温度冲击下煤的微观结构变化与断裂机制

为研究温度冲击下煤的微观结构变化及其损伤断裂机制,以干燥颗粒煤为研究对象,分别开展了煤样的冷冲击和热冷冲击试验。利用扫描电镜(SEM)观测图像结果,分析对比了两种温度冲击前后煤样微观形貌、裂缝分布、开裂和延伸情况,结合断裂力学理论分析了煤样内部微裂缝的开裂机理和扩展方向,并通过ANSYS有限元软件模拟了微裂缝扩展时的应力场和位移场的分布情况,揭示了煤样的断裂机制。研究结果表明,两种温度冲击对煤的结构均造成了不同程度的破坏,温度冲击所形成的热应力最终导致了原始裂纹和新生裂纹的扩展和延伸;温度冲击下所产生的裂纹形式主要有沿晶裂纹、穿晶裂纹、翼型裂纹、交叉裂纹、枝须状裂纹和网状裂纹;分析结果表明温差愈高所产生的温度热应力愈大,热冷冲击所产生的裂缝的数量更多、扩展更充分,对煤样的破坏更严重,因此热冷冲击的破煤效果更好。     

温度冲击下煤的微观结构变化与断裂机制

为研究温度冲击下煤的微观结构变化及其损伤断裂机制,以干燥颗粒煤为研究对象,分别开展了煤样的冷冲击和热冷冲击试验。利用扫描电镜(SEM)观测图像结果,分析对比了两种温度冲击前后煤样微观形貌、裂缝分布、开裂和延伸情况,结合断裂力学理论分析了煤样内部微裂缝的开裂机理和扩展方向,并通过ANSYS有限元软件模拟了微裂缝扩展时的应力场和位移场的分布情况,揭示了煤样的断裂机制。研究结果表明,两种温度冲击对煤的结构均造成了不同程度的破坏,温度冲击所形成的热应力最终导致了原始裂纹和新生裂纹的扩展和延伸;温度冲击下所产生的裂纹形式主要有沿晶裂纹、穿晶裂纹、翼型裂纹、交叉裂纹、枝须状裂纹和网状裂纹;分析结果表明温差愈高所产生的温度热应力愈大,热冷冲击所产生的裂缝的数量更多、扩展更充分,对煤样的破坏更严重,因此热冷冲击的破煤效果更好。     

冲击载荷作用下准脆性材料Ⅱ型裂纹扩展研究

冲击载荷作用下准脆性材料的动态断裂一直是关注的热点问题,Ⅱ型裂纹试样受冲击剪切时其裂纹扩展方向同材料力学性质和冲击速度等密切相关。应用岩石动态破裂过程动态分析系统软件,对单边平行双裂缝试样开展了冲击载荷作用下的裂纹动态扩展数值模拟,分别研究了不同材料力学性质、材料均质度、入射应力脉冲幅值和历时对II型裂纹动态扩展的影响。数值模拟结果表明,纯II型裂纹在动荷载作用下的扩展,不仅受到剪切损伤,而且还存在拉伸损伤;准脆性材料的非均匀性导致了主裂缝周围产生大量微裂纹的破坏,影响裂缝的分岔和内部的应力值;应力幅值和应力脉冲历时分别超过某一定值时,主裂缝将出现分叉现象,试样的破坏程度加剧,其研究结果对于深入揭示准脆性材料在动荷载作用下II型裂纹扩展的规律及准脆性材料的损伤断裂机制具有重要的参考价值。     

石灰岩热损伤破坏机制研究

采用清华大学带扫描电镜的岛津SEM高温疲劳试验机系统,对高温作用下石灰岩在单向压缩和单向拉伸加载的细观结构进行了实时试验研究,探讨了岩石热损伤演化过程和热裂纹扩展、破坏特征,建立了岩石热裂纹生长的损伤模型,结合试验结果和利用位错、扩散蠕变的概念,分析了岩石热损伤变形的破坏机制。结果表明在500 ℃范围内的温度作用下产生的热裂纹主要为晶间裂纹。     

