不规则岩块抗拉强度的测定与计算

采用水压致裂法，对不规则岩块和相似材料不规则试块进行抗拉强度测试，并对实验结果发分析和比较。     

水压致裂法测量地应力

水压致裂法在地质工程中应用广泛,传统的水压致裂法理论是建立在弹性力学平面应变理论的基础之上的[1-10],但只能测量地质条件简单的情况下的二维地应力,一些学者为解决传统水压致裂法的不足,提出了三维地应力测量理论,采用最小主应力破坏准则进行水压致裂法三维地应力测量,对地质条件比较复杂的地区可以用该方法进行测量,但是还需要进一步的改进.传统的水压致裂法理论和三维地应力测量理论各有优缺点.     

岩石试件抗拉强度的套筒致裂法试验研究

用套筒致裂法进行了岩石试件抗拉强度试验，阐明了所用设备，试验步骤及套筒致裂法的基本原理，介绍了该法测定岩石试件抗拉强度的试验结果。     

基于水压致裂的煤层气开采研究

煤层气开采方法很多,但水压致裂法逐渐成为主要开采方法。水压致裂法已经成功运用于石油开采,在煤层气开采问题上属于初级阶段。主要围绕水压致裂机理在煤层气开采中的应用,并结合理论分析、相似实验及数值模拟,进一步研究井孔水压致裂的基本问题。     

高温条件下花岗岩水压致裂的实验研究

人工储留层建造是高温岩体地热开采关键技术之一,其核心是巨型水压致裂,关键科学问题是岩石热力耦合作用下的水压致裂理论。采用自主研制的"600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",开展了Φ200mm×400mm的鲁灰花岗岩大试样高温三轴应力下的水压致裂实验,分析了实验的水压加载曲线特征和裂缝最终形态。研究结果表明:随温度的升高,花岗岩裂缝开裂模式从脆性开裂转变为连续开裂;温度升高至300℃后,裂缝起裂的主控条件向温度转化;从室温到200℃之间,温度对花岗岩水压致裂影响的控制机理是岩石抗拉强度的下降,而200℃到400℃起裂压力的控制机理是温度下降引起的热应力。随着温度的升高,裂缝的扩展方向从轴向改变为优先向径向深处发展。     

陕蒙地区厚硬砂岩顶板定向水力压裂预割缝倾角优化及防冲实践

预割缝倾角是深孔顶板定向水压致裂重要施工技术参数之一。通过半圆盘试件3点弯(SCB)断裂力学试验以及水压致裂力学模型解析分析,研究预割缝倾角影响坚硬顶板在定向切槽诱导下水压致裂过程中的断裂特性。结果表明:水压裂纹的起裂方向明显受到预设裂纹倾角影响,但最大主应力对裂纹扩展方向起到控制作用。在地应力一定条件下,随着预割缝倾角增加,临界注水压力减小,Ⅰ型应力强度因子K_Ⅰ逐渐增加,Ⅱ型应力强度因子K_Ⅱ先增加后减小。为保证水压裂纹既受到较大的张拉作用,又能利用地应力的作用发生剪切扩展,K_Ⅱ达到最大值时的预割缝倾角被选为施工水力压裂参数取值。该参数设计被应用到巴彦高勒煤矿厚层砂岩顶板水压致裂工况,对比压裂过程中顶板的煤炮强度和频次以及压裂前后辅回撤通道附近的微震、应力变化,证明了设计参数下水压致裂裂隙范围有效的起到了防冲效果。     

水压致裂法地应力测试研究

为了对某矿进行支护设计,布置3个测站,采用水压致裂法对地应力进行测试。结果表明:水压致裂法具有测速快、适应性强的优点;3个测站的测试结果显示该矿应力水平不高,最大主应力为水平应力,最大水平应力在7.63~12.52MPa之间,最大主应力方位角在N37.1°W~N46.2°W之间。     

