Ⅰ型断裂韧度模拟方法及细观影响因素研究

既有离散元参数敏感性分析大多集中在压缩试验及巴西劈裂试验,对Ⅰ型断裂韧度K_Ic试验细观影响因素及3D破裂过程系统分析的报道较少。采用三维平节理模型(FJM3D)研究微观结构参数及黏结细观参数对不同切槽形状的Ⅰ型断裂韧度试验的影响。微观结构参数包括晶粒平均半径的平方根R^1/2、模型分辨率Ψ和最大/最小晶粒直径d_max/d_min。黏结细观参数包括平均配位数CN、S类型单元比例φ_s、黏结抗拉强度σ_b、黏结内聚力c_b、摩擦系数μ和摩擦角φ。参数敏感性分析结果表明,K_Ic与R^1/2、CN及σ_b正相关,与d_max/d_min 、φ_s负相关,而与Ψ、c_b、μ和φ无明显的线性关系,此外为获得较低的K_Ic波动水平,给出了参数Ψ和d_max/d_min     

V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度KIC的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论：（1）该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径（75 mm）的试样测试结果更为稳定;（2）CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力（间接拉伸）作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;（3）V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。     

冻土非线性断裂韧度的修正因子测试方法

考虑冻土的非线性断裂力学特征,基于现有J积分测试方法,提出了一种新的冻土非线性断裂韧度的测试方法--修正因子法。在传统方法中J积分可以写成如下表达：J =Je +Jp,其中Je为J积分的线弹性分量,Jp为J积分的塑性分量。Je的计算相对简单;但计算Jp相对困难,原因是其中的参数Up难于确定。为了使计算简单,可将塑性分量改写为Jp =qJe,J积分则改写为J=(1+q)Je,q称为塑性修正因子。该方法通过循环加、卸载试验得到非线性载荷-位移曲线（P-Δ曲线）,并由载荷与位移的增量确定修正因子,在获得线弹性分量Je基础上,获得冻土非线性断裂韧度。采用该方法进行了冻土非线性断裂韧度测试,并将测试结果与相关文献结果进行比较,证明了该方法的合理性和有效性。     

用5种圆盘试件的劈裂试验确定岩石断裂韧度

用5种不同形状的圆盘试件测定了大理岩张开型断裂韧度。5种圆盘试件分别为平台巴西圆盘、带有中心圆孔的平台巴西圆盘、人字型切槽巴西圆盘、直切槽巴西圆盘和圆孔切槽平台巴西圆盘。加载模式是对径压缩劈裂。介绍了试件的制作方法,提出了用每种圆盘确定断裂韧度的公式。结果表明,含有切槽圆盘的断裂韧度值在0.78～0.91 MPa•m1/2之间,不含切槽圆盘测得的值在1.01～1.04 MPa•m1/2之间。有3种含有切槽圆盘测得的断裂韧度值比较稳定,其中孔槽式平台巴西圆盘能够制作理想的宽度较小的切槽。     

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性.2011-2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度KIC.结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对KIC的影响比较显著.随温度和加载速率的降低,KIC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系.为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据.     

边缘裂缝圆盘砂岩试体III型断裂韧度量测之研究

针对含边缘裂缝之砂岩试体受反平面剪力情形进行了III型断裂韧度量测试验,搭配相关所推导之理论公式求取砂岩III型断裂韧度。研究试验条件为无围压及单轴荷重加载下进行III型断裂试验,且针对试体受高温后之性质改变为变量条件加以探讨。研究结果表明,以该方式进行III型断裂韧度之量测,为可靠且稳定;砂岩经历温度在200 ℃前,试体III型断裂韧度会提升,之后呈现下降,到600 ℃,下降趋于平缓;随着烧结温度的提升,单压强度、动态杨氏模量、动态泊松比与III型断裂韧度皆有下降之趋势,且试体出现熔融样态,表面出现明显微裂纹。     

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性。2011—2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度K_IC。结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对K_IC的影响比较显著。随温度和加载速率的降低,K_IC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系。为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据。     

原状冻土非线性断裂韧度测试与修正

在以往原状冻土现场试验方法的基础上,针对原状冻土的非线性断裂力学特性进行了Ⅰ型和Ⅱ型断裂力学试验。在不同深度的冻胀量、冻深与时间变化规律下严格控制试样制作及试验时的温度,利用动态数据采集系统测出试样加力点处位移与力的关系曲线,并计算出相应的非线性参数。提出了利用非线性修正因子计算原状冻土断裂韧度的方法,并算出Ⅰ型、Ⅱ型直裂纹加卸载试样的非线性断裂韧度,将其与岩石断裂力学中的塑性修正因子方法的计算结果进行了对比,二者基本一致,说明该方法可以用来计算、修正原状冻土非线性断裂韧度,从而为冻土非线性理论的研究拓宽了思路。     