冲击回转碎岩机理探讨

地下岩体中,天然地存在有许多微观裂纹与节理。在冲击回转的联合作用下,冲击使近钻头的岩石发生裂纹断裂、破碎,形成破碎小坑;使远离钻头的岩石中的微观裂纹扩展、连通、甚至断裂。在离钻头更远区域,使岩石产生新的微观裂纹。回转使冲击产生的破碎小坑沿圆周方向扩大,并使钻头上的金刚石颗粒换位。在回转冲击的联合作用下,岩石中的裂纹不断产生、扩展、断裂,从而达到高速碎岩的目的。     

金川软岩蠕变破坏机理电镜实验研究

为探讨金川矿岩石蠕变破坏机理,应用微观扫描电镜(SEM)对蠕变受力情况下岩石破坏断口微观形态进行了观察研究,并分析了其产生的微观破坏机制。结果表明:岩石蠕变断裂的微观机制主要是拉伸、剪切作用下岩石发生脆性断裂,从岩石断裂微观形态研究岩石蠕变断裂,可以更好的揭示岩石断口微观形貌特征、裂纹生核、扩展、及断裂方式与岩石蠕变演进过程的联系。     

不同温度后红砂岩力学性质及微观结构变化规律试验研究

对20℃、70℃、140℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃等8种不同温度后红砂岩的力学特性进行了试验研究,结合压汞、SEM扫描电镜微观试验分析不同温度后红砂岩孔隙结构变化及微裂纹产生规律,并对红砂岩的不同温度劣化微观机制作初步探讨。研究表明：（1）不同温度后红砂岩单轴抗压强度在300℃达到峰值为常温的1.4倍;红砂岩劣化阀值温度为600℃,单轴抗压强度降幅达32.5%;（2）不同温度后红砂岩产生的裂纹宽度绝对多数分布在0～0.01 μm区间内,该区间内各阶段裂缝的分布比值与单轴抗压强度呈较好的相关性;（3）沿晶和穿晶裂纹产生以及裂纹均质性变差是红砂岩劣化的主要影响因素。     

CO2-水作用对层状页岩拉伸破坏影响的微观损伤研究

CO₂压裂页岩储层时CO₂-水作用损伤页岩微观结构,改变拉伸破坏特征与裂缝扩展模式。为研究CO₂-水影响层状页岩拉伸破坏的微观损伤原因,设计了矿物含量测定、扫描电镜观察与巴西劈裂试验,对CO₂-水作用前后龙马溪与长7段页岩试件的微观损伤、破坏特征与裂缝扩展进行研究。结果表明：CO₂-水对层理的微观损伤作用较基质显著,层理黏土矿物脱水而体积减小,有机质被萃取收缩,纹层内产生沿层理分布的大尺寸(长度为10～30μm,开度为1～5μm)微裂缝,基质碳酸盐、长石等矿物被溶蚀,产生随机分布的小尺寸(长度小于1μm,开度小于0.5μm)微裂纹;CO₂-水作用后页岩抗拉强度降低且各向异性增强,破坏模式变为拉剪混合破坏,垂直层理加载试件的剪切作用更强;CO₂-水作用后层理对裂缝扩展的影响更大,垂直层理加载裂缝延伸被层理限制,裂缝沿层理方向水平扩展,平行加载裂缝扩展轨迹受层理约束,裂缝仅在层理扩展。     

