煤系地层岩石渗透特性试验研究

基于MTS815.02型岩石伺服渗透试验系统,应用两种实验方法测定了岩石的渗透特性,给出煤系地层中多种岩石全应力-应变过程中渗透率变化范围,对几种岩石的渗透特征进行了分析和讨论。研究表明:1)煤系地层岩石全应力-应变过程的渗透率通常在10-9到10-4Darcy量级之间;2)不同岩石在应力峰值前后其渗透性呈现不同的变化趋势;3)岩石渗透率的离散性很大,即使在相同的试验条件下,渗透率变异系数大多在0.65以上,其离散性按粗砂岩、泥岩、砂质页岩、中砂岩、细砂岩、砾岩、石灰岩顺序逐渐增大;4)在MTS815.02系统上,当所测岩样渗透率小于10-4Darcy量级时,应采用瞬态法,当渗透率量级大于10-4Darcy时,可改用稳态法测定。岩石变形过程中应力场和渗流场的耦合作用十分复杂,渗透率受孔隙压力、围压、试件尺寸、饱和程度等因素影响。     

充填泥沙裂隙岩石渗流特性的实验研究

对人工充填泥沙裂隙岩石在MTS815.02电液伺服岩石试验系统上进行渗流实验,同时结合岩石孔隙电子显微照片,探讨了泥沙颗粒对裂隙岩石渗透特性的影响规律.实验表明,在泥沙颗粒的作用下,裂隙岩样渗透率明显减小;泥沙颗粒在岩样宏观裂隙中运移达到重新平衡之后,裂隙岩样渗透率随时间逐渐增大并最终趋于稳定.     

岩样单轴压缩变形破坏与能量特征研究

基于在伺服试验机上得到的同直径不同长度大理岩样的单轴压缩试验结果,研究了尺寸对岩石变形破坏与能量特征的影响规律.结果表明,岩石长度对峰值应力前的轴向变形特性没有显著影响,但明显改变峰后的轴向变形特性;岩样长度对峰后塑性变形特性影响不大;直径一定时随着长度的增大,岩样破裂形式由竖向劈裂变为剪切破坏.随着长径比的增加,岩石破坏应变能呈幂律衰减趋势,且当长径比增加至2以后,便基本趋于恒定,不再明显减小;而岩石破坏能呈先减小后增大的非线性变化趋势.     

动静组合加载下岩石破坏的声发射实验

在霍普金森(SHPB)实验系统上进行了动静组合加载下岩石破坏的声发射实验,获得了动静组合加载下花岗岩声发射能量的变化规律。结果表明,动静组合加载下声发射能量规律呈现出2种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载末期,能量出现一定的回升,产生了拐点;II型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对I型较慢,且不出现拐点。分别讨论了轴向静载和动载应变率对声发射能量的影响:声发射峰值能量随轴向静载增大而减小;当轴向静载位于岩石弹性段时,峰前声发射能量随静载缓慢增大,当轴向静载超过弹性段时,峰前声发射能量随轴向静载增大而急剧增大;声发射峰值能量和峰前能量均随动载应变率增大而减小。本研究对于重新寻求动静组合加载下岩石破坏的声发射前兆规律具有理论和实践意义。 更多还原     

受三维静载压缩岩石对冲击能的吸收效应

为了研究深部地下资源开发过程中矿岩破裂的能耗效应,通过利用自行研制的岩石动静组合加载试验机,对细砂岩进行了2个系列的三维动静组合加载试验,即固定围压改变轴向静压和固定轴向静压改变围压的冲击试验。试验结果表明:在固定围压条件下,随着轴向静压增加,砂岩试件破坏所消耗的动载荷能量密度逐渐降低;当轴向静压在对应的常规三轴抗压强度的70%以上,消耗的动载荷能量密度变为负值（岩石试件释放能量）;轴向静压再进一步加大,负值逐渐接近0,但始终在0以下。在轴向静压不变且较小的条件下,随着围压增大,岩石试件破坏所消耗的动载荷能量密度值一直在增大;但当轴向静压较大且在对应的常规三轴抗压强度的70%以上时,岩石试件在受到动力扰动后失去原平衡,能够自行破坏,并释放多余的能量。     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

