液氮对含水煤样裂隙疲劳增扩作用的试验研究

为分析液氮注入对含水煤层裂隙疲劳增扩的影响,分别取干燥煤样、50%水饱和煤样和100%水饱和煤样,在室内开展了周期疲劳液氮浸泡试验,利用激光显微镜和声波测试仪测试液氮作用前后煤样表面裂隙结构和波速的变化。结果表明:1)经过液氮浸泡后,干燥煤样裂隙扩展效果不明显,10个浸泡周期后煤样仍完整;2)含水煤样的裂隙主要在垂直节理方向发生扩展;3)饱水程度越高,煤样裂隙扩展越显著;4)饱水程度越高,煤样液氮浸泡破坏所需的浸泡周期越短。煤样的饱水程度对液氮致裂效果影响显著。     

液氮冷加载作用下煤样渗透特性研究

为了研究液氮冷加载对煤样渗透特性的影响,采用试验研究和理论分析相结合的方法,对不同冷加载周期煤样的孔隙、裂隙结构损伤破坏变化规律、各物理力学性质以及渗透特性展开研究,通过电镜扫描、波速测试、渗透试验和单轴压缩试验分别得到不同冷加载周期前后煤样裂隙的发育情况、波速衰减率、孔隙量、抗压强度以及渗透率的变化。试验结果表明：(1)液氮冷加载能促进煤样裂隙萌生和发育,有效地连接相对独立的裂隙结构,形成交织的裂隙网络,增大煤样气体流量,从而提高煤样渗透率。(2)温差效应与水冰相变的共同作用对煤样渗透性也有较强的促进作用。(3)随着冷加载周期的循环,煤样裂隙扩展宽度、扩展率均逐渐增大,力学性能减弱,抗压能力越来越差,煤样整体损伤程度严重,渗透率呈指数增长,比煤样初始渗透率提高了16.76倍。     

SDS水溶液作用下低煤阶煤体物理力学特性及损伤实验研究

为了探究SDS水溶液对低阶煤煤体物理力学特性的影响及损伤程度,采用十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液为有机溶液,以低煤阶煤体(阜新长焰煤)为研究对象,通过电镜扫描、压汞实验、纵波波速实验和单轴压缩实验,对SDS水溶液浸泡前后煤样的微观孔隙结构、孔隙率、纵波波速、峰值强度及弹性模量进行表征,分析煤样在SDS水溶液作用下物理力学特性随浸泡温度的变化规律,并建立了SDS水溶液作用下受荷载煤样的损伤演化模型,探讨煤样损伤机制。结果表明:(1)经SDS水溶液作用后,煤样微观孔隙分布不均匀,孔隙率随浸泡温度增加而增加,在55℃时,孔隙率为57%,比原煤样孔隙率增加了46%;煤样纵波波速、峰值强度和弹性模量均随浸泡温度增加而降低,在55℃时,纵波波速、峰值强度和弹性模量分别为571m/s、6.73MPa、356MPa,比原煤样分别降低了416m/s、5.12MPa、1129MPa;(2)SDS水溶液与荷载的共同作用加剧了煤样的总损伤程度,表现出明显的非线性特征,煤样损伤在微观上表现为矿物质组成与结构的改变过程,宏观上表现为煤样力学强度的降低及抵抗破坏的能力减弱;(3)运用新的浸泡实验结果验证所提出的损伤演化模型,实验结果与损伤演化模型十分吻合,相关系数R~2=0.999,由此可见,该损伤演化模型具有良好的可靠性。     

冷加载作用下不同围压煤样结构损伤规律研究

煤体孔隙、裂隙结构是影响煤层气存储能力和渗流能力的主要因素,煤体结构损伤可以提高煤层气储层的渗透性。为了研究液氮作用下煤样结构损伤与围压之间的关系,通过将液氮注入钻孔煤实验装置系统对煤样施加0~7MPa围压,开展液氮注入不同围压煤样实验,揭示了不同围压下煤样结构损伤的规律。结果发现:(1)围压大于1MPa时,煤样结构损伤程度随围压的增加而增大;无围压条件下,煤样更容易发生损伤甚至破坏;(2)4MPa~7MPa围压下煤样结构损伤变化速率明显增加,1MPa围压煤样结构损伤不明显;(3)在温度应力与围压作用下,煤样的孔隙、裂隙体积在垂直层理方向扩展明显;冷加载对于煤样原生裂隙扩展效果显著。本文结果表明液氮冷加载作用可以使带围压煤样结构发生损伤。     

