基于水压致裂法的岩石抗拉强度研究

为了揭示水压致裂法和巴西劈裂法测量岩石抗拉强度的关系,开展了理论和现场试验研究。基于经典的水压致裂法理论,推导了不同围压下钻孔破裂压力和抗拉强度。利用断裂力学理论建立了水压致裂法和巴西劈裂法测得抗拉强度的关系。利用预制切槽方法模拟天然裂纹,对水力裂缝的起裂压力进行了研究。结果表明：围压为最大主应力等于3倍最小主应力测得的抗拉强度大于围压为0测得的抗拉强度;水压致裂法和巴西劈裂法测量抗拉强度关系与应力场、裂纹长度、断裂韧度3个变量有关;通过在晋城矿区王台铺矿的预制切槽试验,运用断裂力学建立的抗拉强度计算式更为符合现场实际。研究结果可为坚硬难垮落顶板预制切槽的水力压裂设计提供参考。     

利用室内和现场水压致裂试验联合确定地应力与岩石抗拉强度

钻杆式水压致裂原地应力测试系统的柔性会影响最大水平主应力的计算精度。利用空心岩柱液压致裂试验获得的岩石抗拉强度来取代重张压力计算最大水平主应力是降低钻杆式测试系统柔性的负面影响的重要途径。在福建某隧道深度为65 m的钻孔内开展了8段的高质量水压致裂原地应力测试,随后利用钻孔所揭露的完整岩芯开展了17个岩样的空心岩柱液压致裂试验。利用空心岩柱液压致裂所得的抗拉强度平均值为8.40 MPa,与经典水压致裂法确定的岩体抗拉强度8.22 MPa接近。对于20 m的范围内8个测段的原地应力量值,最小水平主应力平均值为8.41 MPa,基于重张压力P_r的最大水平主应力平均值为16.70 MPa;基于空心岩柱抗拉强度的最大水平主应力量值平均值为16.88 MPa,两种方法获得的最大水平主应力平均值基本一致。最大最小水平主应力与垂直主应力之间的关系表现为σ_H > σ_V > σ_h,这种应力状态有利于区域走滑断层活动。通过对比分析可知,对于钻杆式水压致裂原地应力测试系统,当测试深度小且测试系统柔性小时,基于重张压力和基于空心岩柱抗拉强度得到的最大水平主应力量值差别不大,这说明基于空心岩柱的岩石抗拉强度完全可以用于水压致裂最大水平主应力的计算,同时基于微小系统柔性的水压致裂测试系统获得的现场岩体强度也是可靠的。      

浅议实验室岩石抗拉强度测量方法

岩石抗拉强度是研究岩石破裂、岩体失稳和岩体破坏过程的重要输入参数,但是如何准确确定岩石抗拉强度仍然存在很多争议。本文系统地梳理和总结了多种抗拉强度测量方法的研究成果,岩石抗拉强度测定包括直接拉伸法和间接拉伸法,其中直接拉伸法包括直接拉伸试验、双轴延伸试验、Luong试验;间接拉伸法包括巴西劈裂试验、弯曲拉伸试验、空心岩柱液压致裂试验等。对各种方法的研究现状、试验原理、影响因素、试验结果进行了简要总结回顾,比较了各试验的特点及适用范围。为日后工程实践中较好地选择岩石抗拉强度的测量方法提供参考。     

空心岩柱法测岩石抗拉强度试验进展浅析

岩石抗拉强度是岩石力学与工程研究中的重要参数之一。除了常规的几种岩石抗拉强度测量试验,空心岩柱法测岩石抗拉强度试验作为岩石抗拉强度测量试验的补充,在国外已有了较全面的研究,而国内对该试验的研究还很少,值得对该类试验归纳整理,探究其岩石抗拉强度的测量效果。通过从力学模型、试验开展现状、试验特征及影响因素等方面对国内外空心岩柱液压致裂试验文献进行整理总结,并与常规试验的测量结果进行对比分析,得出影响试验的主要因素为注液加载速率、岩样的尺寸规格、孔内液压与围压差值等。该类试验岩样加工简便,试验自身干扰因素较少、结果波动性小,相比其他常规的岩石抗拉强度测试试验具有一定的优越性。     

