分形理论在煤层气非平衡吸附模型中的应用

传统的煤层气动力学模型均是建立在欧几里得几何基础上的,难以描述煤层孔隙结构的复杂性及形状的不规则性。本文以分形理论为基础,通过引入分形维数来刻画煤层孔隙结构的复杂性并考虑煤层的吸附特性、双重介质特征及介质的变形,建立基于Fick第二定律的分形介质煤层气非稳态渗流数学模型。由于流动方程的强非线性,结合各类边界条件用正则摄动法和Laplace变换得到模型在拉氏空间上的近似解析解,再利用Laplace数值反演求得实空间上的数值解。对参数进行敏感性分析并绘制了典型压力曲线,这些结果为煤层气开采提供了理论依据和试井方法。     

多孔介质渗透率的一种新分形模型

多孔介质的渗流特性是油气藏工程、地下水资源利用、高放废物深地质处置等实际工程领域的热门研究问题．基于分形理论及多孔介质由一束面积大小不等的椭圆形毛细管组成的假设,本文建立了流体在分形多孔介质中渗流时的绝对渗透率及相对渗透率的分形渗透率模型．结果表明,绝对渗透率是最大和最小孔隙面积、分形维数、形状因子ε的函数,且当ε =1时,本文模型可以简化成Yu与Cheng模型;而非饱和多孔介质的相对渗透率与饱和度和多孔介质微结构参数有关．将本文提出的渗透率分形模型预测与实验测量数据及其他模型结果进行对比,显示它们整体吻合很好．     

岩石类材料裂纹分叉非规则性几何的分形效应

本文考察了岩石裂纹(从晶粒尺寸的微裂纹到几千米的断层构造)的分叉在几何上存在的非规则性,在文献[10,11]的基础上,应用分形(fractal)几何建立了裂纹分叉的分形模型,分析了裂纹分叉的分形效应,从几何的角度研究了裂纹分叉使断裂韧性提高的物理力学现象,导出了一个比smith公式更合理的断裂韧性计算式。     

大理岩微孔隙演化的分形特征

本文利用压汞技术测定了大理岩随应力变化的微孔隙演化过程，根据孔隙介质的分形模型，计算了大理岩微孔隙演化过程中的分维变化。研究表明：孔隙岩体确实是一个分形结构，孔隙体积分维随外载增加而增大。     

分形煤层气藏数值模拟研究——Douglas-Jones预估-校正法的应用

传统的煤层气动力学模型多建立在欧几里得基础上,难以描述煤层气孔隙结构的复杂性和形状的不规则性。为此,以分形理论为基础,通过引入煤层基质和裂缝的分形维数来刻画煤层气孔隙结构的复杂性和吸附特性,建立了双重分形介质渗流模型,采用Douglas-Jones预估-校正法对非线性方程组进行离散,获得了无限大地层和有限地层定产量生产时拟稳态吸附模型的差分方程,求得数值解。结果表明,Douglas-Jones预估-校正法可以有效解决这类非线性模型的求解问题,获得无限大地层定产量生产时变形双重分形介质模型的数值解;分析各种分形参数下的煤层压力动态,做出了典型压力曲线图。对无限大地层,初期分形维数对压力影响不大,后期分形维数越小,压力越高。对有限地层,初期分形维数的影响明显,且分形维数越大,压力越低。压力随分形指数的减小量呈现先增大后减小的趋势,在末期压力平稳趋向同一值。     

断面分形研究中的几个问题

本文讨论了分形几何应用于断裂研究的几个基本问题．主要内容包括断面的分形特征及分维测量,分维与宏观力学性能（如断裂韧性等）的关系,分形断裂模型及分形断裂的物理机理．      

幂律流体在多孔介质中径向渗流的分形模型

基于分形理论及毛细管模型,本文研究了非牛顿幂律流体在各向同性多孔介质中径向流动问题,推导了幂律流体径向有效渗透率的分形解析表达式．研究结果表明,幂律流体径向有效无量纲渗透率模型和Chang and Yortsos’s模型吻合很好;同时还得出幂律流体径向有效渗透率随孔隙率、幂指数的增加而增加,随迂曲度分形维数的增加而减少．     

