峰后破裂岩石加、卸载围压过程渗流特性的试验

针对岩石裂隙面因加、卸载围压环境而引起渗流特性的改变,采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石三轴试验系统,开展峰后破裂岩石加、卸载围压过程的渗流试验,研究峰后岩石裂隙在不同围压加、卸载路径下的非线性渗流特征。为了量化裂隙岩石非线性渗流过程,采用Forchheimer公式对水力梯度与渗流流量之间的关系进行拟合分析,将峰后破裂岩石渗流过程划分为线性Darcy流阶段与非线性Darcy流阶段,引入非线性影响因子E,作为区分达西流与非达西流的临界点。对比加、卸载围压过程中相同渗透压力下的裂隙渗流流量与裂隙渗透性,分析产生渗流差异性的发生机制。研究表明:峰后破裂岩石在围压的加载过程中,其渗流主要表现为非线性特征,裂隙的渗透性随围压增大而逐渐减小。在高围压作用下,虽然裂隙面会产生一定程度的压缩闭合,但存在的少量张拉裂隙会逐渐扩展和连通,可能会引起峰后破裂岩石的渗透性发生改变。当围压从较高水平卸荷后,且裂隙面渗透压力处于较低水平下时,裂隙渗透性没有增加反而减小,表明裂隙面在加、卸载围压和过流冲刷的共同影响下发生了不可逆的变形,导致裂隙面开度的逐步降低。当围压卸载到与加载过程同一水平时,各级渗透压力下的渗流流量均大幅下降,表明裂隙面的渗流能力的恢复存在明显的滞后效应。     

含裂隙茅口灰岩渗透特性的试验研究

为了分析不同载荷作用下茅口灰岩的渗流规律,采用MTS多功能岩石力学试验系统对岩样进行定轴压、变围压作用下的渗透特性试验研究,利用瞬态渗透法测试茅口灰岩的渗流特性,采用孔隙压力差单一时间序列,计算出非Darcy流的渗透参数(渗透率、非Darcy流β因子和加速度系数)。研究结果如下:茅口灰岩的裂隙流具有非Darcy效应;在定轴压作用下,随着围压的不断增大,岩样的渗透率不断减小,并趋于平缓;岩样的渗透系数与体积应力呈指数衰减关系,当体积应力较小时,岩体的渗透系数受体积应力作用较为敏感,而当体积应力较大时,对渗透性的影响敏感性降低;渗透系数、体积应力与渗透压差之间满足指数关系;当体积应力从14 MPa增加到32 MPa过程中,非Darcy流β因子在0附近波动,加速度系数在50×10-20m-1附近波动。     

不同围压下粗糙裂隙渗流规律试验研究

了解应力耦合条件下裂隙岩体中的流体流动特性对于指导岩土工程设计具有重要意义。为了研究粗糙度和围压对裂隙岩体渗流的影响,首先通过三维形貌扫描仪获得了预制裂隙面的形貌数据;之后在围压为1.0～5.0 MPa的条件下,对不同粗糙度的砂岩裂隙试样开展了不匹配渗流试验。试验研究结果表明：在围压恒定时,不匹配砂岩裂隙中流量均随着压力梯度的增加而增大,而且,福希海默方程可以很好地描述压力梯度和流量之间的非线性关系。围压和压力梯度不变时,岩石裂隙中的流量随粗糙度的增加而减小。进一步研究发现,福希海默方程中的线性系数a和非线性系数b均随着表面粗糙度和围压的增加而增大。表观导水系数并非恒定不变的常数,其数值随着雷诺数的增大而减小,水力开度e_h随着围压的增大而减小。     

煤矸石非Darcy渗流的渗透特性试验研究

利用自行设计的岩石渗透试验系统,采用稳态渗透法测试了10件标准煤矸石试样非Darcy渗流时的渗透特性。通过最小二乘法对渗流速度和压力梯度进行回归分析,得到煤矸石的Darcy流渗透率、非Darcy流渗透率和非Darcy流β因子。研究结果可为工程中煤矸石做充填材料提供参考。     

破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。     

裂隙茅口灰岩水力学特性试验研究

利用MTS815多功能岩石力学试验机对茅口灰岩进行一系列不同轴压和围压下的渗流试验.试验结果表明:茅口灰岩裂隙流与Darcy流存在一定差异,表现出非线性时变性即非Darcy流;随着应变的增加,岩石渗透率刚开始下降较快,后期下降较慢.采用Origin专业绘图软件对Darcy流与非Darcy流渗透率数据进行拟合分析发现,幂函数能够很好的拟合二者之间的关系,并提出了可靠又简便的茅口灰岩非Darcy流渗透率计算公式.     

