水与微观结构对片岩波速各向异性特征的影响及其机制研究

选取3类不同宏观特征的武当群片岩岩样,分别制取不同片理角的标准圆柱试样。采用波速测试获取烘干、浸水处理后的试样的纵波速度,分析不同含水状态下武当群片岩波速各向异性特征,并结合偏光显微镜、扫描电镜下3类岩样的矿物组成与微观结构特征,探讨内外影响因素下的波速各向异性机制。结果显示:武当群片岩主要矿物为硬质粒状石英、长石与软质片状白云母,硬质矿物含量越高、孔隙率越小,则片岩纵波速度越大,反之越小;干燥样的纵波速度表现出显著各向异性,传播方向由垂直片理面向平行片理面变换时,波速逐渐增大,不同方向的波速值可用波速圆公式进行预测;波速各向异性本质上是微裂隙的定向展布、间隔分布的结果,可间接用白云母定向系数δ_2评价各向异性程度k,k~(1/2)与δ_2呈线性正相关,武当群片岩的k值上限为2.90;浸水后试样的纵波速度普遍增大,这是水充填空隙后对片岩等效体积模量的增加起主控作用的结果,片岩吸水后的波速增长效应受其孔隙率与微裂隙分布特征影响,引起不同类片岩间的纵波速度差异,导致同类片岩的波速各向异性程度与浸水时长呈负相关。     

围压下裂隙对地震波速度影响的物理实验研究

构建了等直径不同裂隙密度和等裂隙密度不同裂隙直径两组物理模型,进行不同围压条件下多方向的超声波速度测试,并运用Hudson理论进行了理论模型计算。结果显示,计算与实测结果吻合较好。随围压的增大,纵、横波速度均近线性增加,纵、横波各向异性基本保持不变;裂隙密度从2%增大到6%,纵波速度不同程度降低,其中慢纵波降低幅度相对较大,快横波变化不明显,而慢横波则大幅降低。随着裂隙密度的增大,纵、横波各向异性均增大,且横波各向异性增加速率大于纵波;裂隙直径从2 mm增大到3 mm,快纵波速度增加很小,慢纵波增加明显,横波速度均不发生改变。随着裂隙直径的增大,纵波各向异性逐渐降低,横波各向异性保持不变。最后结合试验结果分析了Hudson理论在不同深度进行参数预测的必要条件。研究结果有助于油气生产、地下水的开采与控制、污染处理等。      

松辽盆地白垩系火山岩储层岩石物理声学特性分析

采集松辽盆地徐家围子地区9口探井57块营城组火山岩石样品,在模拟实际地层温度、压力条件下进行岩石物理参数测试,以期逐步实现火山岩储层流体的地球物理直接识别。采用超声脉冲透射法测定岩样的声学参数(纵波速度和横波速度),进行了不同流体状态下岩样的岩石物理参数特征分析。结果表明,在双参数域空间,特别是在体性-剪性双参数空间,火山岩含气储层与含水储层较易区分。     

不同粒径黄砂岩微观−宏观裂纹演化机制研究

为了探讨粒径对黄砂岩微观-宏观裂纹演化机制的影响,系统地开展了不同粒径黄砂岩单轴压缩声发射试验。基于声发射监测技术以及震源机制反演方法,对岩石变形破坏过程中微裂纹演化机制进行了研究,同时利用电镜扫描技术与几何分形理论,对破坏后的砂岩表面裂隙宏观形态及试件断口的微观形貌特征进行了分析。试验结果表明：粒径的大小、胶结物类型的不同均可影响岩石强度,通过室内试验得出随着黄砂岩粒径的逐渐增大,其峰值应力呈逐渐下降的变化趋势;对比不同粒径黄砂岩试件变形破坏过程中的声发射改进 b 值（ bI 值）与平均声发射能率,所有试件峰值破坏前平均声发射能率均存在“激增”与“激降”现象,且声发射 bI 值在砂岩试件达到峰值破坏时下降到最小值,该现象可以作为岩石的失稳破坏前兆特征;随着构岩矿物颗粒粒径的增大,岩石内部微裂纹的破坏模式由张拉型为主导向剪切型为主导进行转变;破坏后岩样表面宏观裂隙的分形维数随着岩石粒径的增加呈现下降的变化趋势,即粒径大小对岩石表面宏观裂隙演化过程具有一定控制作用。     

