岩石剪切细观开裂演化与贯通机制分析

利用自主研发的煤岩剪切细观试验装置,以砂岩为研究对象,开展了不同饱和度数条件下的岩石剪切细观开裂演化与贯通机制试验研究,分析了砂岩剪切细观开裂演化过程和贯通机制,探讨了饱水系数对细观开裂和裂纹形态特征的影响。研究结果表明：剪切过程中,伴随着应力降,裂纹一般首先出现在剪切面中部,几条裂纹间断分布,距离较近的裂纹相互连通形成大裂纹,在应力继续下降的一瞬间,各裂纹连通形成贯通面;水的弱化作用影响了岩石的强度,使得试件底部出现较大的次级裂纹;饱水系数越大,分叉裂纹越多,使得试件的表面裂纹形态更加复杂,断裂面弯折段的数目越多,下端部次级裂纹越发育,整体损伤范围越大;细观上,局部独立裂纹贯通过程伴随着胶结颗粒岩桥的梁式旋转和弯曲折断,水的弱化作用,使得岩桥内部和外部微裂纹增多;随着饱水系数的增加,岩石剪切过程中出现的独立和次级裂纹的数目均呈增加趋势。     

不同温度条件下气体压力升降过程中瓦斯运移规律的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,对不同温度条件下型煤试件在气体压力升降过程的渗流特性进行了试验研究,以模拟随采深增加引起的地温升高条件下煤的渗透特性。同时,为探讨低渗储层的滑脱效应进行了相同条件下氦气的平行试验。研究结果表明：（1）升压阶段,轴向应变增大,径向应变减小,近似呈线性变化;降压阶段,随气体压力降低,应变呈现出与升压阶段相同的变化趋势。随温度升高,应变随气体压力变化的斜率增大。（2）升压阶段,随气体压力升高,渗透率呈二次抛物线型变化,约在气体压力为3.0 MPa左右到达最小;降压阶段,随气体压力减小,渗透率先略有减小后增大,升压阶段渗透率大于降压阶段渗透率。（3）升压阶段滑脱效应引起的渗透率变化量大于降压阶段的变化量,且滑脱效应所引起的渗透率变化量随气体压力增加呈幂指数函数降低。     

剪切-渗流作用下煤岩剪断面形态特征试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了不同法向应力作用下煤岩剪切-渗流耦合试验研究,并对剪断面进行立体扫描,分析不同法向应力作用下煤岩剪断面的二维断面特征参数和三维断面特征参数。结果表明：（1）煤岩试件剪切破坏主要是塑性破坏,在恒定气压条件下,法向应力越大,煤岩的峰值剪应力越高,且煤岩的峰值剪应力与法向应力近似呈线性关系;（2）法向应力是煤岩剪断面形态特征的影响因素之一,在恒定气压条件下,其施加的法向应力越大,二维断面特征参数和三维断面特征参数基本都呈减小趋势,也即法向应力越大,煤岩剪断面的起伏度和粗糙度都越小;（3）在煤岩剪切过程中,法向应力能通过影响剪切裂纹的扩展区域进而影响煤岩试件的渗流特性和剪断面的形貌特征。     

卸压区不同钻孔长度抽采条件下瓦斯运移特性试验

研究抽采过程中瓦斯运移特性有助于了解抽采气体来源、不同位置对抽采效果的贡献及抽采降压规律,为合理确定抽采时间、设计抽采位置和钻孔长度等提供依据。利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了卸压区不同钻孔长度条件下瓦斯抽采的物理模拟试验,分析了抽采过程中煤层瓦斯运移相对速度和方向特征。研究结果表明：抽采前期和钻孔周围区域分别是抽采量主要贡献时期和区域,瓦斯压力梯度大,流动快。卸压区瓦斯流动相对速度最快,应力集中区使得瓦斯相对流动速度衰减加速,且对原始区的瓦斯流动形成一道屏障,使其相对流动速度趋于0。随着抽采时间的增加,瓦斯相对流动速度逐渐衰减,对于瓦斯运移方向而言,抽采一旦开始便在煤层中形成了较为固定的运移通道,但在抽采后期和钻孔深部区域,由于瓦斯压力梯度小,流动缓慢,运移方向的不稳定性增强。而随着钻孔长度增加,卸压区内瓦斯相对流动速度表现出增大的趋势,因此,适当增大卸压区钻孔长度将有利于现场瓦斯开采。     