分形(fractal)几何与岩石断裂

岩石断口的不规则性可以统计地认为具有自相似性,由此本文应用新几何——分形(fractal) 几何来描述这种不规则性。建立了穿晶以及沿晶界和穿晶相偶合的微观断裂fractal 模型,用电镜和光学显微镜观察了大量岩石断口的 fractal 特征,得到了 fractal 维数与岩石宏观断裂力学量之间的初步对应关系。     

二维和三维湍流的分形模型

<正> 1 引言 目前分形物体已广泛引入物理学和自然科学各种现象的分析中。湍流的几何形态特别需用“自相似”方法、而不是用“欧几里德”方法来研究。人们通常考虑的是均匀分形(即具有整体严格的膨胀不变性),但我们想引入自相似性仅在平均意义下保持的一个简单模型,     

一种铝合金层裂破坏的分形形貌与微结构的相关性

针对高速冲击下材料的层裂破坏，用盒子计数法和码尺法计算了一种铝合金的层裂剖面的分形维。结合层裂破坏形貌的微观观测讨论了分形标度区范围。测定了材料的微结构分布，对材料中的二相粒子尺寸，晶粒尺寸以及相邻的二相粒子间距的分布，层裂破坏形貌展示的自相似范围和计算分形维数时的标度区范围进行比较，发现相邻的二相粒子间距的分布范围和层裂破坏形貌的自相似范围以及分形维的标度区范围是相当的。     

岩石节理粗糙面的分形几何特性与剪切强度关系的实验研究

自然形成的岩石节理面的表面形状具有分形特性，利用分形理论来描述岩石节理的粗糙特性，并确立与岩石节理面的剪切力学特性间的关系对于指导岩体工程设计，和管理具有重要一研究利用开发设计的三维激光测距仪在精确测定岩石节理面的表面形状４ 基础上，依据变量图法建立了 岩石节理面的     

基于分形理论和Mori-Tanaka方法的颗粒土渗透注浆加固体性能预测方法及应用

在注浆加固工程中, 为了避免空间变异性导致的支护结构受力过大而失稳, 提出合理的注浆加固体刚度及强度预测方法十分必要. 本文利用分形理论描述颗粒土类型的隧道围岩的孔隙特征, 基于迂曲度经验公式建立了地层体孔隙率和面孔隙率的转换关系. 以体孔隙率为变量, 结合Mori-Tanaka方法, 提出新的注浆加固体的宏观刚度预测方法. 利用能量法求解连通孔隙不同屈曲半波分布形态下的临界载荷作为加固体的单轴抗压强度, 从而建立了新的注浆加固体的强度预测理论模型. 以玉京山隧道为工程算例, 将本文方法在FLAC3D中进行二次开发, 通过对不同的地层单元随机生成孔隙率, 并利用本文方法计算并赋予地层单元不同的物理力学性质, 实现了围岩空间变异性的模拟, 数值模拟和现场监测得到的隧道洞身水平收敛的最大绝对误差仅为8 mm. 数值模拟结果表明, 对玉京山隧道回填区域进行注浆加固可以降低50%~90%的围岩位移, 极大地降低围岩不良区域对应的支护结构弯矩, 降低支护结构扭矩至0, 并将支护结构变形控制在10 mm以内, 但注浆加固难以改变灰岩和回填体之间的载荷分配规律.      