断层内破碎岩石渗透性的实验研究

断层破碎带岩石的渗透性是影响地下工程中由渗流失稳而引发灾害事故的重要影响因素之一。利用一种专门的破碎岩石压实渗透仪,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上测试了取自断层内的破碎灰岩、破碎砂岩、破碎泥岩的渗透系数,得到并分析了轴向压力、岩样粒径、水流速度与渗透系数的关系曲线。研究表明:破碎岩石渗透系数与其压实状态密切相关,随着轴压的增加,渗透系数都相应降低;在相同的轴向压力状态下,岩样粒径越小,其渗透系数也越小,因此,挤压程度和充填程度都较低的小断层导水性好,容易导致突水;破碎岩石的渗透系数随着水流速度的增大呈减小趋势,但水流速度对破碎岩石渗透系数的影响程度有限;在相同的压力、粒径情况下,破碎泥岩的渗透系数比破碎灰岩、破碎砂岩的要小1～2个量级,说明当断层上下盘为坚硬岩石时,断层带渗透性好、易导水。研究结果可为采动过程中评价断层的导水性提供参考。     

不同围压下C60混凝土三轴压缩过程能量分析

针对复杂应力状态下高强混凝土受压变形破坏过程中的能量演化机制问题,开展不同围压下C60高强混凝土试样三轴压缩试验,分析其在受力全过程中的变形与破坏特征。根据试验结果,探究了不同围压下高强混凝土三轴压缩过程能量演化机制。研究结果表明:围压越大,混凝土试样破坏时,其峰值应力与峰值应力对应的轴向应变越大,破坏形式由张拉破坏向剪切破坏过渡;峰值应力前,混凝土试样主要以弹性应变能储存为主,峰值应力对应的输入能密度和耗散能密度均随围压的增大而增大,且均与围压满足指数函数关系,其形状改变系数FX与轴向应力呈正比关系,体积改变系数FV与轴向应力呈反比关系;达到峰值应力时,体积改变系数FV小于形状改变系数FX;峰值应力后,主要以弹性应变能释放为主,并随着混凝土试样的破坏转化为各种形式的能量耗散。研究结果可为今后从能量角度研究高强混凝土本构关系提供有益参考。     

行车荷载作用下冲填土变形特性试验研究

本文以上海临港新城冲填土地层分布区的道路在车辆振动荷载作用下路基变形为研究对象,以一定的动应力、不同的振动频率来模拟车辆振动荷载,进行了振动三轴试验研究,试验结果表明:在固结比相同,振动幅值相同的情况下,轴向应变随着振动次数的增加呈线性增大;轴向应变随孔隙水压力的增加先缓慢增长,当孔压比达到一定值后,轴向应变会迅速增加,直到破坏;轴向应变与剪应变和径向应变呈良好的线性关系。     

高温花岗岩遇水快速冷却后力学性质实验研究

通过对高温加热–遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800℃内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明:(1) 400℃为高温加热–遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400℃时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

库水位上升条件下边坡渗流场模拟

库水位的上升将导致边坡体内渗流场的变化,进而引起边坡的失稳破坏。边坡体内的渗流场是饱和渗流与非饱和渗流共同作用的结果,通过对库水位上升过程中坡体内地下水位线的位置变化及相应的渗流场参数的计算表明:由于上部松散堆积体与基岩渗透系数的差异,基岩内地下水位线的抬升速度明显滞后于上部松散堆积体;体积含水量、压力水头、流速和水力梯度等渗流参量在基岩中的变化幅度较小,而在上部松散堆积体中的变化幅度则相对较大。这说明库水位上升对上部松散堆积体的影响相对来说还是比较明显的。     

