多夹层盐矿油气储库水溶建腔夹层垮塌控制技术

针对多夹层盐矿油气储库水溶建腔过程中遇到的难溶夹层处理的重大技术难题,提出了难溶夹层直接顶板极限跨度的计算方法,揭示了腔体溶蚀策略对夹层垮塌的影响规律,给出了调控难溶夹层垮塌时间的若干措施。综合相关研究成果并结合单井对流水溶建腔工艺,提出了适用于多夹层盐矿水溶建腔的难溶夹层垮塌控制技术。并以金坛储气库某腔体为例阐述了夹层垮塌控制在增大腔体有效容积中的应用。     

层状盐岩储气库运营压力失控全过程稳定性分析

为研究极端荷载作用下深部层状盐岩储气库(群)的非线性响应特征,针对金坛盐岩地质构造,建立层状盐岩储气库水溶建腔、注采运营至失控井喷卸压全过程数值分析模型,运用自定义盐岩黏弹塑性损伤模型计算失控卸压对储库单、双腔渐进破坏、变形收敛及地表沉降的影响。结果表明,夹层位置围岩破损深度要显著大于其他部位,且极端卸压造成的腔周破损区达到10 a循环注采运营阶段的5~10倍;失控卸压阶段溶腔平均体积收敛速率达0.012%/d~0.013%/d,为正常注采运营阶段的6.0~6.5倍;地表沉降呈漏斗状曲线分布,极端卸压影响范围在两倍溶腔直径范围之内。双腔分析揭示出两倍溶腔直径安全矿柱宽度下相邻腔体间的相互作用已不明显。     

岩盐储库建腔期难溶夹层的软化规律研究

 为揭示盐岩水溶造腔过程中难溶夹层力学特性与卤水浸泡时间的关系,更好地了解夹层的软化规律和范围,为预测和控制夹层的破坏垮塌提供理论支持,以云应盐矿中的泥质硬石膏夹层为研究对象,进行不同浸泡时间下的单轴压缩和巴西劈裂软化试验研究,发现其力学强度随卤水浸泡时间劣化明显,其中,单轴抗压强度、弹性模量、泊松比与卤水浸泡时间呈显著的DoseResp函数关系,抗拉强度与浸泡时间呈显著的Slogistic1函数关系,且试件的单轴压缩及巴西劈裂试验的破坏形式随浸泡时间的增加有从张拉破坏向剪切破坏的渐变趋势。通过分析试验结果发现,卤水对夹层力学强度的软化作用与夹层可溶物含量、夹层成分遇水膨胀的不均性、卤水的润滑作用和矿物晶键的软化作用均存在密切相关。推导了基于浸泡时间的夹层损伤演化方程,建立夹层轴向和径向的软化深度模型,并将其应用于水溶造腔过程中难溶夹层软化范围的划定。此外,基于夹层抗拉强度与卤水浸泡时间的关系,给出判定和预测夹层局部软化破坏的最大拉应力强度准则。     

高强砂浆材料爆炸作用下破坏分区试验研究

选用高强砂浆材料模拟同等强度岩石介质,开展TNT炸药在内部不完全封闭爆炸条件下对模拟岩石介质破坏效果的研究,采用宏观现象分析、钻芯取样及理论计算的方法确定破坏分区范围。结果显示:配制的高强砂浆材料强度可达105.6 MPa,能够模拟中等强度以上岩石介质;TNT炸药爆炸作用下高强砂浆模拟岩石介质分为粉碎、压碎、裂隙和弹性等4个区域,其范围与钻孔装药的尺寸参数有关;粉碎区半径约为钻孔装药半径的2.2倍,压碎区半径约为5.2倍,裂隙区半径约为32倍;3种分析方式结果相当,试验能够较真实地反映高强砂浆模拟岩石介质钻孔装药爆炸后的破坏情况。     

层状盐岩溶腔建造过程中石膏夹层周期性垮塌理论分析

 层状盐岩溶腔建造过程中,随着溶腔的扩大,悬露的石膏夹层会发生周期性垮塌,这样就会砸弯砸坏管道影响造腔的速度和溶腔的形状。同时石膏夹层在不同温度不同卤水浓度浸泡下,会有不同程度的强度弱化。本文以石膏夹层的周期垮塌为研究对象,通过建立圆环薄板力学模型,分析圆环薄板的非压曲和压曲破坏。同时提出夹层的周期垮塌步距,并给出一种判断石膏夹层发生非压曲破坏和压曲破坏的计算流程。通过对某工程实例进行理论分析和数值模拟计算,结果表明：随着盐岩溶腔的扩大,石膏夹层周期垮塌步距逐渐减小;卤水浓度、温度对石膏夹层的周期垮塌次数影响较大。常温未浸泡石膏夹层的垮塌步距由12.00 m逐渐降低到8.50 m,周期垮塌3次。70 ℃饱和卤水浸泡后的石膏夹层垮塌步距由4.05 m逐渐降低到1.98 m,周期垮塌7次;卤水温度越高,浓度越大,周期垮塌步距越小同时垮塌次数就会越多。     