水沙混合物非Darcy裂隙渗流试验研究

西部煤田因埋藏浅、厚度大,常采取大采高、快速推进的方式开采,开采时,覆岩破坏易形成贯通裂隙,当煤层上方存在水源和厚沙层时,易引发采场突水溃沙事故。裂隙中水沙混合物的渗流规律及失稳条件是探究突水溃沙的关键问题,以径向裂隙岩样和不同粒径、不同质量浓度的水沙混合物为研究对象,设计一套裂隙水沙混合物渗流试验系统;通过改变沙的质量浓度和粒径大小进行裂隙水沙混合物渗透特性测试,得到水沙混合物裂隙渗流特性参数(有效流度I_e和非Darcy流因子β)。试验结果表明:当沙粒径小于0.180 mm、质量浓度小于80 kg/m~3时,水沙混合物可以视为幂律型流体;随着沙质量浓度和粒径增大,稠度系数增大,幂指数随之减小。水沙混合物在裂隙中渗流速度-压力梯度可用二项式关系式拟合。有效流度I_e、非Darcy流因子β与水沙混合物的质量浓度ρs分别呈幂指数函数关系,随质量浓度增大有效流度I_e也随之增大,非Darcy流因子β则随之减小。水沙混合物在裂隙岩石渗流时,沙质量浓度和粒径对渗流参数都产生影响,但沙密度是主要影响因素。     

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。     

某抽水蓄能电站高压渗透试验分析

岩体的渗透稳定性关系到地下洞室围岩体的稳定性。以一抽水蓄能电站设计阶段进行的高压渗透试验为例,重点探讨了试验过程中流量Q与压力P之间的关系,岩体的渗流性态以及岩体的允许水力坡降等重要方面。根据不同的P~Q关系曲线,得到呈相对闭合的裂隙明显存在临界水头压力,而具有一定开度的裂隙则不然;随着水头压力的增大,岩体的渗流性态渐趋敏感;而在较高水头压力的持续作用下,岩体的允许水力坡降值则有减小之势。因而认为,进行高压渗透试验,可以更为真实地反映深埋地下洞室围岩体的渗流状态。     

高温三轴应力下寒武系鲕状灰岩单裂隙渗流特性研究

裂隙渗流特性对中深层地热开发至关重要。为研究高温三轴应力下寒武系鲕状灰岩单裂隙渗流特性,采用高温三轴渗流试验系统,进行不同温度(室温至400℃)、不同三轴应力(20～35 MPa)的渗流试验。结果表明：在恒温条件下,随着轴向应力增加,裂隙岩样的渗透率逐渐升高;在恒温条件下,随着侧向应力增加,裂隙岩样的渗透率逐渐降低;在渗透压力不变的情况下,在室温至400℃的升温过程中,裂隙岩样的渗透率随温度的升高而降低。在升温初期,单裂隙面岩样渗透率降低速率很大,在400℃的温度条件下,渗透率接近于0。研究结果可为中深层地热开发提供一定的指导。     

Influence of Stress and Water Pressure on the Permeability of Fissured Sandstone Under Hydromechanical Coupling

We investigated the permeability of fissured sandstone in the Lao Sangou coal mine to understand how to reduce water seepage through the mine roof and to provide a scientific basis for how the permeability changes. First, the physical and mechanical parameters of the sandstone samples were measured in laboratory tests. The discrete element method was used to establish a corresponding model, which was calibrated using uniaxial compression tests. Then, five calculation models were established and used to analyse the permeability of fissured sandstone at varied axial pressures, confining pressures, and water pressures under hydromechanical coupling. A further triaxial seepage experiment was carried out to test the permeability of the fissured sandstone samples. The results indicated that a horizontal hydraulic aperture was more sensitive to axial stress than a vertical hydraulic aperture, and that a vertical hydraulic aperture was more sensitive to confining stress than a horizontal hydraulic aperture, suggesting that confining stress affects permeability more than axial stress. Changes in permeability occur in three stages, i.e. slowly declining, sharply declining, and steady state, reacting to water pressure and stress. There is a cubic polynomial relationship between both the average flow rate and the average hydraulic aperture and stress, with R²?≥?0.95. After the permeability traverses the slowly declining stage, an exponential relationship exists between both the average flow rate and the average hydraulic aperture and stress, with R²?≥?0.97. A series of numerical calculation models were used to suggest a partition scheme, in which water pressure plays a leading role in zone I, the stress and water pressure work together in zone II, and stress plays a dominant role in zone III.     