有机/酸复合溶液化学作用下低煤阶煤体破坏微观机制研究

为了探讨有机/酸复合溶液化学作用对煤体物理力学特性的影响,采用扫描电镜、粉晶X射线衍射、压汞实验和力学性能测试等手段,对经有机/酸复合溶液浸泡前后的煤样表观形貌、矿物质含量变化、内部孔隙结构及单轴抗压强度进行表征。分析煤的微观结构随时间变化规律,得出有机/酸复合溶液破坏煤体的微观机制,并通过单轴压缩实验验证煤样微观破坏机理。结果表明:经有机/酸复合溶液浸泡48h后,煤样表面的孔隙尺寸大于10μm,大部分表面被溶蚀成小于1μm的小碎屑颗粒;方解石、白云石和黄铁矿的溶解率为54.54%、36.36%、34.29%,伊利石、高岭石、蒙脱石的含量增加了51.74%、60%、40%,石英几乎不反应;煤样孔径分布曲线随时间增加,逐渐由单峰分布变成双峰分布,煤样微孔体积减少了69.01%,大孔体积增加了72.85%;煤样弹性模量为377.2MPa,峰值强度为4.02MPa,达到峰值强度时,应变值为21.61%。煤样与有机/酸复合溶液之间的化学作用可从微细观上改变煤样的矿物组成与结构,使其产生孔洞、孔隙等,增加其孔隙率,影响其渗透率,进而改变其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。     

超临界CO_2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究

在宏观超临界CO_2增透实验基础上进行微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,自编Matlab程序,计算孔隙率,得到煤各微区孔隙率和渗透率矩阵,绘制孔隙率和渗透率等值线图。结果表明:增透实验前后煤微观结构差别显著,经超临界CO_2作用后,煤微观孔隙充分发育,孔隙的数量、尺寸明显增加,孔隙率是增透前的9.11倍;随着孔隙压力的增大,煤中粒间孔隙数量增多,孔隙之间的连通性增加,孔隙率呈指数增大的趋势,煤体各微区孔隙率等值线密集程度增加;煤体的渗透率随着孔隙率的增加呈正指数递增的趋势,且随着孔隙压力的增加,渗透率呈指数递增的变化规律,渗透率等值线的密集程度增加,宏微观实验结果是一致的,随着注入超临界CO_2孔隙压力的增加,煤微观孔隙结构的发育程度提高,为煤层气的运移提供更多的通道,有效提高了煤体的渗透性。     

不同孔隙率的碾压混凝土力学性能试验研究

混凝土的破坏受其内部缺陷影响,为了研究孔隙含量对碾压混凝土力学性能的影响,探讨碾压混凝土的力学性能和尺寸效应随孔隙率的变化规律,采用预制孔隙法模拟碾压混凝土中的孔隙开展力学性能试验,分析3种尺寸C20碾压混凝土试件在4种不同孔隙率情况下的抗压强度和劈拉强度的变化情况。结果表明：同一尺寸下,C20碾压混凝土的抗压强度和劈拉强度随着孔隙率增加逐渐降低,碾压混凝土孔隙含量增加对其强度产生了负面影响;碾压混凝土拥有明显的尺寸效应,孔隙率越大,碾压混凝土强度的尺寸效应越显著。     

片岩损伤裂隙系统生成及裂隙率间接定量表征方法研究

在岩石试验机上对标准片岩试件进行轴向预压,使试件内部微裂隙自由扩展、连通,以模拟工程扰动形成的损伤裂隙系统．采用纵波波速间接定量表征片岩试件的损伤,从而得到含有一定损伤裂隙系统的标准片岩试件,用于研究经受一定损伤作用后岩石的物理、力学等特性．对预压后的试样进行冻融循环试验,并对不同冻融损伤状态下的试件进行超声波测试和单轴压缩。经非线性回归分析发现,纵波波速和单轴抗压强度之间相关性显著．研究方法和成果对于岩石损伤的定量表征和含一定损伤岩石试件的制备具有指导意义．     