分形油藏不稳定渗流问题的精确解

研究了分形油藏无限大地层和有界地层渗流模型，引入了一类有限广义Ｈａｎｋｅｌ变换，利用这种变换和Ｗｅｂｅｒ变换，在井底定流量和定压生产时，对无限大地层及有界地层（包括封闭和定压地层）六种情况，求得了实空间解析解用双参数（ｄｆ，ｄｓ）来刻画分形油藏的分形特性，分析了分形油藏压力动态特征以及分形参数和边界对压力动态的影响     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

ACOUSTIC EMISSION AND FRACTAL CHARACTERISTICS OF COAL ROCK SAMPLES UNDER TRIAXIAL COMPRESSION

为了研究煤样在不同围压下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对煤样试样在不同围压（5MPa,10MPa,15MPa） 进行了实验研究. 对煤样试样的声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究. 研究结果表明：不同围压下煤样的声发射特性具有一定的差异性,围压越高前兆信息越明显. 不同围压下煤样都具有分形特征,随着围压的增大,分形特征有所增强. 煤样在失稳破坏过程中声发射序列的分形维值都会出现一个波动-上升-突降的过程,提出可以作为煤样体失稳破坏的前兆信息.     

一维封闭冻结风积土冻胀曲线的分形性质

通过分析风积土冻胀的特征，提出采用分形插值方法研究一维封闭冻结风积土的冻胀问题．通过理论研究和对实测曲线的分析，结果表明冻胀曲线具有良好的自相似性，可以利用分形理论对冻胀曲线进行描述．分维体现了冻胀曲线的复杂性及非线性特征，这对进一步认识风积土的冻胀过程有着很重要的作用。     

固化滨海盐渍土路用性能的室内试验与现场测试

渤海湾西海岸带地区的路堤多为填方型式,且以滨海盐渍土为主要填料。以滨海盐渍土填筑路堤,须解决土的盐胀、溶陷和吸湿软化带来的强度下降和稳定性降低问题,以进行土的改性或固化处理。为降低工程费用,固化材料应以常规的无机材料为主,辅助少量的高分子材料。为研究滨海盐渍土填筑路堤的力学性能,完成了石灰固化土和石灰+SH固土剂固化土的无侧限抗压强度、劈裂法抗拉强度、三轴抗剪强度和加州承载比等室内试验,同期还进行了固化土的现场碾压试验,检测了碾压固化土的压实度、平整度、回弹弯沉、加州承载比和回弹模量等指标。试验与研究结果显示:(1)石灰固化土和石灰+SH固土剂固化土均满足填筑路堤的强度和变形指标要求,后者的力学性能优于前者; (2)SH固土剂干燥后的胶膜包裹了土颗粒,且在颗粒间形成了抗水的胶结联结,胶丝在土的孔隙内形成了絮状联结网。胶膜和胶丝网共同作用,提高了固化土的强度、抗变形能力和水稳性; (3)2种固化土的现场碾压试验效果都很好,碾压固化土的现场测试结果与固化土的室内试验结果相一致。石灰+SH固土剂固化土的碾压性能和力学指标均满足"公路路基设计规范"的要求,效果良好,这种固化方法适宜在滨海盐渍土地区推广使用。     

FRACTAL DESCRIPTION OF ROCK FRACTURE BEHAVIOR

岩石可压裂性的定量评价是非常规油气资源开采中一个重要且复杂的问题,利用已有岩心实验数据,考虑岩石的岩性及压裂裂隙的分形特征,建立了岩石压裂裂隙的分维数、岩石抗压强度和裂隙面密度之间的定量关系,并根据所采岩心,利用自行开发的软件计算出其压裂后分形维数,验证了裂隙越复杂,分形维数越大. 提出采用压裂裂隙的分维数来表征岩石的可压裂性, 为定量分析和评价岩石可压裂性与储层开采价值提供了一个新的思路.     

综放顶煤爆破能量的分形研究

基于综放开采预爆破弱化坚硬顶工艺,利用分形理论建立岩石断耗能量与块度分维值之间的理论关系,推导出岩石爆破块度分数维与炸药单耗之间关系,进行了室内相似材料模型爆破实验,验证了上述理论关系,利用爆破岩石表面裂隙分布的分形维数值作了衡量指标,优化爆破孔网参数。