采动裂隙岩体压剪渗透规律试验研究

根据采动过程中裂隙岩体的应力变化,用法向载荷、剪切载荷和渗透水压分别模拟开采过程中采场的水平应力、垂向应力和水头压力,应用JAM-600型剪切-渗流耦合试验系统对裂隙岩体进行压剪-渗流藕合试验,探讨在恒定法向荷载(CNL)和法向刚度(CNS)条件下,裂隙岩体的法向载荷、裂隙粗糙度与渗透水压对试样的位移、应力和渗流性的影响规律,分析剪切位移大小和岩体裂隙的剪胀特性对裂隙岩体的剪切应力、法向位移、节理水力开度及渗透率影响规律。研究表明:剪切应力和水头压力对裂隙水力开度起促进作用,水平地应力对水力开度变化起抑制作用。随着剪切位移变化,水力开度可分为变小或持平、增大、稳定3个阶段。裂隙表面粗糙度越大,裂隙岩体的刚度越小,则水力开度最终稳定值越大。由于裂隙岩体的剪胀作用渗透率先变小后增大,剪切位移增大,渗透率增大;法向荷载增大,试件的渗透率越小;裂隙表面越粗糙,其渗透率越大,其研究结果可为岩体透水通道形成时的孕育、萌生和爆发的导渗灾变演化过程提供理论基础。     

压剪作用下裂隙扩展过程渗流与应力耦合模型研究

裂隙的剪胀特性及扩展演化规律对岩体的渗流特性具有重要影响。为揭示裂隙剪胀及扩展演化对岩体渗流的影响,基于残余强度提出了一种能较好描述岩石硬化-软化特性的全剪切本构关系;结合剪切变形与裂隙开度的关系,利用最小势能原理和立方定律,建立了压剪作用下考虑裂隙剪胀特性的渗流应力耦合模型;假定压剪作用下裂隙发生Ⅰ型扩展,提出了伴有翼型裂纹的渗流模型,该模型不仅考虑了岩石的剪胀特性,更反映了裂隙扩展过程渗流的演化规律。对不同裂隙粗糙度的剪切应力-位移曲线进行分析,全剪切本构模型表现出较高的拟合精度。在剪切应力-位移关系基础上,通过剪切渗流试验数据对压剪作用下渗流模型进行验证,结果表明,该模型能较好地描述岩体剪胀阶段渗透性演化规律。利用等效裂隙简化裂隙网络,并通过试验数据进行验证,证实了裂隙扩展过程渗流-应力耦合模型的准确性与适用性。     

裂隙岩体非线性渗流特性分析

开展了不同围压下的裂隙岩体渗流试验,提出了一种简单的裂隙隙宽测量方法,并研究了渗流过程裂隙的变形特征;基于Forchheimer非线性渗流方程,计算了非线性系数及渗透率,分析了围压与非线性系数及渗透率的关系。研究结果表明,随着围压增大,岩样的渗透率减小,非线性渗流系数增大;裂隙粗糙度越大,越容易引起非线性渗流;裂隙水力开度与力学开度随围压变化趋势一致,水力开度约为力学开度的5%。     

裂隙岩体非饱和渗流的分形模型

基于毛细吸持理论和Sierpinski空间的假定,建立了用分维数表示的毛细压力-有效饱和度及毛细压力-相对渗透系数关系的裂隙岩体非饱和渗流分形模型。根据Monte-Carlo模拟技术由平硐资料生成三维裂隙网络,利用盒维数方法计算裂隙岩体体积分维数。探讨了分维数与裂隙渗透率的关系。结合糯扎渡水利工程实例,将模型计算结果与Brook-Corey模型对比,结果表明相对渗透率主要受最大裂隙开度的影响,当裂隙开度范围不大时,分形模型可较好描述岩体裂隙的毛细压力与有效饱和度的关系。当裂隙开度范围较大时, ,忽略最大裂隙开度,模型可以等价于Brook-Corey模型。     