深部盐矿油气储库水溶造腔控制的几个关键问题

 我国正在大规模规划和建设深部盐矿油气储库,如何实现安全、高效水溶造腔已成为亟待解决的技术难题。综合造腔工程实践和理论研究成果,解决该技术难题需要重点关注5个关键问题：我国盐矿夹层的典型分布特征,造腔环境下夹层溶蚀及力学特性弱化,夹层垮塌机制、模式和判别,管柱动力破坏机制与影响因素,造腔控制技术与现场应用。对与上述问题相关的主要研究进展进行系统综述和分析,认为近年来在典型夹层垮塌机制及造腔控制方面已取得一些重要的理论和技术突破,解决或者解释了一些工程问题,对我国盐穴储库建设提供了一定技术支撑,但在不同类型夹层溶蚀特性、多因素下管柱动力失稳模型以及造腔设计室内模拟等方面还远不够深入和全面。最后对近期迫切需要进一步开展的研究工作进行展望。     

卤水浸泡对泥质夹层抗拉强度影响的试验研究

 盐岩矿床中难溶泥质夹层的存在给地下储库水溶造腔带来诸多不利影响,如何有效地预测与控制水溶造腔过程中泥质夹层的垮塌成为一个亟待解决的技术难题。以该问题为背景,研究不同浓度卤水浸泡对各类含盐率泥质夹层试样抗拉强度弱化的影响规律。试验结果表明：浸泡卤水的浓度越低、浸泡时间越长对夹层抗拉强度弱化的影响越明显;夹层中盐岩的溶解与黏土矿物的吸水膨胀及软化对试样抗拉强度的弱化有相互促进的作用。试验结果还表明,不同含盐率试样抗拉强度弱化的规律各不相同：在与造腔现场卤水浓度相近的卤水浸泡下,低含盐率泥质夹层抗拉强度弱化的程度较轻、速度较慢;中含盐率夹层试样由浸泡引起的弱化现象较为明显,盐岩颗粒的溶解及黏土矿物的吸水膨胀对夹层的弱化起控制作用;高含盐率泥质夹层试样在非饱和卤水浸泡下快速弱化破坏,其主要原因是盐岩颗粒的溶解引起的架构破坏。     

水不耦合装药爆破模型推导及爆破效果分析

基于热力学爆轰理论和断裂力学理论,针对现有隧道爆破施工中水和空气不耦合装药介质优选的难题,提出固液气三相爆破计算模型。分析了爆轰炮孔内压随时间的变化、围岩应力场随时间和空间的变化情况以及裂纹尖端应力强度因子,最后又对某工程算例进行了分析。结果表明,相同装药结构下耦合装药形成的粉碎区半径最大,水不耦合装药形成的粉碎区半径大于或等于空气不耦合装药形成的粉碎区;对于不同的轴向不耦合装药系数,空气和水都存在裂隙区半径均大于耦合装药的情况;水不耦合装药爆破,延长了炮孔内压的作用时间;当轴向不耦合系数在1.6~3时,水介质比空气介质的爆破增效的作用更强。本文所得结论,对指导优化爆破现场施工具有重要意义。     

水不耦合装药爆破粉碎区及初始裂隙区半径计算

为了更客观、准确地描述爆破对地下水发育地段裂隙岩体的破坏,在前人研究成果的基础上,讨论了在有节理裂隙等缺陷的岩体条件下,水不耦合装药爆破在岩体中产生的应力场,并通过理论推导得出了冲击波引起的岩体的粉碎区和应力波引起的初始裂隙区半径,用Mathematica软件作图得出了水不耦合装药爆破时最佳不耦合系数。     

水耦合装药爆破破岩机理的数值模拟研究

根据爆轰动力学和弹性波理论,分析了推算出水耦合装药爆破炮孔周围岩石中粉碎区和裂隙区半径,并用工程计算实例和ANSYS／LS—DANA数值模拟方法分析了装药不耦合系数对岩石破坏范围的影响。提出了炮孔水耦合炸药爆破在岩石中形成粉碎区时不耦合系数的计算方法,为光面爆破、预裂爆破装药结构参数的确定提供理论依据。     

