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。     

水力耦合作用下煤岩渗流动态演化规律

为探究煤层注水时水在煤体中的渗流演化规律,采用实验室试验与数值模拟结合的方法,开展了地应力及孔隙水压力耦合作用下煤体结构变形及渗透率演化规律试验,并建立了水力耦合下体积变形演化数学模型,基于UDF二次开发进行了煤岩注水渗流动态演化数值模拟。研究结果表明:煤岩孔隙率变化受应力与水压共同作用的影响;煤岩轴向变形量与水压分布由上至下呈递减式传递,体积变形与轴向力、孔隙水压大小成正相关;孔隙水压为赋存于孔裂隙的自由水提供渗透动力,并对煤岩基质骨架产生力学作用,水压越大,煤岩基质骨架越容易破坏;采用UDF程序加载渗透性试验结果对孔隙率随孔隙水压变化进行拟合的结果更接近试验结果,误差较小,对于研究煤岩渗流规律可以提供一定的参考。     

有效应力对孔周破裂煤体渗透率演化规律的影响

有效应力是影响煤体渗流特性的主要原因。为研究瓦斯预抽过程中钻孔周围破裂煤体的渗透特性演化，基于Ergun方程，利用多孔介质有效应力理论，开展4种不同级配混合粒径破碎煤体的渗流试验，研究了在三轴应力作用下不同孔隙结构煤体孔隙结构特征，得到了有效应力对孔隙结构煤体渗流的作用机制。研究结果表明：(1)在三轴应力下破碎煤体内部渗流状态贴近于非Darcy渗流，当围压一定时，轴向压力越大，其非线性拟合的现象更加显著。(2)粒径级配和孔隙率等骨架状态参数影响破碎煤体渗透性能，基于Ergun方程推导出孔隙率与渗透率和非Darcy流因子之间的函数关系式，得到破裂煤样孔隙结构变化与渗透率和非达西流因子的变化规律符合指数函数拟合。(3)在三轴作用下，在有效应力加载到0.55～0.75 MPa区间情况下，煤样的渗透率急剧减小，特别是在n=0.8的情况下，渗透率减小幅度最大，而在有效应力加载超过0.75 MPa的情况下，渗透率减小速度越来越小，渗透率随有效应力演化的规律可用k=ae^bσe+c公式表示。综合以上结果，在孔周煤体受到外部应力(地应力)和内部应力(孔隙压力)共同作用时，破裂煤体的...     

孔隙结构控制下的煤体渗透实验研究

煤层为典型的双重孔隙介质体,其渗透能力受孔隙和裂隙结构参数控制。通过建立描述煤体孔隙和裂隙渗透率统一数学模型,将煤体内气体渗流分为孔隙控制型、裂隙控制型和孔隙-裂隙联合控制型3类;借助6组煤样气体渗流实验数据和孔隙裂隙的测试统计,讨论了不同孔隙特征的渗透率差异原因。研究发现,孔隙和裂隙的结构参数决定了煤体的压缩系数和孔渗指数,进而决定了其渗流类型,影响煤体渗透率敏感性的关键因素是裂隙的密度和尺度,微孔中的气体分子受范德华力影响导致渗透率的应力敏感性几乎无法体现。     

矸石在恒载变形试验过程中的渗透特性研究

采用变形渗流试验和渗流试验2种试验方案,对比研究矸石在时效性变形过程中的渗透特性,并得到了各级应力水平下渗流稳定时矸石的渗透系数.研究表明:对质量和初始堆积高度相同的散体矸石,由于初始孔隙结构的差异,渗流试验中岩样在各级应力水平下的位移都高于变形渗流试验中的位移;随着岩样的压密及破碎,岩样中孔隙压力的量级从千帕增加到兆帕,在相同的渗流速度下,孔隙压力-时间曲线不易达到稳定状态;在相同的轴向应力及渗流速度作用下,岩样的变形对其渗透系数有很大影响,2种试验中岩样的渗流试验渗透系数小于变形渗流试验系数.     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

孔隙压力升降条件下煤岩双孔隙渗透率模型研究

孔隙压力是控制煤岩渗透率的关键因素,为探究煤岩渗透率在孔隙压力升降过程的响应机制,利用含瓦斯煤三轴渗流试验装置,分别开展不同平均应力条件下孔隙压力升高和降低的渗流试验。基于煤岩具备的双孔隙结构介质的特性,综合升压过程中煤岩力学效应、滑脱效应、吸附膨胀及吸附层厚度变化等因素,构建包含基质与裂隙的双孔隙渗透率模型。通过引入修正函数L(p),进一步量化降压过程中煤岩渗透率变化情况,并利用试验数据验证新建渗透率模型的合理性。研究结果表明：(1)当平均应力一定时,基质渗透率随孔隙压力增大呈先急剧减小后缓慢减小的变化趋势,裂隙渗透率的变化规律与煤岩总渗透率的变化规律较为接近;(2)当平均应力一定时,孔隙压力升降过程中的煤岩总渗透率均呈“V”型变化,但对于同一孔隙压力,降压过程总渗透率要低于升压过程总渗透率;(3)利用渗流试验数据对模型进行验证,发现新建双孔隙渗透率模型能够与试验结果保持一致;(4)修正函数L(p)中的敏感性系数c影响渗透率随孔隙压力变化的曲线斜率,敏感性系数d影响渗透率曲线整体高度。     