颗粒堆积型多孔介质非线性渗流的试验研究

采用SLB-1型应力应变式三轴剪切渗透试验仪对颗粒型多孔介质试样进行了恒围压与恒轴压不同孔隙压力条件下的渗流试验,考虑到颗粒型多孔介质渗透系数依赖于孔隙改变的特点,提出渗透系数的非线性数学模型。研究结果表明,渗流过程分为非稳定与稳定渗流两个阶段;渗透系数随着轴压和围压的减小由非线性逐渐趋于线性;一维稳定渗流问题的理论推导表明试样内部孔隙压力梯度具有非均匀性。结合试验数据,采用最小二乘法确定了渗透系数理论模型的待定参数,利用非线性数学模型与Darcy定律计算得到的渗透系数之比约为2.5倍。     

煤岩渗流—蠕变耦合作用下声发射试验研究

为研究煤岩在渗流—蠕变耦合作用下的声发射及损伤特性,进行了4组不同渗透水压和围压的蠕变声发射测试实验。研究结果表明：累计渗流量曲线对应于蠕变应变曲线,可分为初始、稳态、加速3个阶段;受渗流和蠕变作用的相互影响,在相同围压下,渗透压越大,煤岩的瞬时应变量越大,蠕变速率越高,渗流量越大,声发射越活跃;在相同渗透压下,围压越大,煤岩的瞬时应变量越小,蠕变速率越低,渗流量越小,声发射活跃程度降低;声发射在渗流—蠕变全过程中,整体呈U型变化特征,在体积压缩向体积扩容转变期,声发射异常活跃,表明煤岩此时处于内部结构的调整和损伤状态的转变期;基于Weibull分布函数的损伤表明,各围压下煤岩均存在一个损伤阈值,当损伤超过此值时,煤岩进入加速蠕变变形阶段,且损伤阈值有随围压升高而增大的趋势。     

三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律

深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态,其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能,采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案,进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验,得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:①三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47. 58,渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;②三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关,各级轴向位移下,两者服从对数函数关系;③随着有效应力的增大,各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小,破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合,表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④各级轴向位移下,破碎煤样的渗透率随围压增大而减小,不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=me~(nσ3)公式表示,颗粒粒径越大,破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能,不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小,渗透率整体减小,非Darcy流β因子呈增大趋势,其中渗透率的量级为10~(-14)～10~(-10) m~2,非Darcy流β因子的量级为10~7～10~(11)m~(-1)。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。     

几何粗糙对岩体裂隙非线性流动的影响机制

破断岩体裂隙的几何粗糙使得其中的流体流动行为呈现出显著的非线性。借助粗糙裂隙的平行板离散模型和COMSOL软件,分析了离散模型单元体内部的流体流速及压力分布规律,获得了岩体裂隙中非线性流动产生的物理机制;研究了裂隙几何特征对非线性流动的影响规律,提出岩体裂隙非线性流动的流量计算方法,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明:隙宽突变处的附加压力降损耗是导致粗糙裂隙流体流动产生非线性的主因;裂隙壁面粗糙和雷诺数的耦合作用显著影响裂隙中流体的非线性流动行为,裂隙中隙宽明显收缩处是附加压力降损耗的主要位置;提出的粗糙裂隙非线性流动的流量计算方法显著提高了分析结果的准确度,显示出较好的实用性。     

低渗煤样全应力应变过程渗透特性试验

采用MTS815.02型岩石伺服试验系统对煤样进行了应力应变全过程渗透性试验,得到不同围压下煤样的全应力-应变曲线,探讨了全应力-应变过程中煤样渗透率-应变关系曲线的几何特性,研究了煤样变形和破坏过程中的轴向应变与渗透率之间的关系,分析围压对煤样渗透率变化的影响。结果表明,轴向应力对Darcy流渗透特性和非Darcy流渗透特性的影响是同步的,煤样渗透率的峰值滞后于应力应变峰值;随着围压增大,煤样的渗透率总体上呈下降趋势。     

吸附作用对原煤渗透特性的影响

为了解吸附作用对原煤渗透特性的影响,利用自制的煤岩三轴渗透仪,在不同轴压和围压组合条件下,对以打通一矿低渗透突出煤层的原煤试样,采用稳态渗流法进行CO2和N2渗流试验。从渗流力学的观点,分析不同吸附性气体对原煤渗透率的影响。试验结果表明:气体吸附作用越强,气体吸附量越多,则煤样渗透率越低;气体吸附性越强,煤样受围压影响越小,煤样对气体吸附量增加幅度越大;气体压力与原煤渗透率呈乘幂函数关系。同时,给出了吸附膨胀应力与渗透率的关系表达式。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

脆性岩体在不同围压下卸载的岩爆特性

岩爆是高地应力环境下开挖扰动的一种地质灾害。通过对类岩体大尺寸试件进行不同围压下的顶部梯度加载-单面卸载的加卸荷试验,采集试件内部测点在岩爆前后的应变过程,结合岩爆岩体的宏观破坏现象,分析脆性岩体在不同围压加卸载条件下的岩爆特性。研究表明：不同围压下进行加卸载试验时,试件卸载时的围压大小会直接影响岩体在岩爆时的破坏形态;试件在2种加载路径下发生岩爆时,卸载面产生的岩爆起裂点均是由卸载面中部的拉伸破坏,进而由卸载面上、下处岩体的压缩破坏引起的;试件在高围压环境下产生岩爆瞬间,内测点的垂直应变变化值大于其在低围压环境下的变化值,试件在高围压加卸载路径下产生的岩体岩爆烈度相对较大。