露天矿边坡饱和渗透系数随机场数值模型研究

为分析强降雨入渗及渗透系数空间变异性对闭坑露天矿边坡渗流场的影响程度，基于非饱和渗流理论和随机场理论，采用非侵入式随机方法，通过FISH语言编写非饱和区单元饱和度、渗透系数与基质吸力的修正函数，建立饱和-非饱和渗流随机场模型，开展强降雨作用的高大陡深岩质边坡渗流特征研究。研究结果表明，修正饱和-非饱和渗流随机场模型能够准确地描述露天矿边坡的降雨入渗过程。且降雨入渗主要影响到露天矿边坡浅层渗流场。随降雨持时变化，在坡面与地下水位线之间形成包围的且逐渐缩小的非饱和区。坡面最早出现暂态饱和区且厚度逐渐增加，但增幅逐渐放缓。同时坡面点孔隙水压力最早达到稳定值零，离坡面越远的点孔隙水压力达到稳定值零的用时会越长。该结论可为闭坑露天矿边坡的地质灾害风险预测提供参考意义。     

超临界CO2在低渗透煤层中渗流规律的实验研究

利用自主研发的THM三场耦合渗流实验系统,进行不同孔隙压力和温度条件下的超临界CO2在低渗透煤层中的渗流实验,得出不同温度下流速和压力梯度之间的关系,从而得到了低渗透煤层注入超临界CO2的非达西渗流规律,即流速与压力梯度变化规律呈现正指数关系.随着压力梯度的增大,渗透系数也不断的增大,且呈现正指数关系;在同一体积应力和压力梯度的条件下,温度越高,流速越快;温度在临界点附近,流速和渗透系数增加很快.     

基于REV尺度格子Boltzmann方法的页岩气流动数值模拟

结合页岩扫描电镜图像,提出页岩气藏物理模型,采用表征单元体积(representative elementary volume,REV)尺度格子Boltzmann方法,考虑滑脱效应,模拟页岩气在页岩气藏中的流动.模拟结果表明,页岩气主要沿着天然裂缝窜进,但在有机质和无机质中也存在缓慢的流动,且有机质中的流速要略大于无机质中的流速.通过改变地层压力,研究地层压力对页岩气渗流特性的影响.研究结果表明,整个流场的速度和渗透率均随着地层压力的下降而增加.     

冲击加载下样品软回收过程中的侧向稀疏效应

通过数值模拟, 计算冲击加载下样品经历一维应变加载过程和侧向稀疏过程产生的塑性功, 给出试样内部从冲击加载开始到进入回收桶前全过程的应力随时间变化的历程。结果表明:侧向稀疏过程开始后,样品在径向汇聚波的作用下受循环拉、压载荷作用,拉压循环的振幅在中等冲击压力下达到最大。如果振幅超过了材料的层裂强度,样品中心将发生拉伸破坏不能完整回收。侧向稀疏与一维应变加载产生的塑性功之比随冲击速度的增加而减小。在冲击速度为某临界值时,侧向稀疏产生的塑性功与一维应变加载产生的塑性功相等。在一定的冲击速度下,采用低初始屈服应力的材料可减轻侧向稀疏效应。对理想塑性材料的理论分析表明,侧向稀疏与一维应变加载产生的塑性功之比随冲击速度与屈服强度比值的增大而减小,与数值模拟结果一致。     

The Constitute Law of Gas Seepage in Rock Fractures Undergoing Three-dimensional Stress

This paper is based on the research we have done in recent years of the constitute law of gas seepage in rock fractures. Both experiments and theoretical derivations will be discussed. The gases used in our experiments include methane and CO₂, both of which are highly adsorptive. The experiments were conducted mainly in coal fractures. The results reveal that the permeability coefficient of gas in rock fractures varies parabolically with respect to fracture pore pressure. When the pore pressure is below a certain value, the permeability coefficient decreases while the pore pressure increases. It is different from the water seepage law in fractures. Analysis shows that this abnormality is caused by adsorption. It is also concluded that the tangent deformation has the same effects as normal deformation on gas seepage law. The permeability of gas in fractures has a negative exponent relationship with both normal deformation and tangent deformation.     