单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏特征研究

大型水力压裂是干热岩地热能开发中人工储留层建造的最有效手段,其核心力学问题为高温、高压下岩石的水力破岩机制。通过单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏试验,研究固-热耦合作用下花岗岩的水力破岩机制。结果表明:高温对花岗岩破裂有很大的促进作用,热效应导致强度弱化,降低破裂压力。高速率注入430℃和350℃蒸汽破坏试验中,破裂压力比常温水压裂至少降低58%;低速率注入400℃和450℃蒸汽破坏试验中,花岗岩破裂压力比常温水压裂降低75%。注蒸汽破坏过程可分为热破裂损伤和宏观裂缝扩展两个阶段。高温蒸汽产生的热应力在钻孔周围随机发生热破裂,随着注入蒸汽时间的增加,热破裂范围由钻孔附近逐渐向远处扩展,热破裂分布密度增大,为宏观裂缝的产生提供便利条件。初始宏观裂缝首先出现在钻孔两侧,沿着最终形成的宏观裂缝轨迹扩展,直到试样破坏。与常温水压裂相比,低速率注蒸汽破坏是一个缓慢的延性拉破坏过程,裂缝相对钻孔不对称扩展,宽度小于水力压裂裂缝宽度。     

循环高压电脉冲作用下煤体微裂隙发育特征及其煤岩学控制

基于开放式循环高压电脉冲实验平台,针对肥煤、贫煤和无烟煤3种不同变质程度煤样,开展金属丝和含能材料2种能量加载方式下的煤样冲击致裂实验,通过光学显微镜分析循环冲击作用下煤中微裂隙发育的煤级与载荷响应特征,研究微裂隙扩展演化与显微组分之间的关系。结果发现:①增加循环冲击次数,微裂隙密度的增大趋势是非线性的,大致可划分为初期缓慢增加、中期快速增大、后期趋于稳定3个阶段,说明并非循环冲击次数越多致裂效果越好,而是存在一个最佳冲击次数。②金属丝加载方式下煤中微裂隙较含能材料加载下更为发育;整体上,肥煤的微裂隙发育程度高于贫煤,贫煤高于无烟煤,反映循环高压电脉冲在致裂效果上可能具有“双低效应”,即低变质程度煤加载低能量致裂效果可能更好。③微裂隙发育程度在显微组分之间具有差异性和侧重性,镜质组最发育,惰质组次之,壳质组最少,这是镜质组含量大(空间优势)、原位裂隙密度大(位置优势)、脆性较大(力学优势)综合作用的结果。④微裂隙在显微组分中的扩展演化轨迹可归纳为穿越显微组分、局限在显微组分内部、沿显微组分边界发育和形态呈斜列、渐进式张剪性扩展等主要特征。研究结论对进一步揭示循环高压电脉冲煤层致裂微观机制,明确工程实践目标煤层,优化作业工艺参数和提高作业效果具有重要的理论意义。      

软煤储层顶板水平井穿层工况下压裂缝扩展模型

为了探索煤层顶板中水平井向目标层穿层压裂的裂缝扩展规律,以华北石炭-二叠纪煤田为例,运用断裂力学、损伤力学以及流体力学等经典理论并结合现场实测资料,开展了压裂缝延伸距离与压裂时间时空演化规律的建模与验证。首先,基于原生裂缝特性、渗透特性以及压裂射孔段附加应力等因素,提出了顶板水平井垂向造缝的起裂压力计算公式;其次,在考虑裂缝性煤岩体损伤效应的基础上,引入Dougill损伤因子,将该计算模型拓展为延伸压力计算模型;最后,基于改进的经典PKN裂缝模型和压裂液滤失理论,建立了连续穿层工况下压裂缝延伸距离与压裂施工时间的函数关系。实践验证表明,根据理论模型合理调配时间参数,可以控制穿层裂缝的延伸距离。      

热应力影响下干热岩水压致裂数值模拟

干热岩水压致裂过程中低温诱导热应力与注入水压共同影响裂缝的萌生与扩展。首先通过THM耦合分析了低温压裂液注入过程中注入水压与热应力的相互作用及其对裂缝萌生的影响,随后建立描述岩石细观结构的THMD耦合模型对热应力影响下高温岩石水压致裂过程进行初探。结果表明：低温压裂液注入高温岩石产生的热应力包括岩石自身温度梯度形成的热应力与岩石颗粒非均匀膨胀导致的热应力,并在井筒周围呈现为拉应力。高注入压力将抑制热应力导致的多裂缝萌生,井筒附近热应力的存在对注入压力也具有削弱作用。基岩温度升高,裂缝萌生阶段更多裂缝在井筒附近起裂,缝网沿最大地应力方向的扩展速度减慢,但改造规模增加,同时多裂缝的存在也使得裂缝延伸压力增加。     

