温度作用下CT三维重建煤体微观结构的渗流和变形模拟

为研究煤炭深部开采区域内温度对煤体渗流以及孔裂隙结构变形的影响,应用CT三维重构技术借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟。共轭传热模拟结果显示20℃的水经80℃的煤体壁面加热后以37.13℃流出,煤体温度沿壁面向流体中心逐渐降低,孔裂隙结构对于流动速度和温度的分布有重要的影响,沿流动方向上,截面连通孔隙率大则流动速度慢,流体升温快,固体温度下降;反之则流动速度快,流体升温变缓,固体温度回升。热变形模拟结果显示骨架变形量与距约束面的距离成正比,约束面附近变形量小,变形方向指向孔裂隙空间,距约束面远的位置变形量大,变形方向向外发散,裂隙的存在会使变形量增加,且随温度载荷的增加不同孔裂隙结构间的变形差异增加。     

安阳矿区双全井田岩性结构与煤体变形的关系

煤体变形程度控制着煤与瓦斯突出和煤层气的可开发性,煤体结构空间展布预测是人们长期关注的焦点。以岩体力学和分形几何学基本理论为指导,以安阳矿区双全井田为例,通过计算岩体强度因子和分形维数,系统探讨了岩性结构对煤体变形的影响。研究表明,岩体强度因子和分形维数与断层和测井曲线判识的煤体结构之间存在密切关系:低强度因子和分形维数区,煤体易发生韧性变形,软煤发育;高强度因子和分形维数区,煤体(和岩体)以脆性变形为主,以断层发育为特征。这一结论为井田构造发育特征和软煤空间展布所证实。岩体力学和分形几何学的引入,为煤体结构空间展布区域预测提供了一种新途径。     

基于CT扫描的草炭土孔隙结构分析及渗流模拟

草炭土是在地表积水环境下植物残体经氧化和部分分解作用而堆积形成的一种特殊的腐殖质土。含大量植物纤维的草炭土具有高渗透性、高孔隙比、高含水率等不良工程地质特性。为了探究草炭土的孔隙特征与其孔隙内部的渗流规律,本文以吉林省敦化地区草炭土为研究对象,通过CT扫描技术获取草炭土样的CT序列图像。采用试凑法,通过Mimics的mask体积计算功能并结合土体的真实孔隙率确定了图像二值化的最优阈值,并得到了更接近土体的细观结构的三维重构模型。同时基于Lattice Boltzmann Method原理,在PALABOS代码库的基础上改编程序进行草炭土样的单相渗流模拟,研究了恒定压差下的土体的模拟渗透率值与渗流场的性质,并结合Paraview可视化软件分析了流线与流速在孔隙内的分布情况。研究结果表明:草炭土内部孔隙孔径大小不一,大孔径孔隙与小孔径孔隙形态各异,而植物纤维的架空状分布以及根状孔隙是土体内部形成大孔径孔隙通道的主要原因;流体在其内部流动时,优先以大孔径通道渗流,流线也集中于大孔径渗流通道,流体在大孔径通道内部的流速也高于散布的细小孔径,草炭土的渗透率主要取决于其内部大孔径的数量,因此草炭土的渗透率受到土中植物纤维的含量以及分解度的影响,植物纤维的含量越多,分解度越低,草炭土的渗透率越高,反之则越低。     

