考虑温度损伤的复合岩石本构关系研究

:为研究岩石在温度作用后的物理特性、力学性质及损伤变化,对 复 合 岩 石 试 样 进 行 温 度 处 理,设 置 常 温、６０℃、０℃、１２０℃、１５０℃、１８０℃ ６个温度梯度,对温度作用后的复合岩石进行单轴压缩试验.使用 Weibull分布函数建立温度作用后复合岩石的统计损伤本构模型,以文献理论曲线和单 轴 压 缩 结 果 加 以 验 证,基 于 数 字 图 像 相 关 法 (DigitalImageCorrelation,DIC)建立本构模型,改进后的本构模型对岩石峰后阶段破坏特征的描述更加准确.所建立的温度作用后复合岩石损伤模型理论曲线与文献理论曲线较为吻合,模型曲线 与 单 轴 试 验 结 果 表 现 出 较 高 的 相 似 度,使 用DIC改进的本构模型可以较好地表征复合岩石各破坏阶段     

探究岩石抗压强度的影响因素及试件破坏形态

影响岩石抗压强度的因素众多,其与自身物理力学性质有着极大相关性。由于岩石矿物组成成分不同、胶结物不同、内部裂隙及层理不同,均可能导致岩石抗压强度不同。本文着重对岩石抗压强度试验中,人为或试验设备等外部因素对其强度的影响进行归纳与分析。已有大量试验证明,不同的试件尺寸与形状、相对比例、加载速率及端部效应等会对岩石抗压强度产生不同程度的影响,试验机刚度较低、围压腔体渗漏、试件崩解等会造成岩石抗压强度的差异。此外,通过岩石单轴和三轴抗压强度试验验证了三种典型的岩石破坏模式,并讨论了其破坏机理。     

煤层气解吸滞后定量分析模型

针对煤解吸滞后过程解、吸附量和速度变化特征,提出了煤层气解吸滞后定量分析模型。根据煤解吸滞后现象分析,结合"墨水瓶"理论,通过引入滞后因子α,提出了煤吸附-解吸模型,揭示了煤吸附-解吸过程质量变化的解吸滞后机理;通过比较解、吸附过程速度,提出了考虑煤基质吸附-解吸过程孔隙率变化的扩散方程,该方程中扩散系数直接可以反映吸附-解吸过程时间异步问题。基于Comsol计算平台,实现了煤层气解吸滞后定量分析模型的数值求解。数值模拟结果显示不同煤阶煤样的等温吸附实验数据验证了α值的合理性,拟合数据表明随煤阶提高,α值越大,解吸滞后程度越大;吸附-解吸过程中扩散系数的变化趋势相反,吸附过程中扩散系数随时间减小,吸附速率随时间减小,解吸过程中,其值随时间增大,解吸速率随时间增大,通过扩散系数得到的解、吸附速率变化趋势与实验室结果一致,证明了此参数的合理性,进而可用来分析解吸滞后现象在时间上的变化趋势。     

基于结构异性比的含瓦斯煤渗透各向异性研究

渗透率是煤层气生产中的重要参数,而原煤的结构异性导致其渗透率具有明显的方向性。假设煤体结构各向异性,建立基于结构异性比的煤体各向异性渗透模型,再进一步推导出瓦斯煤各向异性气–固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究了煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明:煤体结构异性比和平行层理方向渗透率与垂直层理方向渗透率的比值之间存在指数关系,结构异性比越大,则渗透率比值越大;恒定围压条件下,结构异性比随压力的增大而增大,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在增大;恒定围体积条件下,结构异性比随压力的增大而减小,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在减小;本文模型计算数据与渗透各向异性试验数据吻合度高,验证了本文模型的合理性,可适用恒定围岩应力、恒定储层体积等多种条件的渗透各向异性研究。     

基于声发射和DIC特征的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石的力学损伤特性，以深部致密储层砂岩及泥岩为研究对象，通过相似材料模型试验制备层状复合类岩石，开展单轴压缩试验并辅以声发射系统及数字图像修正(DIC)系统全过程监测，得到层状复合岩石的强度及弹性模量等物理力学参数。研究声发射振铃计数与岩石损伤演化过程对应规律，将单轴压缩下层状复合岩石损伤过程划分为初始损伤、损伤稳定发展及损伤加速三个阶段。以声发射内部损伤演化特征及DIC表面损伤演化特性为基础，建立了基于双损伤因子表征的层状复合岩石损伤本构模型。结果表明：3类岩石中，A类岩石的强度及弹性模量分别高于B类岩石21%和24%,AB类层状复合岩石的强度及弹性模量则低于B类岩石3%和4%。A类岩石以拉伸破坏为主，B类岩石多呈单斜面剪切破坏，AB类复合岩石主要沿胶结层理面或强度较弱部分产生拉伸-剪切滑移型破坏。三类岩石加载初期声发射活动较弱，在峰值应力时信号值达到最大。文中提出的模型合理地揭示了单轴压缩下层状复合岩石内部结构发展与外部裂纹萌发、扩展与贯通的损伤演化机理。     

基于压电陶瓷和DIC的软硬互层岩石内外损伤试验及模型研究北大核心

为探究软硬互层岩石在破坏后的损伤演化规律,利用相似模型理论制作3组类岩石试块(软岩、互层岩石、硬岩),在对类岩石试块进行单轴压缩的同时辅以压电陶瓷试验和数字图像相关技术(digital image correlation,以下简称DIC)来实时检测岩石的内外损伤,分析其破坏状态和损伤演化规律。试验结果表明:软硬互层岩石的强度、变形特性介于类软岩、类硬岩之间,在达到峰值点前其力学规律类似于软岩有一定的膨胀变形,而在破坏后其力学特性为接近硬岩的脆性破坏;将压电陶瓷时域信号和DIC应变图像与岩石从加载至破坏的过程相结合,发现各类岩石呈现初始平缓、中期加速、末期减缓的“S”形损伤演化规律;压电陶瓷时域信号的衰减幅度与岩石损伤中前期过程正相关,而DIC图像应变变化特征与岩石损伤中后期过程关联密切;软硬互层岩石损伤中前期过程主要是软岩部分的变形及硬岩部分少量的裂纹发育导致的损伤累积变化,而后期则主要是硬岩部分微裂纹相互连接贯通导致的损伤累积,最终表现为软岩部分的粉碎、硬岩部分呈现明显的贯通裂纹。结合压电陶瓷与DIC技术的损伤监测特点,基于尖点突变理论量化岩石损伤曲线中的突变区间和突变交点,以突变交点为岩石内外损伤的分段点,提出内外损伤结合的岩石本构模型。     

基于等效裂隙开度的层理煤岩渗透率模型研究

为了改进渗透率模型，定量描述层理煤岩在力学变形与渗透行为上的各向异性特征，将平行层理煤岩的裂隙开度作为基准，引入了等效裂隙开度系数，将非平行层理煤岩的裂隙开度等效，提出了一种基于等效裂隙开度系数的层理煤岩渗透率演化模型。结果表明：随着层理角度增大，层理煤岩的渗透率显著降低，且层理角度越大的煤岩，随着气体压力的变化其动态渗透率变化幅度越小；有效应力与吸附效应对于渗透率的演化有显著影响，但在不同的力学边界下，二者属于竞争关系，有效应力对于渗透率的影响在恒定围岩应力边界下处于优势地位，而吸附效应则在位移固定边界条件下占据主导地位；对于层理煤岩瓦斯抽采，顺层理方向抽采可极大的提高抽采效率。