不同充填度下岩体剪切−渗流耦合试验研究

利用自主研发的煤岩剪切?渗流耦合试验装置,开展不同充填度下含结构面砂岩相似材料剪切?渗流耦合特性试验研究。结果表明：（1）在恒定水压情况下,充填度越大,相似材料的峰值剪应力越小,法向位移越大且发生剪缩现象,一定充填度范围内流量峰值也越大;（2）剪切过程中流量变化主要受充填物中产生的裂隙控制,剪切位移越大,裂隙越发育,流量越大。法向位移对流量变化有一定影响,但随着充填度的增大,影响越来越小;（3）随充填度的增加,充填物的破碎程度逐渐增大。充填度较小时,其主要受到裂隙开度的控制;充填度较大时,主要受法向力影响。由于渗透水的软化作用,结构面的磨损程度逐渐减小。     

不同成因结构面各向异性特征及其剪切力学特性

岩体结构面具有明显的各向异性,其直接影响岩体的变形特性、力学特性与渗流特性,因此对结构面的各向异性特征开展量化分析尤为重要。针对不同成因(劈裂、剪切)结构面,利用结构面量化参数(节理粗糙度系数JRC、节理平均倾角θ、分形维数D_B)对其各向异性特征进行了分析,研究了各向异性特征对其剪切力学特性的影响。研究结果表明:(1)在劈裂断裂结构面中,平行劈裂方向的JRC与θ值普遍大于垂直方向,且随角度变化波动较小,D_B在对角线方向变化较大,其值与所取剖面线长度有关;而在剪切断裂结构面中,平行剪切方向的JRC和θ值与垂直方向无明显差别,但D_B同样在对角线方向变化较大;(2)在评价结构面各向异性时,采用θ、D_B等参数评价时,劈裂断裂结构面与剪切断裂结构面各向异性系数无明显差别,采用JRC作为评价参数时,其各向异性系数差异较大,能较好反映不同结构面之间的差异特征;(3)剪切断裂结构面的峰值剪切荷载和法向位移均高于劈裂断裂结构面,两种结构面的剪胀角达到峰值时的剪切位移相近,剪切断裂结构面的开度分布较为集中且普遍较大,劈裂断裂结构面开度分布则较为分散。     

考虑断裂韧性影响的页岩气储层可压性评价方法

可压性是衡量页岩气储层对压裂改造响应程度的重要依据,目前针对页岩可压性常用脆性指数对其进行评价。但在实际运用中存在脆性指数相近,实际压裂效果却差别甚远的问题。为了弥补利用脆性指数进行页岩气储层可压性评价的不足,在考虑断裂韧性影响的基础上引入临界机械能释放率,综合了Ⅰ型、Ⅱ型断裂韧性对岩石裂缝发育的影响,并定义平均临界机械能释放率。最后结合平均临界机械能释放率和脆性指数,初步建立了以裂缝发育指数为量化指标的页岩气储层可压性评价模型。基于焦石坝龙马溪组焦页48-2HF井测井资料,计算出其弹性模量、泊松比、Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧性,并根据构建的裂缝发育指数模型,得出页岩储层可压性随埋深的变化关系。结合现场微震资料,验证了该模型能有效预测页岩气储层可压性随埋深的变化趋势,为页岩气实际开发过程中优选页岩储层压裂段提供可靠方法。      

基于三维数字图像相关技术的砂岩渗流-应力耦合变形局部化特性试验研究

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关（three-dimensionaldigitalimage correlation,简称3D-DIC）技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究结果表明：（1）在渗流-应力耦合作用下,砂岩表面变形场云图经历了从均匀到非均匀的演化过程。在峰前的变形较为均匀,在峰值处出现应变集中,在峰后较短时间内迅速形成变形局部化带;（2）随着渗透水压的增大,岩石的峰值强度、弹性模量呈现指数型非线性衰减,峰值强度弱化系数和弹性模量弱化系数均增大,且渗透率逐渐增大,最大渗透率出现的时间点越早;（3）随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化带从剪切状过渡到张拉-剪切状,轴向和径向变形局部化带带内外应变在峰后短时间内出现较大差异,且带内应变远大于带外应变;（4）随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化启动应力水平越高,启动的时刻点越早。渗透水压与砂岩变形局部化启动应力水平呈线性相关性,轴向变形局部化启动水平受渗透水压的影响比径向更为显著。     

煤层瓦斯渗流特性研究进展

针对非线性瓦斯流动理论和煤层瓦斯流固耦合理论存在的问题,以及越来越多高温矿井引发的瓦斯灾害治理难题,在综述煤层瓦斯渗流研究进展的基础上,对国内外学者在非线性瓦斯流动理论、地温场效应的瓦斯流动理论以及煤层-瓦斯流固耦合理论3方面的研究成果给予了重点评述,展望了地球物理场作用下煤层瓦斯渗流特性研究领域的发展趋势。研究显示,在非线性瓦斯渗流、深部开采引起的高温和低渗透问题以及煤层瓦斯的流固耦合问题等方面,还需做更深层次的探索。