孔周边岩石的破碎效果不甚理想。爆炸应力波对层理端部裂纹的起裂和扩展前期的动力学行为起主导作用,静态应力则对裂纹扩展后期的行为特征产生主要影响。层理走向与静态应力方向之间的夹角对试件的破坏形态和爆生主裂纹的动态应力强度因子、扩展速度等具有明显影响。此外,随着该夹角的增加,爆生主裂纹的扩展时间和沿层理位移均减小,最大偏转角度增大,扩展路径更加曲折。     

煤体水力压裂过程中孔壁应变及电阻率响应特征试验研究

为全面分析压裂过程煤体的损伤破坏过程,提出水力压裂过程孔壁应变与电阻率同步监测的试验方法,利用自制的水力压裂试验系统,开展原煤水力压裂试验,得到煤体水力压裂过程的孔壁压缩应变–电阻率–水压曲线,分析孔壁应变与电阻率的响应机制。结果表明,煤体水力压裂过程中孔壁应变和电阻率呈现较强的规律性;孔壁应变曲线呈现"V"型,电阻率曲线呈现"■"型,这种变化趋势与水压变化相对应,当水完全占据孔内空间时会导致煤体电阻率达到最小,一旦压裂孔出现破裂,电阻率及孔壁应变会出现突变并逐渐达到最大值;孔壁应变曲线反映出压裂孔承压变形的强度,电阻率曲线则反映出试块内部裂隙的演化特征。煤体孔壁应变–电阻率–水压曲线蕴含了压裂孔承压破裂的丰富信息,为研究钻孔起裂行为提供了一种新方法。     

裂隙岩体损伤演化本构模型的实现及应用

裂隙岩体在裂隙起裂、扩展损伤至失稳破坏过程中,同时存在损伤和断裂两种缺陷的累积和发展,且断裂又会造成损伤的进一步累积,岩体的断裂与损伤密切相关。将裂隙岩体视为含损伤连续介质,通过综合考虑压剪应力状态和拉剪应力状态下裂纹起裂、扩展损伤演化,用初始损伤张量和裂纹扩展附加损伤张量描述裂隙岩体的损伤演化过程,将压剪应力状态和拉剪应力状态下裂纹的初始损伤张量以及裂纹起裂扩展后附加损伤张量引入到自定义本构模型中,用VC++开发了可模拟裂纹在各种应力状态下起裂、扩展损伤演化的自定义本构模型动态链接库(DLL),该模型中用体积模量和剪切模量的损伤度来表示损伤。用该自定义本构模型对一隧道稳定性进行了分析。经分析发现:隧道围岩的断裂损伤范围比屈服破坏的范围大一倍左右;不考虑损伤的隧道围岩的最大位移量为0.05 m,考虑损伤的隧道围岩的最大位移量在达到0.1 m,断裂损伤区岩体的体积模量和剪切模量也有较大程度的降低。该自定义本构模型可以用来模拟裂隙岩体的损伤演化过程,模拟的结果能够为工程实践提供合理建议。     

煤层气运移过程中损伤效应对煤强度的弱化影响

煤层气开采时,基质–裂隙内气体压力相互作用引起煤体出现损伤效应,致使煤的强度降低。为得到损伤效应对煤强度的影响规律,通过提出基质与裂隙几何变形的概念模型进而推导出耦合损伤本构参数的渗透率模型,并通过COMSOL live link with MATLAB程序对考虑气体作用的渗透率模型进行强度后处理计算。结果表明：通过孔隙基本原理得到的渗透率模型适用于不同边界条件,在单轴应变和常应力条件下新模型与试验数据匹配良好,而Palmer-Mansoori(P-M)模型只适用于单轴应变边界条件;与对照煤样相比,在气体作用后杨氏模量比为1/3,1/5,1/7和1/10的煤样强度分别降低了46.6%,32.0%,27.9%和26.4%;气体运移降低煤样强度的机制为损伤效应以损伤–诱导应变贡献于煤的孔隙度,孔隙发育程度改变了单轴加载后主裂隙的扩展轨迹。该研究通过编程对渗透率模型进行后处理计算,实现了煤层气运移出现的损伤效应对煤强度影响的耦合计算。     

水压致裂过程的三维数值模拟研究

基于RFPA数值分析方法和并行计算技术,建立了反映岩石细观损伤演化过程的三维渗流–应力–损伤耦合模型。对具有120万单元的方形岩石材料模型,进行了4组不同应力状态下水压致裂过程的三维大规模科学计算分析。计算结果分析表明：起裂压力与失稳压力并不重合,起始裂纹均为张性,裂纹扩展形式、表面平整度、走向、扩展失稳过程以及裂纹的空间分布形态受应力状态影响。当竖直方向为最大主应力方向时裂纹呈空间竖片分布,当水平应力差较大时裂纹表面形态平整,失稳到来较快;当竖直方向为最小主应力方向时裂纹的空间分布呈水平片状;不等的主应力情况下裂纹总是分布在最小主应力面内;当三向主应力相等时,裂纹起裂位置和扩展方向具有竞争趋势,空间分布不具规律,裂缝分支较多。数值模拟结果与物理实验结果有着较好的吻合,该研究对水压致裂工程设计有一定参考价值。     

含预制裂隙大理岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为了研究端部裂隙形态对岩石动态力学特性以及裂纹扩展的影响,利用50 mm×50 mm圆柱形大理岩加工含不同裂隙倾角的试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击加载试验,并使用高速摄影仪实时记录裂纹扩展以及动态破坏全过程。研究表明,大理岩的动态抗压强度、峰值应变、动态弹性模量等力学参数随预制裂隙倾角增大整体呈先减小后增大的趋势;裂纹大多是从裂隙尖端或附近起裂,起裂裂纹为II型剪切裂纹或I–II型复合裂纹(拉剪复合裂纹),起裂角和起裂应力随着预制裂隙角度的增大分别呈M和W型变化,完整和90°裂隙试样最终呈劈裂拉伸破坏,45°裂隙试样呈拉剪复合型破坏,30°和60°裂隙试样呈剪切破坏,存在一个临界角度,临界角两侧裂纹扩展特性表现出较好的对称性;随着预制裂隙角度的增大,岩石的能量吸收率先增大后减小,当端部裂隙与端面成适当角度,会使能量吸收率最大,可以有效提高破岩效率。