空心岩柱法测岩石抗拉强度试验进展浅析

岩石抗拉强度是岩石力学与工程研究中的重要参数之一。除了常规的几种岩石抗拉强度测量试验,空心岩柱法测岩石抗拉强度试验作为岩石抗拉强度测量试验的补充,在国外已有了较全面的研究,而国内对该试验的研究还很少,值得对该类试验归纳整理,探究其岩石抗拉强度的测量效果。通过从力学模型、试验开展现状、试验特征及影响因素等方面对国内外空心岩柱液压致裂试验文献进行整理总结,并与常规试验的测量结果进行对比分析,得出影响试验的主要因素为注液加载速率、岩样的尺寸规格、孔内液压与围压差值等。该类试验岩样加工简便,试验自身干扰因素较少、结果波动性小,相比其他常规的岩石抗拉强度测试试验具有一定的优越性。     

类砂质泥岩常规三轴浆压致裂起裂压力试验研究

为深入探究两淮矿区典型砂质泥岩劈裂注浆起裂机制,研制了常规三轴劈裂注浆试验装置,开展了类砂质泥岩浆压致裂起裂压力模型试验,基于试验结果分析了岩石强度与应力状态对注浆起裂压力、裂缝扩展形态影响规律,揭示了砂质泥岩劈裂注浆起裂机制。研究表明：起裂压力与岩石抗压强度呈正相关,且岩石抗压强度越高,劈裂路径越复杂;起裂压力对围压的敏感程度远高于轴压,且应力差 Δσ =σ_V −σ_H越大,裂缝形态越规整;孔压三轴条件下,封闭裸孔段浆压致裂法确定的岩石抗拉强度值约为单轴抗拉强度的 2.5倍。该研究结果可为今后类似岩层劈裂注浆参数设计与施工提供参考。     

用套筒致裂法测试岩体应力反弹性模量与讨论

在改进套筒致裂装置性能的基础上,使压力-体积曲线的记录与处理得到改善,对潘三矿东采区的测试实践表明,得出的压力-体积曲线较好地反映了钻孔围岩随内压增加所表现出的力学性质。还探讨了如何通过改进套筒致裂技术来实现由围岩应力测试发展到原岩应力测试以及围岩损伤区的测定。     

用套筒致裂法测试岩体应力及弹性模量与讨论

在改进套筒致裂装置性能的基础上,使压力－体积曲线的记录与处理得到改善,对潘三矿东采区的测试实践表明,得出的压力－体积曲线较好地反映了钻孔围岩随内压增加所表现出的力学性质。还探讨了如何通过改进套筒致裂技术来实现由围岩应力测试发展到原岩应力测试以及围岩损伤区的测定。     

巷道围岩稳定性的判据及岩石分类

本文通过套筒致裂法测试巷道围岩应力及力学性质,并以此进行围岩稳定性分析和分类;提出了巷道围岩稳定性判据以及巷道围岩分类的原则;介绍了本稳定性分析方法在若干煤矿巷道围岩及立井井壁应力测试地点的应用。     

高压压水试验在某抽水蓄能电站中的应用

简述了高压压水试验方法及其在某抽水蓄能电站中的应用结果,并结合该孔中的水压致裂法地应力试验测试结果进行了分析,高压压水试验的成果与该孔水压致裂法地应力测试结果得到了相互验证。     