裂隙剪胀效应对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为了探讨在法向应力和剪应力的共同作用下裂隙开度的变化对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,引入裂隙的渗透系数与开度关系的“立方定律”,建立了裂隙渗透系数演化式。应用开发的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合二维有限元程序,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,分别在2组裂隙斜交和正交的条件下,针对与裂隙开度3种计算方式对应的6种工况进行了数值分析,考察了围岩中的温度、孔隙和裂隙水压力、裂隙开度、裂隙的渗透系数、地下水流速、应力的变化、分布状态。结果显示,当裂隙开度仅取决于法向应力时,裂隙开度受压应力作用产生的闭合量最大,从而裂隙水压力最高;而当裂隙开度是法向应力和剪切位移的函数时,由于“剪胀”效应,裂隙开度闭合量较前述情况为小,裂隙水压力居中;而当裂隙开度是常数时,裂隙水压力最低     

岩体裂隙饱和/非饱和渗流机理初步研究

基于裂隙局部开度为平行板模型的假定,按一定分布抽样生成裂隙面上开度随机数,并分别对单裂隙饱和及非饱和渗流进行了数值模拟.裂隙饱和及非饱和渗流在渗流机理上都是由于水势差引起的,只不过在非饱和渗流情形下,湿润相水压力小于非湿润相空气的压力.饱和渗流时,水流主要集中在大开度,即“沟槽”中;而非饱和渗流时,水流运动多发生在小开度,即“狭缝”中.     

热-水-应力耦合影响的有限元分析

为了考虑应力拉压和压力（化学）溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型中裂隙开度的计算模型作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库算例,就岩体裂隙开度变化的3种工况,分析了岩体中的温度、孔（裂）隙水压力、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示：3种工况的计算域中温度场基本相同;孔（裂）隙水渗流场形态相似,但其量值有一定差别;工况1的裂隙开度在应力和压力（化学）溶解的共同作用下闭合量最大,负孔（裂）隙水压力增值最高;核废物的释热效应明显地改变了岩体自重应力场的水平分量,但对其垂直分量影响较小。     

裂隙概化模型的非饱和渗流试验研究

借鉴多孔介质非饱和渗流试验的研究成果,研制出一套可同时测定单裂隙毛细压力-饱和度以及非饱和渗透系数-毛细压力关系的试验装置.为检验试验装置的可信度和试验原理的正确性,并初步探讨单裂隙非饱和渗流的机理,特制作了一阶梯开度的裂隙概化模型(本文称之为“S-H”裂隙模型),并在上述试验装置上进行了“S-H”裂隙模型的非饱和渗流试验,初步阐明了单裂隙非饱和渗流的一些基本水力特性,同时试验结果也表明本文试验装置和试验原理合理可靠.     

应力作用下三种典型渗流曲线及机理分析

基于不同压力作用下的裂隙渗流试验获得的三种典型的渗流曲线类型,给出了应力作用下影响试样渗透性的主要原因：在正应力作用下裂隙发生变形;在剪应力作用下裂隙可能发生劈裂及扩张。通过分析裂隙变形和劈裂、扩张过程中裂隙渗透性的变化,阐述了在应力作用下,看似异常实则正常的三种典型的渗流曲线类型的机理：在其它条件相同的情况下,试样的渗透性与应力的关系取决于应力与裂隙间的夹角。     

岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了开度随机分布裂隙中的渗流场问题。根据给定的裂隙开度均值和标准差,随机分布生成有限元模型中的单元裂隙开度,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同裂隙开度标准差条件下的等效导水系数,研究等效导水系数与裂隙粗糙度之间的关系。数值模拟结果表明,与光滑平直的裂隙相对比,在裂隙平均开度为常数、开度随机正态分布的条件下,表面粗糙裂隙的等效导水系数略有降低;对于裂隙平均开度为0.5 mm的裂隙模型,裂隙开度标准差从0.01 mm变化到 0.2 mm,其等效导水系数变化小于5 %。传统的渗流控制方程无法精确描述地下水在粗糙裂隙中的流动特征,因为在压力水头的定义中忽略了速度项。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特性试验研究