不同装药模式爆破载荷作用下煤层裂隙扩展特征试验研究

 为了研究炸药在不同煤岩介质中爆破所产生的裂隙扩展和力学特征,提高深孔预裂爆破对低透气性煤层进行增透的效果,在实验室搭建爆破模拟试验系统,设计穿层钻孔和顺层钻孔2种不同的装药模式,以Froude 比例法建立煤层深孔预裂爆破的试验模型,利用相似材料配比加工制备尺寸为50 cm×50 cm×50 cm的试样进行爆破模拟试验。通过超动态应变仪监测煤岩层的应变信号,利用高速摄像仪记录试样完整的裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏的全过程,分析爆破载荷作用下试样的动态力学特性和裂纹扩展特性。研究发现,裂纹主要是由压缩波与卸载波共同作用形成的,裂纹扩展方向与炮孔轴线方向垂直;在煤岩介质中实施穿层钻孔爆破的爆破效果优于顺层钻孔煤层爆破效果,当爆破应力波从煤层入射到岩层后,出现反射拉伸波,反作用于煤体上,加剧煤岩不同爆破介质的破坏程度,促使爆破裂隙的扩展。研究成果可用于指导井下低透气性煤层深孔预裂爆破装药方式的选择,以提高瓦斯抽采效率。     

不同介质下不耦合装药爆破ALE空间范围的研究

预裂爆破或光面爆破最主要的技术就是不耦合装药结构,采用流固耦合算法模拟不耦合装药爆破常出现空气和水介质,为了研究不同条件下的流固耦合算法以及提高计算效率,文章采用LS-DYNA软件进行大量数值计算,讨论了不耦合装药爆破中不同介质(空气介质和水介质)条件下流固耦合半径(R)范围对单元峰值应力衰减曲线的影响,结合应力云图,确定了不同介质条件下最小合理流固耦合半径R_(min)。结果表明:耦合半径对结果的影响主要是在炮孔近区,对孔壁处附近的影响最为显著,而对远区几乎没有影响;在同一药径条件下,相比于空气介质,水介质会增加耦合半径对结果的影响,不耦合系数越大,影响越小;水不耦合装药的最小合理耦合半径R_(min)是空气不耦合装药的1.6倍左右;对于不耦合装药爆破来说,空气介质条件下R_(min)取值为7～16 cm,水介质条件下R_(min)取值为12～25 cm(不耦合系数大取小值,不耦合系数小取大值).     

湖北省云应地区盐岩溶腔型地下能源储库密闭性研究

着眼于我国深部盐岩能源地下储备可行性分析,针对湖北省云应盐矿盐岩层薄、富含不可溶或难溶夹层的沉积特点,开展该地区层状盐岩构造中能源储库密闭性综合研究。其一是层状盐岩体中盐岩–硬石膏界面力学特性室内试验研究,包括直剪试验、间接拉伸试验和界面微观分析试验。结果表明,层状盐岩体中盐岩–硬石膏界面具有较强的黏结力,不是一个弱面,这十分有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性。其二是现场盐岩层钻孔高压压水试验,对盐岩层渗透的规律性、盐岩的封闭性以及围岩的承载能力开展研究。综合层状盐岩室内和现场试验的成果表明:湖北省云应地区层状盐岩构造满足盐岩溶腔型地下能源储库的密闭性要求。     

溶浸作用下难溶盐岩力学特性弱化及细观机制研究

 岩石材料的宏观力学特性与其内部细观结构演化有十分密切的关系,对典型难溶盐岩钙芒硝在盐溶液溶浸环境下力学特性弱化和细观结构演化进行研究,初步揭示其力学特性弱化的细观机制。研究发现：在盐溶液溶浸作用下,由于矿体胶结物中亲水性矿物吸水膨胀崩解、钙芒硝中硫酸盐的溶解、化学反应离子交换、氯离子侵蚀损伤等因素的作用,钙芒硝孔隙率随“溶液浓度”和时间的变化而非线性演化,从而导致力学特性严重弱化。在盐溶液中溶浸20 d,钙芒硝强度弱化系数低至0.1～0.2。由于钙芒硝矿体内泥质胶结成分的水理水化作用,泥质部分膨胀或崩解,钙芒硝矿体变形表现出应变软化与韧性破坏特征。细观结构演化结果表明,盐溶液溶浸作用下,难溶钙芒硝孔、裂隙演化缓慢,但在淡水溶液中孔隙演化速度是半饱和与饱和溶液中的数倍甚至数百倍。淡水中溶浸48 h后孔隙率高达16.62%,是原始状态孔隙率的9倍;半饱和盐溶液溶浸48 h后,孔隙率是原始状态的3倍,而饱和溶液溶浸48 h后,孔隙率增幅仅为2.8%。孔隙率变化主要是由于钙芒硝矿体中硫酸盐的溶解和结晶,胶结物成分(主要为伊利石、蒙脱石)的水理、膨胀,这也是钙芒硝力学特性弱化的根本原因。本研究对深入认识可溶岩(包括钙芒硝)物理力学特性弱化,并指导盐类矿床原位溶浸开采及层状盐岩溶腔油气储库建造等相关工程实践,具有重要理论意义与应用价值。     