排水条件对砂岩力学及其变形局部化特性影响试验研究

为了研究砂岩在渗流-应力耦合作用下的变形局部化破坏特征，利用可视化三轴伺服控制试验系统，结合三维数字图像相关技术（three-dimensional digital image correlation,简称3D-DIC），开展不同排水条件下的砂岩三轴压缩试验，对岩石力学、渗流及其变形局部化特性进行分析，并利用电镜扫描对砂岩破坏后其破裂面微观形貌进行分析。结果表明：排水条件下砂岩的峰值强度和弹性模量高于不排水条件下的值，且随着渗透水压增大，砂岩的峰值强度、弹性模量和泊松比均随之增大，出现贯通裂纹的时间点和渗透率最大值出现的时间点则会提前；当渗透水压相同时，不排水条件下砂岩表面变形场云图的局部化带比排水条件下的更宽，即岩石的宏观裂纹更明显，排水条件下水流将岩石内部的矿物颗粒带走，形成孔洞，其破裂面的表面比不排水条件下更光滑，而不排水条件下颗粒表面明显有片状岩屑附着；所有排水条件下径向变形局部化启动点始终高于轴向变形局部化启动点，平均提高了1.23%，变形局部化径向、轴向启动应力水平均随渗透水压的增大而增大，即启动的时间点更提前，排水条件下砂岩的径向启动应力水平、轴向启动应力水平均高于不排水...     

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。     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

煤层底板裂隙岩体导水敏感性试验研究

在TAW-2000岩石伺服试验机上进行了煤岩全应力-应变过程中的渗透性试验,概化出岩石的一般应力-应变-渗透曲线,阐述了变形破坏过程中裂隙岩体渗透系数变化规律及裂隙发育趋势。将贯通裂隙岩样及普通岩样对比研究表明:两种类型岩样渗透系数变化规律存在差异,主要表现在残余强度阶段,普通岩样在残余强度阶段渗透系数急剧下降,而贯通裂隙岩样渗透系数在残余强度阶段继续增加。综合分析试验结果,渗透系数变化受多种因素综合影响,其中岩体结构特征对岩体渗透系数变化规律影响较大。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

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。     

循环荷载下深部煤层工作面顶板砂岩的渗透率演化规律

随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1 050 m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象,采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析,总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用2种机制,应力水平较低时主要起压密作用,应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低,在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下,岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小,再由压裂作用而增大的演化规律,并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用,且随着围压的增大,渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小,岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向2种形式,产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率,而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合5个岩样的渗透率演化情况,得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大,在压裂及损伤作用下增大;在应力达到岩样抗压强度发生破坏时因破裂面的产生骤增;破坏后因大幅下降的应力的压密作用再次降低。     

煤岩全应力-应变过程中渗透特性的研究

选取安徽淮南张集矿的煤样,对加工成的9个标准试件(50 mm×H100 mm)进行全应力-应变过程中的渗透测试及CT扫描试验。渗透试验结果表明：煤岩的渗透率-应变曲线与应力-应变曲线具有相似的变化规律,且渗透率表现出应变滞后性,表明瓦斯在煤岩中的流动特性与受载过程中煤岩内部产生的损伤演化密切相关;围压使煤岩内部的瓦斯通道发生压密闭合,导致渗透率随围压的增大而减小。在渗透试验前后对试件进行CT扫描,结果表明,渗透试验前试件上基本观测不到有微观孔隙裂隙的存在,渗透试验后有明显的贯通裂缝产生,导致试件的渗透率在应力-应变峰后呈现急剧上升的趋势。     

饱和破碎砂岩随时间变形-渗流特性试验研究

采用恒定应力水平下的变形初期渗流和变形后期渗流2种试验方案,对初始孔隙率基本相同的饱和破碎砂岩进行了5级应力水平下恒载变形过程中不同流速的渗透试验,探索不同阶段的变形与渗流的相互影响;得到了岩样在不同应力水平下的孔隙率时间曲线、孔压梯度与渗流速度关系曲线以及轴向应力与恒载终点孔隙率关系曲线等.研究表明:1)恒定应力水平下破碎砂岩的孔隙率时间曲线可用对数函数拟合;2)变形初期渗流中的岩样在渗流时具有相对较高的孔隙压力,其孔隙压力时间曲线在相同流速下不易达到稳定状态,其终点孔隙率明显超出变形后期渗流中相应的数值;3)变形趋于稳定时破碎岩石中的渗流满足Forchheimer关系式.     