岩体结构对含煤岩系变形的控制作用

含煤岩系变形规律的研究,对煤炭资源评价和开采、煤矿瓦斯灾害预测、煤层气的可开发性评价具有指导意义。基于含煤岩系的岩体结构是控制其变形的基础因素这一前提,以岩体力学和分形几何学基本理论为指导,提出取决于岩石杨氏模量和泊松比的岩体强度因子和取决于岩层厚度的分形维数两个参数,以断层发育的安阳双全井田、褶皱发育的沁水盆地煤层气开发区及滑动构造发育的荥巩谷山井田为例,系统探讨了岩体结构对含煤岩系变形的控制作用。研究表明,低强度因子和厚层岩层较多的分形维数低值区,含煤岩系以韧性变形为主,多形成褶皱,煤体变形程度深,为瓦斯灾害严重区和煤层气难以开发区;高强度因子和厚层岩层较少的分形维数高值区,含煤岩系以脆性变形为主,多发育断层,构造煤难以区域展布,只分布在断层附近。可见含煤岩系变形不仅与岩体强度有关,而且受岩层厚度的控制。统计层段内刚性岩层的存在增加了岩体强度,岩层复杂程度的增加同样提高了岩体强度。岩体力学和分形几何学的引入,为煤岩体变形行为和程度的描述和预测提供了一种新途径。     

基于三维结构面网络模拟的岩体变形模量确定方法

变形模量作为表征岩体变形特征的重要参数,是岩体工程设计的基础力学参数之一。在综合前人研究的基础上提出了基于三维结构面网络模拟确定岩体变形模量的方法,编制了三维结构面网络模拟及计算RQD值的程序。以西南山区某水电站坝址区岩体为实例,在概率统计各组优势结构面几何要素分布形式的基础上,采用Monte Carlo法生成三维结构面网络模型,据此获得岩体三维RQD值,利用RMR法进行质量评价和变形模量的确定,并与钻孔资料统计法和原位试验结果进行对比分析。结果表明：基于钻孔资料统计的估算结果与原位试验相对误差达31.62%,且其估算值偏低;基于三维结构面网络模拟的估算结果与原位试验相对误差仅为2.56%,估算结果精度较高。该方法考虑了岩体质量的空间各向异性,对岩体的质量评价和参数确定更为合理,研究成果为该工程的优化设计提供了合理的计算参数。     

不同剪切作用下CMC水溶液的微观结构研究

针对聚合物钻井液重要组分之一的羧甲基纤维素钠盐(CMC),考虑钻井液在井底钻头与环空处所受的不同剪切作用,测试了其水溶液在相应近似剪切作用(分别为600,6 000 r/min)下的流变性,并结合冷冻干燥方法,利用扫描电子显微镜观测了这两种剪切作用后CMC水溶液相应的微观结构.结果表明高速剪切作用使CMC水溶液的空间网络骨架拉伸变细,甚至破坏,溶液黏度有所降低,流动性增大.这样,热量更容易通过这些网络骨架,使充填其中的小分子物质以热传导、对流传热等方式传递到钻屑表面,分解钻屑表面的水合物.水合物分解产生的气体和水则以分子扩散的形武向内向外进行传质,但会受到钻井液微观骨架结构和其中填充物质的阻碍.     

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制和扩展方向,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,温差愈大,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。     

不同压应力作用下黏土体积变形的微观特征

为了研究黏土体积变形的微观结构变化特征,选取上海第4层淤泥质黏土为研究对象,分别采用各向等压和K0压缩两种方法制备体积变化率相同的土样,经冷冻真空干燥后对土样进行压汞试验并测定土中孔隙大小分布状况。压汞试验结果表明：试验黏土中孔隙可分为大孔隙、中孔隙、小孔隙和微孔隙,小孔隙占据土中孔隙的大部分空间,且其变化能够反映微观结构的主要特性;在各向等压应力状态下,随着压应力增高、体积压缩量增大,黏土颗粒发生空间平移使颗粒间变得更为紧密,孔隙分布曲线变化以孔隙波峰往孔隙变小方向偏移为主要特征,孔隙尺寸变小而孔隙形态基本不变;在K0压缩应力状态下,随着压应力增高,黏土颗粒发生旋转使孔隙变得扁平,表现为孔隙波峰位置基本不发生偏移,而以峰值降低为主要特征,孔隙结构形态明显改变     