水力压裂模拟用煤岩体相似材料基础力学特性实验研究

煤层水力压裂模拟实验是研究煤矿井下水力压裂煤岩体致裂增透、弱化机理的有效手段。然而,大尺寸煤岩体原位保真取样技术不成熟,已有大尺寸煤样块多取自卸压区,其在运输和制备过程中会发生二次破坏,导致实验结果失真。因此,使用煤岩体相似材料代替大尺寸原煤执行室内水力压裂模拟实验成为一种可行的选择。煤岩体相似材料试样的力学特性是影响水力压裂效果最重要因素。为精确表征煤岩体相似材料的基础力学特征,选择煤粉、水泥、石膏、砂子为相似材料,设计制作7种配比试样,进行超声波与力学特性耦合响应规律研究。结果表明:煤岩体相似材料试样超声波波速(P波和S波)和强度(单轴抗压和抗拉强度)随着密度的增大而增大,随着孔隙率的增大而减小;相似材料对于超声波波速、强度和密度增大幅度的影响为水泥>砂子>石膏,孔隙率正相反;相似材料水泥和石膏分别在调节试样强度和变形特性方面起主要作用;根据超声波P波波速与强度之间的二次多项式数学模型,通过测定超声波P波波速可提前预测试样的强度;试样力学参数可调整范围大,通过改变相似材料配比可以调整试样的力学性质,精确模拟煤岩体,且试样制作方法简单。此研究可为煤层水力压裂模拟用煤岩体相似材料力学特征相似设计提供依据,促进矿井瓦斯防治技术的发展,具有广泛的应用价值。      

运用水压破裂法测试岩石的抗拉强度

劈裂法受试验条件的影响很难得出理想的结果,而水压破裂试验有试件受力载荷不受人为因素干扰的优点,测得的抗拉强度具有较高的可信度,并且在工程实际中有广泛的用途。本文在研究水压破裂法测试岩石抗拉强度的方法及原理的基础上,用统计断裂力学整理试验结果,并与巴西法作了比较。试验表明,用威布尔二参数模型的统计断裂力学方法研究岩石抗拉强度是可行的,并具有良好的线性关系。     

基于地质–工程条件约束的可控冲击波煤层致裂行为数值分析

可控冲击波（CSW）岩层致裂技术作为岩层改造领域的一项变革性技术,已在煤层改造等方面取得显著应用效果,并在煤炭安全开采领域开展应用探索。然而,受实验及现场监测条件限制,前期对地质-工程因素约束下的CWS岩层致裂基本规律理解不足,制约了对致裂机理的探索及现场作业参数的优化。鉴于此,在阐述CSW煤层改造及其面临的工程科学问题基础上,采用基于连续介质力学的离散元方法（CDEM）开展数值模拟,以进一步揭示地应力、煤岩力学性质、冲击波加载条件约束下的CSW煤层致裂行为及其基本规律。结果显示,CSW加载条件对致裂效果的影响存在最优范围,过度加载会导致近井地带煤体崩解,煤粉产出率增加,造成煤储层伤害;同时,煤体破碎导致波阻抗及冲击波衰减速度增大,限制有效改造半径扩展;地应力增大,破裂半径、破裂度存在临界值,水平主应力差对CSW冲击裂隙形态、扩展方位及缝网连通程度存在显著影响。研究揭示,CSW煤岩致裂效果对力学性质的响应存在选择性:弹性模量与破裂半径、破裂度之间存在拐点临界值;黏聚力增大,煤岩脆性变小,致裂效果变差;抗拉强度似乎对CSW致裂效果没有明显影响。研究成果可为CSW作业煤层优选及参数优化措施提供参考。      

九里山煤矿垂直井起裂压力对煤层气产能的影响

为了总结豫北焦作矿区九里山煤矿煤层气井压裂抽采试验的成功经验与失败教训,基于弹性平面应变理论和数值模拟方法,讨论了煤岩体压裂缝的形成与发展机理,并推导了“三软”煤层压裂抽采井在不同地质条件下的起裂压力计算公式。通过对比计算结果与实际抽放试验资料,认识到在张性断裂构造发育的大水矿区,过大的压裂措施使煤层气井筒附近煤储层隔水底板受到较为严重的损伤,压裂缝转向底板太原组L7-8岩溶含水层, 导致大量地下水涌入地面采井。从产能效果看,强烈的地下水径流作用,使原先游离于储层空隙中的煤层气逸散殆尽,孔隙水压也使得大量吸附于裂隙中的煤层气难以解析,因而无法形成长期稳定的单井规模产量。     