水岩化学作用对黑色页岩的化学损伤及力学劣化试验研究

为模拟黑色页岩化学风化中酸性水-页岩化学作用过程,本文对其进行氧化条件下的不同pH值H2SO4溶液的非平衡流动态腐蚀性试验,获得了黑色页岩化学腐蚀前后矿物变化、相对质量损失、次生孔隙率、纵波波速变化及微观结构特征的变化。通过单轴压缩试验,获得黑色页岩在不同浸泡时段的变形和强度特性规律,探讨了酸性水对黑色页岩化学作用的化学损伤和力学劣化的腐蚀效应及机制。研究表明,页岩试件在化学腐蚀后,易溶性矿物成分减小,黏土矿物增加,同时矿物胶结变得松散,矿物边缘变得模糊;页岩试件的相对质量损失与次生孔隙率随pH值减小和浸泡时间的增长而增大,而纵波波速则减小;其力学特性有从脆性破坏向延性破坏转化的趋势,单轴抗压强度和弹性模量有随pH值减小和浸泡时间的增长而减小的趋势。基于次生孔隙率,构建化学损伤变量来描述试件化学-力学损伤演化过程。分析酸性水-页岩化学作用的机理主要为:溶解作用、氧化作用、水解作用及离子交换吸附作用。     

平面波在双孔隙介质中球形夹杂上的散射

基于拓展的Biot孔隙介质弹性理论,将波函数展开法推广应用到求解平面压缩波在双孔隙介质中单球形理想流体夹杂上的散射问题中.在低频条件下,给出了问题解析解的形式,包括位移场和应力场.由进一步的数值计算结果可知:P1波和S波的一阶谐波振幅随着基质孔隙率的增大而减小,P2波的谐波振幅则增大,而P3波的谐波振幅基本不受其影响;随着裂隙孔隙率的增大,P1波的谐波振幅逐渐减小,P3波和S波的谐波振幅增大,而对P2波的谐波振幅的影响甚微;频率越高,双孔隙介质的基质孔隙率及裂隙孔隙率对其谐波振幅的影响越显著.     

超临界CO_2作用时间对煤渗透率和孔隙率的影响规律研究

为研究超临界CO_2作用后煤渗透率和孔隙率的变化规律,在超临界CO_2增透实验基础上进行了微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,计算孔隙率,得到了煤孔隙率和渗透率变化的等值线图。结果表明:经超临界CO_2作用后,煤的渗透率较作用前提高了一个数量级,并随超临界CO_2作用时间的延长呈正指数增加,当作用时间为20h时,煤的渗透率较增透前提高了20.2倍;随超临界CO_2作用时间的增加,蜂窝状孔隙逐渐向更为细小的颗粒空间发展,孔隙数量明显增加。增透煤微观孔隙定量结果显示,随着超临界CO_2作用时间的增加,孔隙率等值线密集程度增加,煤各微区孔隙逐渐发育,孔隙率增加,当作用时间增加到20h时,孔隙率较增透前提高了17.20倍。煤的渗透率随孔隙率的增加呈正指数递增,说明宏微观结果是一致的,超临界CO_2增透促进了煤微观结构的有效发育,提高了煤的渗透率。     

粗糙表面接触力学问题的重新分析

为了克服基于统计学参数的接触模型的尺度依赖性以及现有接触分形模型推导过程中初始轮廓表征受控于接触面积或取样长度的不足,基于粗糙表面轮廓分形维数D、尺度系数G和最大微凸体轮廓基底尺寸l,建立了新的粗糙表面接触分形模型,探讨了微凸体变形机制、粗糙表面的真实接触面积和接触载荷的关系,揭示了接触界面的孔隙率和真实接触面积随端面形貌、表面接触压力等参数变化的规律,给出了不同形貌界面被压实的最大变形量.结果表明:微凸体变形从弹性变形开始,并随着平均接触压力pm的增大逐步向弹塑性变形和完全塑性变形转变;接触界面的初始孔隙率φ_0随D的增大而增大,压实孔隙所需要的最大变形量δ也随之增大;接触压力p_c增大,孔隙率φ减小,并随着D的增大和G减小,φ快速减小,直至填实,变为零;D较小时,G的增大对真实接触面积的增大影响较小;D较大时,G的增大对真实接触面积的增大作用明显.研究成果为端面摩擦副的润滑与密封设计提供了理论基础.     