基于应力增速与应力梯度的水压致裂应力扰动评价研究

水压致裂的应力扰动评价是动力灾害煤岩层水压致裂的关键科学问题.提出了基于应力增速、应力梯度的水压致裂应力扰动评价方法.采用大尺寸真三轴水压致裂应力扰动物理模型实验,分析了水压致裂应力扰动的大小、特征及其影响因素.水压致裂过程中当泵注排量相同时,同一时间内距离水压裂缝越近,平均孔隙压力增速及孔隙压力梯度越大,孔隙压力增速和孔隙压力梯度按指数规律衰减.相同位置处,泵注排量越大,平均孔隙压力增速和孔隙压力梯度越大.开泵瞬间会产生很高的骨架应力增速,同时在致裂过程中,水压力的大幅度波动也会产生较大的骨架应力增速,且波动幅度越大,产生的骨架应力增速也越大.随着泵注排量的增大,开泵瞬间水压裂缝两侧骨架应力增速峰值也相应增加.泵注排量相同时,越靠近水压裂缝,骨架应力梯度越大,随着距离水压裂缝越远,应力梯度逐渐变小.初步给出了不同工程背景下水压致裂应力扰动效应的控制原则,在工程施工中,应根据具体的工程背景,基于应力扰动的评价,采取相应的针对措施,做到趋利避害.     

深孔顶板预裂爆破与定向水压致裂防冲适用性对比分析

针对厚硬顶板条件下冲击地压防治技术选择的难题,围绕深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂防冲原理、现场应用类型及主要影响因素进行了系统分析,并对二者在同一工况条件下的防冲效果和工程施工效率进行了对比.研究表明:深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂都是以破坏顶板完整性,使其不具备积聚弹性变形能为目的,实现冲击地压的防控.在相同...     

深部三维地应力测量方法的综合对比分析

以逢春煤矿+380 m大巷及其临近区域煤岩体为工程背景,对水压致裂法、声发射法和理论解析法在深部三维地应力测量中的结果进行了综合对比分析。研究表明:3种方法所测得的垂向主应力结果差异较小,其中水压致裂法、理论解析法相比声发射法计算出的值小;水平主应力方面,理论解析法所得出的结果与另两者相比差异较大,而水压致裂法与声发射法相比差异较小,但前者比后者偏大,离散性也较大;三者均能在一定程度上反映出深部三维地应力的变化规律。     

低透气性煤层脉动注水增透机理研究及数值分析

为了有效提高低透气性煤层渗透率,提出脉动注水增透技术,从微观机理上对脉动注水原理和疲劳裂纹起裂扩展过程进行了研究。在充分考虑有效应力以及滑动摩擦力的基础上,结合 Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂判据,首次计算得到考虑影响因素较全面的煤体原级裂纹起裂的临界裂隙水压计算公式;通过将分支裂纹力学模型简化为悬臂梁模型,计算得到适合分支裂纹起裂扩展的裂隙水压范围。通过FLAC3D内嵌FISH程序语言编写脉动注水函数,实现了对裂纹尖端裂隙水压变化趋势以及裂纹扩展规律的数值模拟,模拟结果表明原级裂纹起裂扩展临界裂隙水压为13.1 MPa,分支裂纹初次起裂扩展水压为12.91 MPa;裂纹扩展半径在水平方向为3.6 m,竖直方向为2.3 m。现场试验表明脉动注水压裂增透效果明显优于普通注水压裂增透效果。     