Cracking mechanism of coal under high-pressure water jet and its applications for enhanced coalbed methane drainage

This paper is concerned with the mechanism of coal breakage under high-pressure water jet (HPWJ) and its applications. A model of HPWJ impinging on coal target was established to study the cracking mechanism of coal under impact load. The characteristic and pressure distribution of HPWJ, the propagation characteristics of stress wave in coal, the mechanical properties of different coal particles, and the fracture characteristics of coal under HPWJ erosion were investigated theoretically and numerically. The results show that the shock wave and water wedge pressure are the main factors that cause coal breakage and crack propagation. The damage to the far-field coal particles affected by HPWJ is primarily caused by tensile stress, and the damage to the near-field coal particles affected by HPWJ is caused by the coupled effects of tensile stress and compressive stress. An erosion cavity is formed in the coal model with diameters of 1.25 to 2.5 times that of the jet at different depths. Meanwhile, the strong quasi-static pressure at the crack discontinuities further promotes the propagation of radial cracks around the erosion cavity to form a fracture zone, and the diameter of the fracture zone at different depths is 3.5 to 4.0 times that of the jet. In addition, the results of field application show that there is a significant difference between the methane parameters in the hydraulic flushing borehole and the conventional borehole; the average methane volume fraction and the average methane flow rate in hydraulic flushing boreholes are 3.85 and 3.67 times, respectively, that in conventional boreholes. Indicating hydraulic flushing can effectively promote the initiation and propagation of coal cracks. These results are of great significance to improve coalbed methane drainage technology and prevent gas disaster accidents in coal mines.     

水平井多段压裂应力场计算新模型

为了准确认识水平井多段压裂过程中井筒周围应力场变化,指导裂缝起裂和延伸机制研究,综合考虑井筒内压、地应力、压裂液渗流、热应力、射孔和先压开裂缝等因素的影响,根据应力叠加原理,建立了水平井多段压裂应力场计算模型。该模型利用位移不连续法,重点考虑了先压开裂缝在水平井筒周围水平面上产生的诱导应力大小,克服了裂缝诱导应力解析模型只能计算裂缝高度平面诱导应力大小的局限。结果表明,通过应力场模型进行的破裂压力预测与实际破裂压力值吻合度较高,验证了建立模型的准确性;人工裂缝形成后会对水平井筒周围应力场造成很大影响,在裂缝尖端出现应力集中,造成应力分量降低,在裂缝周围一定区域造成应力分量有较大的升高;多段压裂压开人工裂缝越多,应力之间干扰越严重,水平井筒周围应力分布越复杂。该研究对认识多段压裂存在先压裂缝干扰下后续裂缝的起裂和延伸机制,指导压裂施工具有一定意义。     

爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动机制

岩体裂纹的水力劈裂是岩体开裂渗漏甚至施工涌水的重要影响因素之一,也是岩土工程界的研究热点。从断裂力学角度分析了爆破开挖对岩体含水裂纹扩展的扰动作用,结果表明,爆破开挖扰动下,岩体含水裂纹的扩展,与爆炸应力波强度及其入射角、地应力的大小与方向、孔隙水压大小、裂纹的倾角及断裂韧度等因素相关;爆炸应力波的作用,相当于增大了岩体裂纹中的孔隙水压力,每1 cm/s的峰值振动速度相当于增大100 kPa的孔隙水压力,爆破振动速度越大,所产生的爆破扰动荷载越大;岩体开挖引起的岩体裂纹近区地应力及其孔隙水压力的变化,对裂纹的失稳与扩展具有较复杂的影响,可改变裂纹的失稳扩展模式。     