不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究

利用智能声波仪对红砂岩、大理岩和花岗岩试样在干燥及饱和条件下进行了声波纵波透射试验,研究声波在岩石中传播的速度特征,同时利用傅里叶变换及小波变换研究声波在岩石中传播的波形、波幅衰减规律、波谱特征。结果表明： （1）红砂岩、大理岩和花岗岩在饱和状态下的纵波波速比其在干燥状态下略高。（2）岩石纵波速度受到岩石的致密程度、孔隙度、密度及硬度的影响。（3）在同样的激发信号下,饱水的砂岩、大理岩、花岗岩岩样声波信号能量集中在低频部分较多,而干燥岩样声波信号能量集中在高频部分较多。（4）饱水的3种岩样声波信号能量衰减较快,尾波不发育;干燥的3种岩样声波信号能量衰减较慢,尾波较发育。（5）穿过岩石的声波信号的波速、波形的时域特征、频域特征及时-频域特征能在一定程度上反映出岩石内部的孔隙及微裂隙的发育情况和岩石含水情况等特征。     

塔河油田古生界碎屑岩岩石物理特征

以岩石物理理论为基础,在变温、变压条件下对塔河油田志留系和泥盆系岩样进行超声波纵、横波速度及密度测定,岩石物理试验表明塔河油田饱水岩样、饱油岩样和泥岩,纵波速度和横波速度都具有很好的线性关系,岩石的纵横波速度均随着温度压力的增加而增大。干岩石以及饱含水岩石的纵横波速度均随着岩石孔隙度的增加而变小。采用Shuey近似理论,根据测定的岩石物理参数,进行了AVO正演模拟,结果表明塔河地区研究目的层的AVO异常类型属于第一类。     

岩石破裂行为的实验研究

岩样的破裂行为、破坏过程和参数测试是裂隙断裂构造研究的基础和依据。实验岩石样品采自四川东部和新疆北部地区,为测试准确起见,对岩样进行了应力等值线的有限元法计算。通过单轴和三轴实验的岩样破坏观察和应力应变曲线对比,将岩石的破裂行为、应力应变划分为四个阶段,即裂隙压密阶段、弹性变形阶段、微观劈裂阶段和宏观破裂阶段。基于单轴抗压实验岩石劈裂—破裂—碎裂发展过程的微观分析,可以看出宏观破裂主要是沿岩样原有的隐裂隙、临界裂隙发育的,许多新裂隙则主要是在宏观破裂阶段产生的。     

深部冲击倾向煤岩循环加卸载的纵波波速与应力关系试验研究

研究了单轴循环加卸载条件下深部冲击倾向煤岩样应力与纵波波速的耦合关系,基于煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓的特征建立了应力与纵波波速之间的试验关系模型,并对模型参数进行了分析。研究表明：①由于闭合的孔隙和裂隙又重新张开,颗粒之间的压实程度减弱,煤岩试样卸载过程中,随着应力的降低,波速也降低;②部分裂隙和孔隙在压密阶段发生永久闭合,造成应力降低后再无法张开,因此下一循环的开始纵波波速值要大于第一个循环开始时的波速值;③与实测值的相关系数计算结果表明,试验关系模型具有较高的拟合度,很好地体现了试样纵波波速变化对载荷的敏感程度。     