砂岩钻孔轴向预制裂缝定向压裂试验研究

针对煤矿坚硬难垮顶板带来的冲击灾害,提出沿钻孔轴向预制裂缝定向水力压裂缩短悬顶长度的降冲技术。选用尺寸为300 mm×300 mm×300 mm的紫砂岩试样,在试件中心打通孔,孔径为25 mm,沿孔壁不同方位预制裂缝长度为10 mm的对称裂缝,共制备试件16块,利用真三轴压裂试验平台与恒流恒压注液泵开展水力定向压裂试验,监测获得注液压力-注液时间的变化曲线,统计压裂裂缝路径形态,并引入裂缝偏转角表征裂缝路径的偏转特征,研究了不同预制裂缝角、水平应力差异系数及注液速率对水力裂缝的起裂、扩展规律的影响,并结合Hubbert-Willis弹性水力压裂模型与Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型分别讨论了试验结果中水力裂缝的起裂机理与扩展机制。试验结果表明:预制裂缝定向压裂均形成单一裂缝,且裂缝形态可归纳为两类:转向裂缝和平直裂缝。起裂压力随预制裂缝角的增大而增大,随着水平应力差异系数的增加而减小,随着注液速率的增加而增大;具有定向作用的预制裂缝角度随水平应力差异系数增大而减小。在相同偏转角下裂缝的扩展长度随预制裂缝角的增大先减小后增加,在45°时为最小;随着水平应力差异系数的增加而减小;随着注液速率的增加而增大。结合试验结果与理论模型讨论可知:预制裂缝具有定向作用时,可用Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹水力压裂模型预测起裂压力和裂缝偏转规律;预制裂缝定向作用失效时,适用Hubbert-Willis弹性水力压裂模型求解起裂压力。研究结果为现场预制裂缝定向压裂参数设计提供参照。     

岩石定向水力致裂应用研究

为研究初始裂缝尖端起裂的条件和所需注水压力,依据断裂力学的复合型裂纹的脆性断裂理论,建立了裂缝尖端力学模型,给出了计算方法。并通过数值模拟分析了影响尖端裂缝起裂的因素,揭示了初始裂缝尖端在注入高压水后形成高拉应力集中,初始裂缝尖端在拉应力作用下起裂,注水压力越大拉应力集中程度越大。通过进行现场试验,取得了良好的效果,并验证了理论分析和数值分析的可行性。     

动载作用下的混凝土水力劈裂试验研究

针对现有水力劈裂试验中密封装置采用环氧树脂胶存在的密封强度不够、密封装置改变了混凝土材料力学参数的缺点,研发了一种新型的密封装置。密封装置由夹板、夹子和硅胶板3部分组成,其中硅胶板延展性较好,可适应较大的水压变形。首先进行有无密封装置的对比试验,论证了新型密封装置对混凝土断裂参数的改变较小;然后进行不同加载速率下的水力劈裂试验,得到了裂缝扩展路径上的水压分布规律。结果表明,CMOD相同时动载作用下裂缝扩展路径上相同位置的水压较静载时要小。     

Effect of tensile strength of rock on tensile fracture toughness using experimental test and PFC2D simulation

The effect of tensile strength on the tensile fracture toughness of rock like specimen was studied in this paper. Brazilian test was done to determine tensile strength of material. A compression to tensile load transforming (CTT) device was developed for determination of mode I fracture toughness of concrete. Also particle flow code (PFC) was used for validation of the experimental outputs. Three concrete slabs with different tensile strength were prepared for investigation of the effects of tensile strength on the fracture toughness. The samples were made from a mixture of water, fine sand and cement with different ratio. These samples were installed in CTT device. A 30-tons hydraulic load cell applied compressive loading to CTT end plates with a constant pressure of 0.02 MPa per second. Compressive loading was converted to tensile stress on the sample because of the overall test design. The results show Fracture toughness has a close relationship with tensile strength of concrete so it increases with increasing the tensile strength. In constant join length, the angle of crack growth related to normal load was decreased with increasing the grain size. Numerical simulation shows that failure pattern and fracture toughness was nearly similar to experimental results. Finally, it can be concluded that CTT device was capable for determination of fracture toughness of concrete.     