通过开展单裂隙花岗岩不同围压加、卸载和不同水力梯度作用下的渗透试验,研究应力历史对裂隙渗透性能演化的影响。试验结果表明：在围压加载过程中,渗流流量与渗透压差大致呈线性关系;在渗透压差相同的条件下,围压越小,流量越大,随着围压上升,裂隙渗流流量持续减小,但随着围压的进一步增大,流量的减小有减缓的趋势。在围压相同以及渗透压差相同的条件下,单裂隙花岗岩在卸载条件下的渗流特性与加载条件下相比,其渗流流量明显降低,且卸载过程中渗流流量与渗透压差开始偏离线性关系。从试验前、后裂隙面粗糙度系数值的对比可以看出,由于法向应力挤压以及渗流流体的冲蚀作用,试验后裂隙面粗糙度系数明显降低。卸载的过程中,裂隙渗透性能的恢复具有明显的滞后效应,表明在法向应力和流体冲蚀的共同作用下,裂隙产生了不可恢复的非弹性变形。     

微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1) 加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2) 微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%～90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3) 裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。     

岩石裂隙可视化渗流装置可行性及试验研究

自主研发一套能从可视化角度反映岩石单裂隙渗流特征的装置,并以模拟岩石的变形模量为主要技术指标,获得了K39透明类岩石材料的添加剂含量为：促进剂0.8%、硬化剂0.6%、消泡剂0.6%;通过二次翻模精确复刻技术得到原岩裂隙面粗糙度,为研究细微观裂隙渗流提供技术支撑。通过可视化装置与原岩装置模拟试验,得到两者之间的差异性系数,进而推出原岩渗流流量的修正公式,获得了渗流量、渗流面积等能反映原岩性能的相关参数。阐明了K39透明类岩石材料对渗流量的影响效应?总及其影响的内在机制;与以ELE仪器为研究平台的渗流试验进行异同性分析,得到两者渗流量之间存在差异的相对变化系数,证明可视化渗流装置研究岩石裂隙渗流是合理可行的。利用该装置开展空间多角度试验,在耦合粗糙度、渗透压、围压、空间多角度、水自重效应等多因素下,通过渗流面积数字化自识别技术为精确获取岩石渗流特征的相关参数提供基础。     

储层非均质性对水力压裂的影响

从岩石细观非均质性的特点出发,采用RFPA2D-Flow软件对单孔和双孔数值模型进行压裂计算,研究岩石非均质性对水力压裂的响应,重点探讨双孔模型孔间吸引效应对裂纹演化形态的影响。岩石细观单元的力学、水力学特性由统计分布生成以体现岩石的随机不均质性,水力压裂过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。数值计算结果表明:(1)岩石非均质性影响裂缝的扩展形态,导致水力裂纹尖端微裂纹的分支。随着均质度的增加,水力裂纹的扩展形态变得更加平直光滑,单孔模型两侧裂纹更加对称,双孔间裂纹的连通性变差。(2)岩石的非均匀性对于岩石的起裂压力和地层破裂压力影响较大。随着均质度的增大,起裂应力和地层破裂应力增大,并且两者间的差值逐渐变小,在储层为均质的条件下,两者几乎相等。(3)相同的边界条件下,均质模型的应力分布曲线光滑连续,非均质模型的应力分布曲线呈现出明显波动,井眼对称剖面上的应力分布不尽相同,反映了细观单元强度非均匀性及裂缝扩展形态对应力分布的影响。(4)双孔模型孔间存在孔隙水压力增加带,孔间产生吸引效应,双孔方位影响临界压力。研究结果对水压裂试验设计和现场压裂施工具有一定的参考意义。     