岩石孔隙流体对纵横波速度影响的实验研究及意义

我们用ＭＴＳ的超声波测试系统研究了地表岩样饱和水及孔隙压力对纵横波速度的影响。在实验研究中,分别在常温常压条件下测量了干燥岩石和完全饱水岩石的纵横波速度,并在模拟地层条件下,测量了岩石纵横波速度随孔隙压力的变化。实验结果显示：（１）岩石完全饱和水后,与干燥时相比,纵波速度将明显增加,最大可增加３０％,且岩石在干燥时的纵波速度越低速度增大的比例越大,但纵波速度增大的比例与孔隙度无明显关系。饱水前后横波速度几乎保持不变。（２）在模拟地层的温压条件下,当孔隙压力由低到高,纵横波速度均将线性减小,且横波速度比纵波速度下降的比例更大。据此,得到了识别地层异常高压和地层含气的地震速度标志。     

预制裂隙岩样宏细观力学行为颗粒流数值模拟

为了研究双轴压缩下预制裂隙岩样宏细观力学行为及裂纹扩展模式,采用颗粒流程序（PFC）先分析平行粘结模型细观参数对宏观参数的影响,接着结合完整花岗岩常规三轴压缩试验结果对其细观参数进行标定,最后借助该组参数模拟有围压下预制裂隙（上裂隙①和下裂隙②）岩样的力学特性。研究表明:基于PFC程序和标定的参数能较好地模拟完整岩样的破坏情况;随着围压增大,双裂隙岩样的峰值强度和弹性模量均增大,且裂隙②与水平向夹角α₂为90°时,两者均达到最大值;不同的α₂下,各岩样的裂纹演化均经过裂纹萌生、发展和稳定等3个阶段;随着围压的降低和轴向应力的增大,颗粒间的力链破坏情况愈严重。由于拉伸力链的集中和分布不同,水平裂隙长度方向上的裂纹沿着轴向扩展,且两裂隙的贯通呈现不同方式。     

遇水冷却的高温大理岩力学与波动特性分析

岩石经历高温作用冷却后工程特性的变化情况,直接影响着地下深部空间及资源的开发与利用、核废料的存储以及突发性高温灾害后地下工程的稳定性评价。以大理岩为研究对象,对遇水冷却和自然冷却后的高温岩样进行单轴压缩试验和声波测试,分析和比较岩样在不同状态下峰值强度、弹性模量、衰减系数、纵波波速和主频的变化情况。结果表明：随着温度的不断升高,遇水冷却高温大理岩的峰值强度、弹性模量和纵波波速总体上均呈现减小趋势;低于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数逐渐增大,主频逐渐减小;但高于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数和主频并未完全呈现单调递增或递减趋势,出现了高温拐点;在经历相同高温作用后,遇水冷却大理岩的峰值强度、弹性模量和主频均低于自然冷却,而纵波波速、衰减系数均高于自然冷却。研究结果可以为遇水冷却的高温岩石工程性状的检测和稳定性的评价提供参考,对经历高温作用的岩石冷却方式的选择具有指导意义。     

时间对大理岩凯塞效应的影响

岩石的凯塞效应具有记忆历史最大应力和应变的能力,但时隔两月对大理岩样品进行再加载试验表明,尽管大理岩仍有凯塞效应出现,但凯塞效应记忆先前应力和先前应变的准确程度不高。笔者认为岩石声发射产生的原因在于其内部存在的裂纹,岩石凯塞效应的机理则在于对其先前损伤的记忆。按照笔者确定的损伤因子,凯塞效应具有记忆先前损伤的能力,时隔两个月对大理岩样品进行再加载试验,凯塞效应记忆先前损伤的准确程度仅损失3%。文章从时间因素证明了凯塞效应的机理在于对先前损伤的记忆。      

不同损伤程度下岩石力学参数变化的声波测试

声波波速变化可有效表征岩体损伤程度。通过对岩样进行人工预损,利用声波检测标定岩样的不同损伤程度,然后通过三轴压缩试验来研究不同损伤程度下岩石的力学特性,建立了声波速度下降幅度与岩体力学参数变化幅度间的关系。研究表明,当岩样的声波速度下降5%～8%时,黏聚力c值降低15%～25%,内摩擦角? 值则升高14%～32%,因此,用声波速度的下降幅度来描述岩体参数的变化是可行的。根据现场实测的岩体损伤区内的声波速度的变化值,可以从一定程度上估计岩体参数的跌落情况,从而更进一步地说明损伤区内岩体的承载力。     