破碎矸石分级加载蠕变过程中的渗流试验研究

为研究破碎矸石变形后的渗流规律,利用渗透仪、液压泵等组成的渗流系统,在DDL600电子万能试验机上采用分级加载方式,对5种不同粒径破碎矸石进行了蠕变过程中的渗流试验,得到了各级应力水平下岩样的渗透参数,及其Kelvin-Volgt蠕变模型中的各特征参数E0,E1,η1,并对其变化规律进行了分析。结果表明:1)不同粒径岩样随着应力水平的变化,其孔隙度大小差异逐渐减小,同一应力水平下,颗粒间的相互调整随时间推移逐渐停止;2)破碎岩样的蠕变参数E0,E1,η1均随应力水平的提高而增大,小粒径矸石的比面较大,在压缩过程中与其他粒径岩样相比其轴向变形小、蠕变参数E0大,大粒径矸石颗粒间的充填效果明显且其变形大,孔隙连通性减弱,渗流时黏滞阻力大;3)随着孔隙度减小,岩样的渗透率与非Darcy流β因子的绝对值两者近似呈反比关系。破碎矸石密实度越大非Darcy流特性越显著,当颗粒细化程度较大时,破碎矸石渗流过程中易发生渗流失稳。     

化学沉淀修复采动破坏岩体孔隙/裂隙的降渗特性试验

针对覆岩采动破坏含水层的生态修复难题,以化学沉淀物封堵采动导水通道为思路,开展了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的修复降渗特性试验。采用单一裂缝岩样模型和石英砂管模型分别模拟地下水在破断岩层裂隙通道和破碎岩体孔隙通道中的渗流状态,通过注入可与地下水发生铁/钙质化学沉淀的试剂,评价沉淀物对采动岩体孔隙/裂隙的封堵降渗特性。结果表明:在为期近42 d的水渗流试验中,两试验模型降渗趋势显著,且均呈现先快后慢的分区降渗特征。裂隙岩样模型选用铁质化学沉淀进行封堵降渗,绝对渗透率由初始的15.1μm^2降低为0.01μm^2;试验初期受裂隙面岩石黏土矿物遇水膨胀作用的叠加,降渗速度快、时间短。石英砂管模型选用钙质化学沉淀开展降渗试验,绝对渗透率由初始的62.3μm^2降低为0.1μm^2;由于其宏观孔隙通道尺寸大、初始孔隙率高(32.8%),导致初期快速降渗阶段持续时间明显偏长,且试验末期对应绝对渗透率值也相对偏大。试验结果证实了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的封堵修复效果,同时也为利用化学沉淀方法进行采动覆岩导水通道封堵的含水层生态修复研究与实践提供了重要参考。     

孔隙水压作用下主井砂岩变形强度特性研究

以湖北祥云磷矿矿区含水层的砂岩为研究对象，开展了水-力耦合试验，探讨围压和孔隙水压对岩石变形特性和强度特性的影响。研究结果表明：水-力耦合作用下砂岩试件的应力-应变曲线的发展趋势基本一致，其轴向应变-应力曲线均经历了原生裂隙压缩闭合阶段、线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹不稳定发展阶段和峰后残余阶段等5个阶段；试件的峰值轴向应变与孔隙水压呈负相关，与围压呈正相关，而峰值环向应变和体积应变随着孔隙水压的增大而上下波动；砂岩的峰值偏应力、残余偏应力、起始扩容偏应力与孔隙水压呈线性正相关关系，而与围压呈现负相关。研究成果展现了地下水对祥云磷矿砂岩力学性能的影响规律和影响程度，可为该矿区砂岩的稳定性分析提供参考。     

煤岩层理效应对甲烷吸附-解吸及渗流规律影响的实验研究

为了研究煤岩试件中层理面的存在对甲烷吸附-解吸规律以及渗流规律的影响,通过实验室对含不同倾角的层理面试件进行了吸附解吸试验、全应力-应变-渗流试验,对实验结果进行分析。结果表明:1)甲烷在吸附-解吸过程中,随煤岩层面倾角增大,甲烷吸附速度增加,吸附总量及体积应变不变;2)煤岩试件受层理接触面力学特性、物理特性的双重影响,在应力-应变曲线5个阶段分别对瓦斯渗流规律造成影响,表现为很强的层理效应;3)层面倾角越大,试件内甲烷渗流有效路径越多,初始渗流速度越快;4)甲烷渗流速度受压缩过程中煤岩轴向孔隙、裂隙压缩,径向孔隙、裂隙扩展的影响,最终在煤岩试件发生失稳破坏前,瓦斯渗流速度降至最小值,最小渗流速度时的轴向应变与峰值ε_p的比值随层面倾角增大而减小;5)在峰值强度后,煤岩发生失稳破坏,并伴随大量弹性能释放、裂纹扩展。弹性能释放越强烈则裂纹发展越密集,瓦斯渗流速度出现激增现象,最终渗透率b=0°b=90°b=30°b=60°。