页岩水力压裂过程的态型近场动力学模拟研究

水力压裂技术广泛使用于页岩气开采工程中。为了分析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制,尝试将态型近场动力学理论引入页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真,在物质点间相互作用力模型中加入等效水压力项以实现在新生裂缝面上跟踪施加水压力,建立了水力压裂过程的近场动力学分析模型。通过模拟页岩储层的水力压裂过程,可得到复杂的裂缝扩展路径、裂缝网络的形成过程以及裂缝扩展受射孔间距及页岩天然裂缝和层理的影响。研究结果表明:射孔间距过小会造成起裂干扰,使中心射孔的裂缝扩展受到抑制;在压裂压力一定的情况下适当增大射孔间距,可以显著增强页岩压裂形成裂缝网的能力;压裂过程中水平层理面可能张开形成水平裂缝,且天然裂缝会诱导形成更复杂的垂直裂缝。模型和方法可为页岩水力压裂过程和机制研究及工程实践提供参考。     

单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

液氮溶浸对不同煤阶含水煤样渗流特性的影响

中国包含多种煤阶煤层,由于煤质、地质条件等差异,不同煤层中的水分赋存情况也具有较大差异性。煤阶、饱水度作为影响液氮低温致裂效果的两个重要因素,有必要对其进行深入研究。为此,分别选择褐煤、烟煤与无烟煤3种煤阶煤样,并制备得出饱水度分别为0%、33%与99%的煤样进行液氮溶浸处理,使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙处理前后的演化规律,并对煤样进行氮气渗流试验。试验结果表明：液氮溶浸后褐煤因产生的一条与多条贯穿裂隙发生整体结构上的断裂,烟煤表面有新裂隙产生,原生宏观裂隙有一定的扩展与延伸,无烟煤表面宏观裂隙无明显发育;煤样饱水度越高,液氮的致裂增透效果越显著;液氮溶浸对3种煤阶煤样的致裂增透效果关系为：褐煤>烟煤>无烟煤,在完全干燥状态下,由于热应力不足以破坏颗粒间链接,烟煤与无烟煤的增透效果近似相等;对于褐煤,液氮溶浸处理对完全干燥状态下的煤体即产生有效致裂,渗透率平均增幅高达559.35%,对于烟煤,在饱水度为33%和99%的状态下,液氮溶浸对煤体具有明显致裂效果,渗透率平均增幅分别为330.60%和448.77%,对于无烟煤,在饱水度为99%的状态下液氮溶浸处理才能对煤体产生有效致裂,渗透率平均增幅为185.53%。     

Implementation of a coupled plastic damage distinct lattice spring model for dynamic crack propagation in geomaterials

This paper studies dynamic crack propagation by employing the distinct lattice spring model (DLSM) and 3‐dimensional (3D) printing technique. A damage‐plasticity model was developed and implemented in a 2D DLSM. Applicability of the damage‐plasticity DLSM was verified against analytical elastic solutions and experimental results for crack propagation. As a physical analogy, dynamic fracturing tests were conducted on 3D printed specimens using the split Hopkinson pressure bar. The dynamic stress intensity factors were recorded, and crack paths were captured by a high‐speed camera. A parametric study was conducted to find the influences of the parameters on cracking behaviors, including initial and peak fracture toughness, crack speed, and crack patterns. Finally, selection of parameters for the damage‐plasticity model was determined through the comparison of numerical predictions and the experimentally observed cracking features.     

煤层顶板分段压裂水平井地质适应性分析与施工参数优化

煤层顶板分段压裂水平井是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术.依托"十三五"国家科技重大专项课题,围绕煤层顶板分段压裂水平井煤层气高效抽采技术,采用理论分析、数值模拟等手段,对比不同地应力状态下裂缝的穿层扩展形态,研究水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角对裂缝转向扩展的影响,分析多簇射孔条件下裂缝的竞争扩展现象....