热-水-力耦合作用下非饱和土变形特性的弹塑性模拟

在已有的非饱和土水-力耦合模型基础上,耦合考虑温度影响,建立了一个热-水-力耦合作用下非饱和土弹塑性本构模型。该模型以土骨架平均应力、修正吸力和温度为应力状态变量,以土骨架应变、饱和度和熵为应变状态变量。通过引入与温度相关的屈服面(LY、TY)以及相应的硬化规律来考虑温度对土体变形的影响。利用建立的模型,对文献中不同吸力和温度条件下的等向压缩和三轴排水剪切试验进行预测,预测结果表明,该模型能够较好地定量描述热-水-力耦合作用下非饱和土的变形特性。     

波浪作用下考虑海床变形影响的溶质运移数值模拟

波浪会促进海水中溶质向海底沉积物运移,但已有研究大多未考虑海床（海底沉积物）变形效应的影响。为揭示波浪作用下海床土变形对溶质运移过程的影响机制,构建了考虑海床土变形影响的溶质运移计算模型,对波浪作用下溶质向砂质海底沉积物中的运移过程进行模拟。结果表明:海床土变形会增大孔隙水流速,进而增大溶质纵向水动力弥散系数,增强溶质运移的机械弥散作用,促进溶质向沉积物中运移;考虑海床变形时的溶质最大纵向水动力弥散系数可达不考虑海床变形时的8.5倍,约为分子扩散系数的545倍;海床土剪切模量越小,土体变形效应越明显,对溶质运移过程的影响越大;海床土饱和度的降低,会进一步加速波浪作用下溶质向海底沉积物的运移过程。     

热-力耦合作用下垃圾土体积变形特性和模型研究

城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构模型研究。在前期试验基础上,采用GDS温控应力路径三轴仪,研究了排水条件下温度对垃圾土中黏土体积变形特性和压缩特性的影响,并与相同条件下垃圾土体积变形特性进行比较,揭示了温度变化对垃圾土体积变形特性的影响机制。基于垃圾土温控三轴试验结果,推导了垃圾土热弹塑性压缩指数λ_T和热弹性压缩指数κ_T的确定方法;采用等效应力原则,假设温度变化引起的弹塑性体积应变等于某一等效应力增量引起的弹塑性体积应变,建立了垃圾土在热-力耦合作用下的体变计算模型,并对模型进行了验证分析。研究结果表明,孔隙比是影响垃圾土温度体积应变的主要因素;垃圾土的λ_T和κ_T随初始固结应力的增加而减小,比黏土高一个数量级;选取常温下相应固结应力水平的回弹指数κ和压缩指数λ比例值(κ/λ)能够较好地模拟热-力耦合作用下垃圾土的体...     

渗透压-应力耦合作用下煤体常规三轴试验的颗粒流模拟

为了研究在渗透压-应力耦合作用下围压和瓦斯压力对煤体变形破坏规律的影响,借助PFC2D软件进行了340组抗压及抗拉试验模拟,建立了煤体宏观力学参数与细观参数之间的关系。利用平行黏结模型和推导得出的细观参数,对煤体进行了不同围压和瓦斯压力条件下常规三轴试验的颗粒流模拟,并将模拟结果与物理试验结果进行对比及误差分析,对煤体宏观力学参数的变化规律进行了总结。分析结果表明,经过推导得到的宏细观参数关系,可以控制模拟结果的误差在10%之内,能较好地模拟煤体的力学特征;围压增大时,煤体的抗压强度、残余强度及弹性模量呈增大趋势,泊松比以及煤体的破裂角度变小,与物理试验所得围压对煤体的刚度和强度起增强作用的结论一致;瓦斯压力的升高会导致煤体抗压强度,残余强度及弹性模量减小,泊松比以及煤体破裂角度变大,验证了物理试验中瓦斯压力对煤体强度具有劣化作用的结论。     