孔隙率对纸基摩擦材料的压缩回弹和摩擦磨损性能影响的研究

研究了孔隙率对1种混杂纤维增强纸基摩擦材料压缩回弹性以及摩擦磨损性能的影响.结果表明:在相同载荷下,随着孔隙率增大,材料的压缩率增加而回弹率降低,随着载荷增加,高孔隙率材料的回弹率先明显增大,而后趋于稳定;在相同比压和转速下,孔隙率越高,材料的摩擦系数越大,随着比压增加,孔隙率高的材料摩擦系数逐渐降低,且不同孔隙率材料的摩擦系数逐渐趋于一致;在连续循环制动时,高孔隙率材料的摩擦系数逐渐降低并趋于稳定.这是由于在较高压力下,高孔隙率材料的孔隙会引起塌陷,使其孔隙率降低,从而影响材料的压缩回弹性和摩擦磨损性能.     

水冷却对高温花岗岩的细观损伤及动力学性能影响

为探讨高温花岗岩经水冷却后的细观结构损伤及动态力学性能，对水冷却后高温花岗岩开展波速和核磁共振测试，分离式霍普金森压杆冲击试验，以及冲击破碎试样的扫描电镜观察，分析比较不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。研究发现:随着温度升高，经水冷却处理后高温花岗岩波速非线性下降，大孔径孔隙度分量增大，且水冷却后试样的孔隙孔径尺寸和数量均大于自然冷却；水冷却后高温花岗岩动力学参数呈现出随着温度升高，峰值应力减小，峰值应变增大，弹性模量则先增大后减小的规律；由于水冷却使高温花岗岩表面温度急剧降低，产生额外的温度应力，花岗岩内部损伤加剧，表现出更低的波速与峰值应力；而水的冷淬作用一定程度上提高了表层花岗岩的硬度，降低了高温后花岗岩的塑性能力，与自然冷却相比水冷却后花岗岩的峰值应变减小，弹性模量增大，表现出脆性破坏特征。在温度低于400 ℃时，冷却方式对冲击裂纹影响不大，随着温度升高到800 ℃，自然冷却后花岗岩冲击断面呈蜂窝状，而水冷却后冲击断面则相对平整。     

刚性平压头作用下双重孔隙介质半平面接触问题

针对刚性平压头与双重孔隙介质半平面接触时的静力响应展开研究。基于Biot型双重孔隙介质弹性理论及接触边界条件建立基本求解方程;考虑Fourier积分变换域内特征值的特性,再通过求解柯西积分方程,得到了问题频域内的解析解,包括应力场、位移场。利用Fourier逆变换进行数值求解,分析了基质孔隙与裂隙孔隙之间交互作用对接触表面附近力学响应的影响规律。结果表明:随着两种孔隙率的增大,竖向位移和孔隙压力随之增大,而竖向正应力则减小,且基质孔隙率的影响较为显著。     

粗糙表面接触力学问题的重新分析

为了克服基于统计学参数的接触模型的尺度依赖性以及现有接触分形模型推导过程中初始轮廓表征受控于接触面积或取样长度的不足,基于粗糙表面轮廓分形维数$D$、尺度系数$G$ 和最大微凸体轮廓基底尺寸$l$,建立了新的粗糙表面接触分形模型,探讨了微凸体变形机制、粗糙表面的真实接触面积和接触载荷的关系,揭示了接触界面的孔隙率和真实接触面积随端面形貌、表面接触压力等参数变化的规律,给出了不同形貌界面被压实的最大变形量. 结果表明:微凸体变形从弹性变形开始,并随着平均接触压力$p_{\rm m}$ 的增大逐步向弹塑性变形和完全塑性变形转变;接触界面的初始孔隙率$\phi_{0}$ 随$D$ 的增大而增大,压实孔隙所需要的最大变形量$\delta $ 也随之增大;接触压力$p_{\rm c}$ 增大,孔隙率$\phi$ 减小,并随着$D$ 的增大和$G$ 减小,$\phi$ 快速减小,直至填实,变为零;$D$ 较小时,$G$ 的增大对真实接触面积的增大影响较小;$D$ 较大时,$G$ 的增大对真实接触面积的增大作用明显. 研究成果为端面摩擦副的润滑与密封设计提供了理论基础.      