冲击速度和轴向静载对红砂岩破碎及能耗的影响

地下岩体工程爆破开挖中，距爆源不同距离处岩体承受的地应力和动载荷大小不同，从动载荷的角度表征岩石动态破坏结果与工程实际更吻合。为研究动载荷和地应力大小对岩体破碎和能量耗散特性的影响，利用动静组合加载试验装置，分别设置7个冲击速度和轴向静应力等级，对红砂岩试件进行冲击试验。根据试件的破碎状况，分析不同静应力工况下冲击速度对岩石破坏模式和机理的影响。计算不同工况下的应力波能量值，研究冲击速度和轴向静应力对岩石能耗特性的影响。对破坏试件进行筛分试验，研究岩石破碎分形维数随冲击速度和轴向静应力的变化关系。结果表明，随着冲击速度的增大，试件的破坏程度逐渐加大。无轴压时岩石试件破坏后整体仍是一个圆柱体，属于张拉破坏；有轴压时岩石试件宏观破坏后呈沙漏状，属于拉剪破坏。岩石耗散能随冲击速度的升高呈二次函数关系递增；轴向静应力越高，递增幅度越小。随着冲击速度的升高，岩石分形维数由零逐渐增加；随着轴向静应力的升高，分形维数由零转为大于零的临界冲击速度先升高后降低。     

岩石边坡裂隙渗流的流形元模拟

为了能够更好地考虑裂隙渗流在岩石边坡破坏中的作用,在考虑裂纹扩展的数值流形方法程序基础上,从最小势能原理出发,阐述了渗流与变形的耦合作用机理并推导了相应的耦合方程,在程序中实现了对渗流与断裂的模拟。最后利用该程序对含初始裂隙的岩石边坡在渗流作用下的破坏过程进行了模拟。模拟结果很好地再现了边坡在渗流作用下的实际破坏过程。同时通过对裂纹扩展过程中应力强度因子的计算发现,第一应力强度因子始终大于第二应力强度因子,且随着计算时间增加,二者的差值逐渐增大,裂纹扩展以Ⅰ型为主。     

非达西渗流拟启动压力梯度推算

岩体启动压力梯度的大小是石油开采,工程防渗处理等方面需要考虑的影响因素。非线性渗流现象已被广泛所认同,低渗透性岩渗流存在启动压力梯度,它基本代表了流体产生渗流时的压力梯度大小。试验对试样进水端水压进行长期稳定控制,出水端采用精确测定流出水体积变化量的方法进行流量测定; 当渗出端水体积的变化量与时间呈直线关系时,即认为该时段渗透特征符合达西定律。通过对具有不同渗透性的软弱岩系统的试验测试,根据实测渗透系数与压力梯度的正相关关系,提出了拟启动压力梯度推算的"三次平均法",即:首先统一调整实测渗透系数值,然后确定绝对渗透系数值,再根据该值确定V0值, 3次取平均推算拟启动压力梯度的方法。分析表明:拟启动压力梯度随围压升高而增大,随岩石的绝对渗透系数降低而增大; 在渗透压差增大过程测得的拟启动压力梯度大于降低过程的拟启动压力梯度,这些都与理论分析结果相吻合。实例说明拟启动压力梯度推算"三次平均法"较为合理,易于推广使用。这为通过室内试验确定工程岩体启动渗流压力梯度的大小,提出了一种新的思路。     

水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型。利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应。结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响。低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增加值随坡高增加而增大。较高频率应力波作用时,边坡顶部靠近坡面的垂向峰值速度高于无结构面边坡相同部位的峰值速度,远离坡面时情况相反; 坡顶垂向峰值速度大小呈周期性变化,输入应力波频率越大该变化频次越高。研究结果将有助于进一步揭示各种不同岩体结构类型边坡在动力荷载作用下损伤机理及破坏模式。