温度循环作用下深埋隧洞围岩细观结构的定量描述

高温作用和温度循环作用是岩石力学发展面临的新课题。从经历温度循环的裂隙岩体的微裂隙扩展机制研究入手,采用SEM仪器进行了各温度下大理岩断口细观结构试验。基于统计学理论,从细观层次对不同温度下的岩石断口微裂隙参数数据统计分析,得到了岩石微裂隙几何参数在不同温度下的分布概型,并运用Monte-Carlo随机模拟的方法,再现微裂隙在工程岩体中的分布。进行了二维裂隙网络模型的分形计算,分析不同温度条件下岩石细观损伤的分维数及其演化的分形特征,为从传统的力学方法来探索岩石内部介质的微观变化提供了理论依据和参考。     

基于温度路径的冻融作用下黄土强度及微观结构研究

在季节性冻土区,冻融作用诱发黄土滑坡的本质是冻融循环作用下黄土物理力学性质的劣化,探明冻融作用下温度以及水分迁移对黄土强度的影响及其机制是必要的.以山西省柳林县某黄土边坡为例,采用一种新的冻融循环方式即按照土体每年历经的温度路径进行冻融循环,研究在温度动态变化的冻融循环作用下土体的抗剪强度变化规律以及反复冻融循环作用对...     

毛细水作用下非饱和土压缩过程的微观非连续变形数值分析

研究非饱和土微结构的动态演化规律对认识非饱和土宏观物理力学行为的本质有重要意义。然而目前岩土学界对此尚不清楚。文章提出利用毛细水算法进行非饱和土压缩数值试验,研究其宏观变形过程中土水作用与孔隙的演变规律。首先参考黄土骨架颗粒的形态和优势颗粒的大小,建立了540 μm×400 μm理想的非饱和土微观结构模型;其次利用毛细水模型计算某一含水率下水分分布及毛细力,并将此毛细力施加于土粒之间;然后施加外荷载,对含水率为5%、10%、18%的3个模型土样进行压缩模拟。模拟结果表明：模拟获得的压缩曲线与同工况试验曲线表现出了相同的变化规律,表明该模拟一定程度上能够反映土体在压缩过程中的宏观变形特征;在压缩过程中,随土体的变形,饱和度和基质吸力分别呈上升和下降趋势,且变化程度与含水率有关,表现为含水率越高,饱和度涨幅越大,而基质吸力却在土样干燥和近饱和时降幅较大;土体孔隙结构的演化形式与体积含水率有关,低含水率时孔隙以收缩变形为主,高含水率时以大孔隙压密为更小类型的孔隙为主。模拟结果可作为实验结果的有益补充,加深对土体宏观变形行为的认识。     

温度和模拟渗滤液作用下黏土的渗透性能

采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪,分别以自来水和模拟渗滤液为试验用水,开展不同温度和围压下黏土渗透性能试验。研究表明,当温度从20℃升高至50℃时,渗透系数增大,最大增幅为3.5倍;当围压从50kPa增大至200kPa时,渗透系数从10-6cm/s数量级减小至10-8cm/s数量级。在温度和围压一定时,模拟渗滤液作用下黏土的渗透系数略大于自来水试验结果,二者最大比值为2.8。随着温度的升高,土中吸附结合水膜变薄,且土样体积减小,在两种效应的共同作用下,固有渗透率不是定值,相应条件下50℃与20℃固有渗透率的比值在0.72~2.99之间变化。在本试验条件下,渗透系数随温度的变化主要是由水动力黏滞系数的变化引起,但是在低围压、自来水试验时理论推算渗透系数小于实测值,高围压下理论推算值大于实测值。     