岩石声发射特性试验研究

对取自柿竹园矿的花岗岩、矽卡岩,进行声发射特性试验研究以及岩石的声波波速测试,得到岩石的纵波速度及在受单轴压力下岩石破坏过程中的应力-应变以及声发射参数与应力、时间之间的关系,为矿山的安全生产、避免地压灾害提供了决策依据。     

On Tension Failure of 2-D Rock Specimens and Associated Acoustic Emission

Summary To understand the failure mechanism of quasi-brittle materials like rock under tensile stress, observations on the failure process of granite and marble plate specimens under tension are summarized and presented. Micro- and macro-failure properties of rock plates under uniaxial tension have been characterized by using an acoustic emission technique. Acoustic emission signals associated with micro-fractures are captured to locate the sources. An algorithm based on arrival time difference is developed for this purpose. The results reveal clearly the failure processes of rock which include initiation, nucleation and propagation of micro-fractures when the axial stress is close to the peak strength of rock. It is believed that the difference in heterogeneity between granite and marble specimens leads to different fracture shapes and different behaviors of associated acoustic emissions. Numerical simulation of acoustic emissions for two-dimensional tensile test is also carried out. The simulated characteristics are in good agreement with the experimental results.     

煤岩强度离散性及三轴压缩试验研究

简述了煤的强度离散性原因。采用超声脉冲穿透法测量煤样波速并进行岩石力学试验,回归分析得出了煤岩试件声速与其力学参数之间的关系式,为尽可能避免因煤样离散性而带来的盲目试验提供了一条技术途径。采用MTS815岩石伺服试验系统进行了煤样三轴压缩试验。结果表明,与花岗岩等高强度岩石不同,由于煤的孔隙裂隙发育在围压作用下孔隙裂隙被压密闭合,煤的弹性模量随围压增大而增大,但并非线性关系;煤的轴向破坏应力及残余强度均随围压增大而增大。研究结论对于在破碎煤体中掘进的巷道的锚固机理研究有重要指导意义。     

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D 打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度（节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22）的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。     

注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响

为探究注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响,对不同注采参数下高温遇水冷却后花岗岩进行纵、横波波速测试试验和抗压强度试验。分别考虑注采参数（岩样温度、水温、高温遇水循环次数） 与岩样物理力学特征（外观形态、峰值强度、弹性模量、泊松比）、波动特征（纵、横波波速） 的关联性,建立不同注采参数下力学特征与波动特征拟合曲线,并研究搁置过程中不同岩样温度、不同水温条件下岩体物理力学及波动特征变化规律。研究发现：（1） 搁置初期,岩样温度越高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅越大;水温升高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅先增大后减小。（2） 对采热过程中岩体物理力学及波动特征影响由大到小的注采参数依次为靶区温度、注水循环次数、注水温度。提升岩样温度、增加注水循环次数,岩样力学与波动特征均逐渐下降,提高注水温度变化规律与其相反;经历600℃高温,岩样纵波波速、横波波速、峰值强度、弹性模量降幅分别达到53.44%、58.02%、66.56%、79.84%,高温遇水循环5 次 后降幅依次达到33.61%、33.63%、34.22%、56%。（3） 影响岩样力学与波动特征关联性的注采参数由大到小依次为岩样温度、高温遇水循环次数、水温。此研究能够为松辽盆地热采注采参数的选取提供一定参考。     

岩石受热后的强度,变形破坏特性的微观研究

本文对砂岩、灰岩、大理岩在不同温度条件下的单轴抗压强度进行了实验研究,并对岩石在各种温度下结构变化进行了镜下分析,探讨了岩石受热后的破裂机理,定性定量地分析了岩石裂纹随温度变化而发展的规律。研究和分析结果表明:在热应力和外应力的作用下,随着温度增加,砂岩单轴抗压强度有增加的趋势,而灰岩、大理石的强度则有所降低。温度对这几种岩石的变形和破坏特性也有很大影响。