单轴压缩下微纳晶镍的孔洞演化模型

在含孔隙微纳晶材料受单轴压缩载荷下的大塑性变形中,由于孔洞与基体变形的不匹配,在孔洞周围将产生大量的几何必需位错,本文假设这些位错均匀地从孔洞表面向其内部发射,促使孔洞周围先产生局部非均匀变形,从而导致微纳晶镍试样内孔隙率的变化。基于这种假设本文首先建立了单轴压缩载荷下孔洞的演化发展模型,并用此模型预测了孔隙率的变化,将其与实验测定值进行了比较,结果表明孔洞演化发展模型具有一定合理性。在此基础上,讨论了固定孔隙率和演化发展的孔隙率对不同晶粒尺寸和不同应变速率下的纳晶镍试样力学行为的影响。     

基于逾渗理论的机械密封界面静态泄漏预测方法

针对现有机械密封泄漏机理研究存在的不足,利用Hertz理论研究机械密封界面接触力学问题,揭示了孔隙率随端面形貌、端面载荷等参数的变化规律;基于逾渗理论,探讨了不同网格层数下密封界面的逾渗阈值与孔隙率的关系,建立了密封界面泄漏通道模型,以及泄漏率与端面形貌参数关系表达式;研制了机械密封静态泄漏测试装置,测试了6组不同端面形貌试件在一定介质压力下的泄漏率.结果表明:密封界面的初始孔隙率?0随着分形维数D的增大而增大;端面比压pc增大,孔隙率?减小,并随着D的增大和尺度系数G的减小,?快速减小,直至填实.在端面比压作用下,密封界面的孔隙率均大于0.593,密封界面泄漏通道可以简化为单层网格逾渗模型.密封环的表面越粗糙,其密封界面的孔隙率越大,而由孔隙连通形成的泄漏微通道孔喉尺寸就越大,致使密封界面的泄漏率越大;泄漏率理论预测值与试验结果具有良好的吻合度,验证了本文泄漏预测方法的合理性.     

基于孔与裂隙网络模型的平行微裂隙对驱油的影响规律研究

认识双重多孔介质中油水两相微观渗流机制是回答形成什么类型的裂隙网络可提高油藏采收率的关键. 微裂隙的分布可以提高多孔介质的绝对渗透率,但对于基质孔隙中的流体介质,微裂隙的存在会引起多孔介质中局部流体压力和流场的变化,导致局部流动以微裂隙流动为主,甚至出现窜流现象,降低驱油效率. 本文基于孔与裂隙双重网络模型,在网络进口设定两条平行等长且具有一定间隔的微裂隙,分析微裂隙的相对间隔(微裂隙之间距离/喉道长度)和微裂隙相对长度(微裂隙长度/喉道长度)对于微观渗流特征的影响. 结果表明:随微裂隙相对长度的增加,出现驱油效率逐渐降低,相对渗透率曲线中的油水共渗区水饱和度和等渗点增加,油水两相的共渗范围减小等现象;随着微裂隙之间相对间隔增大,周围越来越多的基质孔穴间的压力差减小,在毛管压力的限制下,驱替相绕过这些区域,而导致水窜现象.      

高温对砂岩宏细观损伤及BP神经网络单轴强度预测研究

为了研究高温后砂岩的力学特性和宏细观损伤变化,对高温作用后的砂岩进行单轴压缩试验、声波损伤检测、X射线衍射试验、扫描电镜试验,分析应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、质量损失率、X射线衍射成像和电镜扫描图像,得到砂岩的细观损伤变化对其单轴抗压强度的影响。利用BP神经网络模型对不同物理量进行训练,预测不同高温作用后砂岩单轴抗压强度。研究结果表明:随着温度升高,砂岩峰值应力和弹性模量均降低,峰值应变、质量损失率和体积均增大,砂岩的外观颜色由黄色过渡到棕红色直至呈土灰色;微缺陷(微裂隙和孔洞)的发育明显,晶体结构破坏加剧,内部生成CaO和CO₂,孔隙率、热损伤程度增大,声速减小,强度降低。建立BP神经网络模型,利用文献数据验证模型可行性,模型预测值与试验值最大误差8.25%,可靠度较高。