液压支架用WH80钢焊接性能分析

通过手工焊条电弧焊拉伸和弯曲试验及斜y坡口焊接裂纹试验和焊接热影响区最高硬度试验,对高强钢WH80的焊接性能进行了分析,表明WH80钢具有良好的焊接性能,可以作为液压支架的选用材料。     

煤层裂隙应力场控制渗流特性的模拟实验研究

针对坚硬顶煤在地应力场控制下水力压裂方法存在的问题,通过压水实验详细研究了应力控制下煤体中开放型裂渗流特征与毛细管力、裂隙开度、应力水平及注水压力的关系,建立了应力场中裂隙渗透性规律,探讨了注水压力对开放型裂隙及隙流状态参数的影响关系,实测结果表明,在煤体卸压区的不同出水点,开放型裂缝泄漏流量不同：距注水测点3．5m处流量小于7％,距注水点2．5m处流量小于8％;距注水点1．5m内小于19％,本模型对于煤体水压致裂控制参数选择以及改善顶煤采出率具有实用价值。     

基于Griffith强度理论的煤储层水力压裂有利区评价

水力压裂有利区评价是煤储层压裂改造施工设计的基础。通过对沁水盆地西南部3号煤储层42个水力压裂地应力测试数据统计,系统分析了研究区煤储层地应力分布规律。采用378口水力压裂井资料,基于格里菲斯(Griffith)强度理论计算了研究区煤储层单轴抗拉强度,建立了煤储层破裂压力与最小水平主应力和抗拉强度之间关系和模型,揭示了研究区煤储层可压裂性特征,建立了基于Griffith强度理论的煤储层水力压裂有利区评价方法,对煤储层水力压裂有利区进行了评价。研究结果表明,研究区块3号煤层最大水平主应力14.67~45.05 MPa,平均为29.31 MPa,最大水平主应力梯度为2.00~4.84 MPa/100 m,平均为3.27 MPa/100 m;最小水平主应力10.51~29.09 MPa,平均为18.61 MPa;最小水平主应力梯度为1.44~2.85 MPa/100m,平均为2.09MPa/100 m,煤储层应力和压力均随深度的增加呈线性增大的规律。基于格里菲斯(Griffith)强度理论计算的研究区3号煤储层单轴抗拉强度为0.15~1.10 MPa,在平面上存在一定的差异性。根据单轴抗拉强度值将煤储层可压裂性划分为4类,对于较高抗拉强度区和高抗拉强度区(Ⅲ和Ⅳ),煤储层抗拉强度值大,煤层气井水力压裂改造中起裂压力高,难以进行压裂改造。对于低抗拉强度区和较低抗拉强度区(Ⅰ和Ⅱ),煤储层抗拉强度值小,煤层气井水力压裂改造中起裂压力小,易于进行压裂改造,评价结果与实际水力压裂情况相吻合。     

Wing crack propagation model under high hydraulic pressure in compressive-shear stress state

A new wing crack model subjected to hydraulic pressure and far-field stresses was proposed considering the effect of hydraulic pressure in wing crack and the connected part of the main crack on the stress intensity factor at the wing crack tip. With the equivalent crack length l _eq of the wing crack introduced, the stress intensity factor K _I at the wing crack tip was assumed to the sum of two terms: on one hand a component K _I⁽¹⁾ for a single isolated straight wing crack of length 2l, and subjected to hydraulic pressure in the wing crack and far-field stresses; on the other hand a component K _I⁽²⁾ due to the effective shear stress induced by the presence of the equivalent main crack. The lateral tensile stress and hydraulic high pressure are the key factors that induce crack propagation unsteadily. The new wing crack theoretical model proposed can supply references for the study on hydraulic fracture in fractured masses, hydraulic fracturing in rock masses.     

裂纹延伸扩展过程中的受力状态分析

对含45°预制裂纹的花岗岩板进行单轴压缩实验,采用电阻应变计监测裂纹延伸扩展过程中的受力状态。结果表明:翼形裂纹是单纯受到拉伸应力作用产生的,而二次裂纹是受到剪切作用产生的,表现为拉压应力交替作用,但在二次裂纹扩展的不同阶段,所受到的主要应力不同,在二次裂纹刚开始扩展时压应力是主要应力,随着二次裂纹的延伸扩展,拉应力成为了主要应力;引起二次裂纹扩展的剪切应力区域比引起翼形裂纹扩展的拉伸应力区域宽泛得多;受挤压作用产生的裂纹,实质上是由受压引起的剪切型张拉应力迫使其开裂的。