考虑动力压力裂隙网络岩体渗流应力耦合分析

渗流对裂隙网络岩体的作用力包括渗透静水压力和渗透动力压力（裂隙壁切向拖曳力）两部分。较全面地引入渗流与应力之间的相互作用关系，同时考虑渗透静水压力和切向拖曳力的作用，以裂隙（等效）隙宽与岩体应变的关系为桥梁，建立隙裂网络岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型，并采用有限元数值方法进行某工程实例的双场耦合分析，验证所建立模型的可靠性。     

不同围压下致密砂岩破裂过程声发射特征研究

揭示致密砂岩的破裂机制对致密油气储层压裂设计和压裂缝网改造具有重要的指导意义。本文采用鄂尔多斯盆地延长组长6储层致密砂岩试样,开展了不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了围压对岩石力学性质的影响。采用声发射定位技术研究了试样破裂过程,分析了不同围压下声发射定位事件的信号特征及其时空演化序列。此外,对破裂后试样进行了CT扫描,基于CT切片图像观测了试样内部破裂特征。得到以下几点认识:（1）不同围压下,声发射时空演化差异主要表现在压密阶段。随着围压的增加,声发射事件主要发生时段后移。（2）围压对声发射特征参数累计振铃计数的影响主要表现在压密阶段,其他阶段累计振铃计数呈相似变化趋势。不同围压下均可将累计振铃计数快速增加的瞬间作为岩石即将破裂的标志。（3）随着围压的增加,岩石破裂形态趋于简单化,由拉张破裂为主的复杂形态逐渐转变为单一的剪切破裂形态。（4）CT扫描切片直观地反映了试样的破裂形态,与声发射定位所得试样整体破裂形态相吻合,并且在声发射定位的基础上进一步刻画了裂纹分布情况与各裂纹相互作用过程。采用声发射定位技术与CT扫描双重方法,研究试样破裂过程,对于深入研究岩石破裂机制具有一定的意义。     

岩体水力学基础(二)─—岩体水力学的基础理论

单裂隙水流立方定律是岩体水力学中最基本的．也是最重要的定理。本文从不变形平直等宽单裂隙水流运动定理开始，讨论了受应力作用岩体单裂隙、一组平行裂隙、一组正交裂隙以及岩体裂隙系统中水流运动规律，分析了单裂隙中水流渗透压力与裂隙变形之关系。运用水力学原理推导了岩溶单管道流定理，为岩体水力学模型研究奠定了基础。     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

基于CT三维重建的注水煤岩体裂隙扩展规律研究

针对煤层注水防尘过程中注水压力设置不合理、注水渗流效果差等问题,采用CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法,构建了可以表征注水煤岩体内部孔裂隙结构的三维细观非均匀渗流损伤数值模型。通过对经过CT三维重构的煤岩模型进行不同注水压力的渗流损伤模拟,研究了煤层注水压力对煤样的渗流破坏、渗透率演化及声发射特性变化的影响;并通过对重构的煤岩模型进行缩放处理,研究了煤岩尺寸对煤样的渗流破坏和声发射变化的影响。研究结果表明：在煤样微观裂隙扩展过程中,随着注水压力的递增,煤样损伤单元数、渗流运动的渗流场分布范围、渗透率、声发射数目和能量总体呈上升趋势,局部范围内有波动发生,发生波动的原因是由于渗流运动的渗流场与煤样裂隙内部应力场发生临界反应,致使煤样破坏单元位置发生改变;煤样渗透率由3.82×10−5 μm2上升至0.314 μm2,孔隙率由5.45%上升至48.45%,揭示了煤岩体裂隙总体上随注水压力增大而不断扩展贯通,局部上随注水压力增大而扩展趋势有所下降的影响规律;随着煤样尺寸的增加,注水破坏后煤样的孔隙率呈现先下降后逐渐平稳的趋势,声发射特性变化趋势正好与之相反,表明煤样的尺寸对注水煤岩渗流破坏有显著影响,但当煤样尺寸超过40 mm时,煤样尺寸对注水煤岩渗流破坏的影响趋于稳定。CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法能够有效模拟注水煤岩的裂隙渗流扩展行为。