掺砾心墙料拉裂力学特性试验研究

研究掺砾心墙料的拉裂特性对深入研究高土石坝水力劈裂、坝顶裂缝以及坝肩横缝等问题至关重要,但目前已有的研究尚不够深入。基于自主研制的单向拉伸试验装置,对不同掺砾量下的心墙料进行了系列的单向拉伸试验,依据试验结果分析了掺砾心墙料拉裂破坏的机制。在此基础上得到以下结论：在试样各自最大干密度及最优含水率下,随着掺砾量的增加,心墙料的抗拉强度和拉应变呈线性递减关系;所有试样的拉应力?应变曲线呈分段指数关系,极限拉应力前后试验曲线可分别采用正负指数关系来描述;进行了系列三轴排水剪试验,分析各试样抗拉强度与强度指标的关系发现,对于所研究的掺砾心墙料,抗拉强度与其黏聚力呈较好的线性关系,在不具备试验条件的情况下,此关系可用来大致估算心墙料的抗拉强度。相关试验结果可为实际土心墙坝抗裂设计提供参照。     

土体抗拉强度试验研究方法的进展

理论上土体的抗拉强度与抗压和抗剪强度一样是描述土体力学性质的重要指标之一,也是研究土体张拉破坏特性的基础。由于土体抗拉强度在数值上相对较小,且难以准确测量,在岩土工程领域常常被忽视。随着工程中的张拉破坏问题越来越突出,土体抗拉强度特性引起许多学者的关注,相关研究成果也越来越多。文中对土体抗拉强度试验研究方法进行了系统的归纳和总结,对比分析了各种方法的优缺点,认识到,（1）土体抗拉强度试验方法总体上可分为直接法和间接法两大类,直接法是在试样两端直接施加拉力直到试样发生张拉破坏,根据破坏时的最大拉力及对应的破裂面面积计算出土体的抗拉强度。间接法主要通过一些理论假设,把压应力转换成相应的拉应力并基于一些理论公式计算土体抗拉强度;（2）按试样受力条件,直接法可分为单轴拉伸和三轴拉伸,一般都需要开发专门的拉伸试验设备,以实现拉力荷载的施加及其在试样内的有效传递。常用的方式有粘结、锚固、模具夹持及摩擦力传递等,都各有优缺点,但模具夹持法相对而言更具操作性。间接法中比较有代表性的有巴西劈裂试验、土梁弯曲试验和轴向压裂试验等,一般较适应于刚度较大的土体如化学固化土。最后,笔者提出了今后该课题的研究重点,包括制定土体抗拉强度试验方法规范及标准,研发简单易操作的土体拉伸试验设备,拉伸试验过程中土吸力的测量及控制方法,土体拉伸过程中应变场的准确获取方法及土体张拉特性的数值模拟研究等。     

中硬低渗煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术与应用

针对黄陇侏罗纪煤田中硬煤层渗透性差、瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快等问题,利用自主研发的水力压裂成套工艺设备,提出煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术,并在黄陇煤田黄陵二号煤矿进行工程应用试验。现场共完成5个定向长钻孔钻探施工,单孔孔深240~285 m,总进尺1 320 m;采用整体压裂工艺对5个本煤层钻孔进行压裂施工,累计压裂液用量1 557.5 m3,单孔最大泵注压力19 MPa;压裂后单孔瓦斯抽采浓度及百米抽采纯量分别提升0.7~20.5倍、1.7~9.8倍;相比于普通钻孔,压裂孔瓦斯初始涌出强度提升2.1倍,钻孔瓦斯流量衰减系数降低39.6%。试验结果表明:采取水力压裂增透措施后,瓦斯抽采效果得到显著提升,煤层瓦斯可抽采性增加,为类似矿区低渗煤层瓦斯高效抽采提供了技术支撑。      

煤岩模型试验相似材料的配比试验

相似模型试验是研究煤岩水力压裂裂缝扩展规律的重要手段之一,试验结论的有效性依靠相似材料的正确选材和配比。为开展水力压裂模拟试验,根据目标煤层原煤的力学性能,采用正交设计方法开展了相似材料配比试验,研制出适用于水力压裂试验的相似材料模型。其中,以水泥、石膏作为胶结剂,全粒径煤粉为骨料,通过大量室内试验,重点对相似材料的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、坚固性系数进行测定,对比分析原煤和相似材料强度特性,系统研究不同配比对相似材料参数的影响。结果表明:根据相似材料配比方案得出的相似材料力学性能能够满足煤岩相似模型试验的要求。研究结果可为水力压裂模拟试验中相似材料的选择及配比提供参考和借鉴。