“伸展-走滑”复合作用下构造变形的物理模拟

新生代渤海湾盆地为典型的"伸展-走滑"复合盆地, NNW-SSE向伸展作用和NE-SW向走滑作用的复合效应导致盆地内部构造样式的复杂性和多样性。本文针对走滑作用方向与伸展作用方向垂直的情况,就不同"伸展-走滑"复合条件下的断裂发育特征与演化过程开展了3类13组构造物理模拟实验,结果表明:①在先伸展后走滑的条件下,早期发育的伸展断层被晚期走滑断层强烈切割、改造,平面上表现为雁列式组合或主走滑断层,剖面上发育花状构造;②先走滑后伸展的条件下,平面上表现为早期雁列式的R剪切复活,作为晚期伸展正断层的转换断层,剖面上表现为似花状构造;③伸展和走滑同时作用的情况下,伸展与走滑作用的强弱配比关系影响断裂的发育特征,可建立"走滑强于伸展"、"走滑伸展强度相近"和"伸展强于走滑"三类模式。实验结果在辽东湾坳陷得到了印证,可为渤海湾盆地及类似伸展-走滑复合盆地的构造解析及动力成因机制分析提供指导和借鉴。     

循环荷载作用下泥炭质土的动变形特性试验研究

泥炭质土是一种具有明显区域性的特殊土。通过一系列不同围压、固结比、加载频率等条件下的分级加载动三轴试验,研究了昆明泥炭质土在循环荷载作用下的动变形特性。从动骨干曲线、应力-应变滞回曲线和动弹性模量等方面重点分析了围压、固结比、加载频率对泥炭质土变形特性的影响。试验结果表明:泥炭质土的动应变随动应力幅值非线性增长,且存在某一临界动应力,当动应力幅值达到临界动应力值后,应变急剧增长,土体结构发生破坏;围压对泥炭质土动变形的影响最为显著,固结比次之,加载频率最小;固结比对泥炭质土动变形的影响程度依赖于围压,围压越大,固结比的影响越明显;相同循环振级下,泥炭质土的弹性变形随围压和固结比增大而减小,加载频率愈低,土体的弹性变形愈大;随着循环振次的增加和振级水平的提高,泥炭质土刚度逐渐下降,塑性变形产生并累积增长,围压和固结比越大,加载频率越低,泥炭质土的塑性变形越大。     

基于扫描电镜和CT成像技术的碳酸盐岩溶蚀作用微观结构和变化规律研究

为研究溶蚀作用下碳酸盐岩孔隙的演变规律及控制作用,文章选取三峡地区4种类型碳酸盐岩开展溶蚀实验。同时结合扫描电镜、CT成像对实验前后岩石的溶蚀特征及孔隙结构进行测试。结果表明：溶蚀总发生在低晶格能的矿物处且沿矿物晶体的菱形解理面以及薄弱部位发育,表现为对矿物和孔隙等结构的选择性溶解;碳酸盐岩的孔隙度对溶蚀过程影响较小,岩石的孔径大小是影响碳酸盐岩溶蚀速率的重要因素;小孔径岩石的溶蚀多在样品表面发育小型溶孔,大孔径岩石的溶蚀主要发生在孔隙隙壁且有向岩石内部溶蚀的痕迹;经溶蚀改造,孔喉半径和连通性均呈现出增长趋势。本研究对碳酸盐岩差异性岩溶作用机理及岩溶发育规律的认识有一定指导意义。     

化学侵蚀下硬脆性灰岩变形和强度特性的试验研究

 通过硬脆性灰岩在不同pH值、0.1 mol/L和Na2SO4和CaCl2溶液以及蒸馏水浸泡后的的常规三轴压缩试验,分析了受化学腐蚀作用的灰岩在不同围压下的变形及强度特性,探讨了三轴强度参数及变形参数的变化规律,并对浸泡岩石的化学溶液进行水质检测,得到了化学溶液中各离子浓度的变化规律,初步分析了化学溶液对灰岩力学特性影响的机制和规律。试验表明：化学溶液浸泡后,灰岩有从脆性向延性转化的趋势;灰岩的强度参数 , 值及弹性模量E均有不同程度的下降,而泊松比则增大;在相同的化学溶液侵蚀下,弹性模量和凝聚力降低幅度最大;灰岩力学参数劣化的程度与从灰岩中溶出的离子浓度的大小具有一定的对应关系：从灰岩中溶出的离子浓度越高,其力学参数劣化程度越大。