空气间隔装药预裂爆破岩体损伤分布特征及控制技术

空气间隔装药预裂爆破作为一项新型轮廓爆破技术,其对岩体的损伤特性严重影响了技术的推广应用。采用现场试验与数值计算相结合的方法,对经山寺铁矿空气间隔装药预裂爆破试验的岩体损伤分布特征进行比较分析。结果表明,空气间隔装药预裂爆破的岩体损伤分布特征与传统预裂爆破存在明显的差异,装药段存在明显的粉碎破坏区,爆破损伤区的范围显著大于空气段以及传统预裂爆破,但在岩体较完整处,空气段的岩体损伤相对不明显。为了控制岩体损伤效应,装药段采用反向起爆的方式以及使用径向不耦合的筒状药卷,可以优化空气间隔装药预裂爆破效果。     

岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

液态CO2爆破煤层增透最优钻孔参数研究

 爆破钻孔参数的选取是消除爆破空白区域、提高爆破增透和瓦斯抽采效果的关键。监测液态CO2爆破过程中爆破器主管内高压气体压力时程曲线,研究液态CO2爆破煤层增透机制,并建立FLAC3D数值模型,研究结果表明：在水平层理上,单孔液态CO2爆破有效影响半径为出气孔方向6 m和出气孔法向4 m;控制孔明显增加多孔连续爆破裂隙区范围。采用数学计算和数值模拟2种方法确定多孔连续爆破最优钻孔参数为：爆破器间距5 m和爆破孔间距7.5 m。进行井下液态CO2爆破试验,爆破后煤层透气性系数提高17.49～22.76倍,瓦斯抽采浓度提高3.16倍,瓦斯抽采混量提高1.71倍。合理选取液态CO2爆破钻孔参数,为井下节约爆破成本和达到最佳爆破效果提供参考。     

隧道光面爆破空气间隔装药不耦合系数研究

利用大别山隧道爆破空气间隔装药实验所得岩体的力学特性以及材料的Cowper-Symonds破坏准侧,采用LS-DYNA数值模拟,建立双孔不耦合装药爆破模型,模拟不耦合装药爆破的应力发展过程,得出了应力时程曲线;分析了装药长度在1.4m、1.5m、1.6m、1.7m和1.8m时,爆破孔壁压应力及孔壁破坏情况,得出了Ⅲ类围岩在孔深3.5m的情况下最佳不耦合系数为1.94~2.18。     

断裂力学在爆破中远区裂纹扩展范围中计算

基于岩石爆破理论,从理论上探讨了隧道开挖爆破的机理、爆破地震波的传播规律及效应。在断裂力学与损伤力学理论框架下,根据隧道围岩的裂纹萌生和扩展条件,计算了第一、二类复合裂缝的扩展范围,得到了爆炸荷载作用下两种裂纹的扩展半径。     

爆破动荷载作用下围岩累积损伤效应声波测试研究

基于声波测试原理,利用RSM-SY5智能型声波仪,对厂坝铅锌矿某巷道围岩在爆破动荷载作用下产生的累积损伤效应进行了现场试验研究。研究表明:既有开挖爆破对巷道围岩的影响深度为0.8～1.2 m,根据钻孔的深度,在3.5～4.8 m深度的岩体内进行爆破累积损伤效应研究是可行的;随着爆破次数的不断增加,岩体声波速度逐渐降低,损伤度D呈现出非线性累积规律;随着与爆源距离的增大,岩体爆破损伤程度减小,累积损伤效应逐渐变得不明显;水平和垂直方向测试结果存在较大差异,说明爆破作用下岩体损伤具有各向异性的特征。爆破装药位置和药量对岩体损伤累积规律有一定的影响。装药区段范围内的岩体损伤程度最严重,装药量越大,岩体损伤程度也越大。测试成果为进一步的岩体力学参数研究和地下洞室稳定性分析提供了参考依据。