复合型加载条件下锈岩断裂韧度试验研究

岩石断裂韧度表征其抵抗裂纹起裂和扩展的能力,作为其力学性能的一个重要指标,在岩石力学理论研究与岩体工程应用中有着不可替代的作用。由于岩石结构的复杂性,其破坏形式大多呈现为复合型断裂破坏,研究复合型加载条件下岩石断裂韧度具有重要的意义。为了研究锈岩的断裂力学性能,以便其在建筑工业中得到更为广泛的应用,通过18个中心裂纹圆盘（CSTBD）试件径向受压试验,进行了复合型加载条件下锈岩断裂韧度的试验研究。测得了锈岩在纯I型,纯II型以及复合型加载时的断裂韧度,并将试验结果与基于广义最大周向应力（GMTS）准则的理论值进行了对比分析,结果表明：锈岩的纯I型断裂韧度为1.01 MPa?m0.5,而纯II型断裂韧度为1.51 MPa?m0.5,是纯I型断裂韧度的1.49倍,这与基于GMTS准则的理论值1.34非常接近,而比基于最大周向应力（MTS）准则的理论值0.87大很多。裂纹尖端附近的T应力及断裂过程区裂纹尖端的临界距离rc对岩石类材料的开裂路径以及复合型断裂韧度都有较大的影响。考虑了T应力的广义最大周向应力（GMTS）准则能很好的预测试验结果。     

岩石断裂韧度CCNSCB方法渐进破坏机制与无量纲应力强度因子宽范围标定

国际岩石力学学会建议了4种岩石I型断裂韧度（KIC）测试方法。将建议方法的人字形切槽巴西圆盘试样与直切槽半圆盘试样结合,可以得到具有诸多优点的人字形切槽半圆盘（CCNSCB）三点弯曲试样。近年来,CCNSCB方法受到许多关注,然而,其渐进破坏过程却尚未进行有效的评估。为此,对其进行了数值研究,其内容包括：进行细观损伤力学模拟,直观展现CCNSCB试样渐进断裂过程;考虑不同支撑跨距与直径之比（ ）的影响,发现 愈大,愈加符合测试原理,建议 取0.8;采用有限元子模型技术对CCNSCB方法（ 0.8）中计算KIC的关键参数-临界无量纲应力强度因子（ ）进行了宽范围标定,可供相关研究直接查取;细观损伤力学模拟峰值力对应的临界裂纹与有限元标定 对应的临界裂纹较为一致,证明CCNSCB方法测试原理的合理性,以及数值模拟与 标定结果的有效性。     

基于P-CCNBD试样的岩石动态断裂韧度测试方法

预裂的人字形切槽巴西圆盘(Pre-cracked chevron notched Brazilian disc,简称P-CCNBD)是将人字形切槽巴西圆盘(cracked chevron notched Brazilian disc,简称CCNBD)的切槽尖端再稍加切削制成直裂纹前沿的试样。利用霍普金森压杆对P-CCNBD砂岩试样进行径向冲击,完成I型动态断裂试验后再做数值分析得到岩石的动态断裂韧度。为了验证数值模拟的可靠性,先进行了无限平面中一条有限尺寸裂纹表面受冲击拉伸作用的动态有限元分析,结果表明,数值模拟的结果与Shi得到的结果非常吻合。将试验-数值法和他人的准静态法分别确定的砂岩的动态起裂韧度进行对比,两种方法得到的结果有一定的差异。采用试验-数值法,将比较成熟的直裂纹巴西圆盘(cracked straight-through Brazilian disc,简称CSTBD)和P-CCNBD两种试样测得的结果进行对比,两者吻合较好。得到的动态起裂韧度都有随着加载率的增加而增大的加载率效应。分析了准静态法的缺陷,认为试验-数值法得到的结果更为合理。     

动载确定方法对岩石动态断裂韧度测试的影响

为了考察不同方法确定的动态载荷对测试岩石动态断裂韧度的影响,在SHPB压杆系统上动态冲击直径80 mm的大理岩圆孔裂缝平台巴西圆盘,获得了弹性压杆上的应力波形,间接计算得到3种不同的作用在圆盘端部的动态载荷。将载荷输入ANSYS动态有限元模型中,求得了相应的动态应力强度因子,并根据试验-数值分析方法确定了岩石的动态断裂韧度测试值。结果表明,在加载速率约为4.0×104 MPa•m1/2/s的条件下,采用三波法确定的大理岩的平均动态断裂韧度为 3.92 MPa•m1/2,采用一波法比三波法计算的结果偏低11.22%,采用二波法比三波法计算的结果偏高20.15%,3种方法得到的结果差异较大。应力波在传播过程中,通过圆盘表面和预制裂缝面发生散射,部分能量不断发生释放是造成圆盘试件两端加载载荷不相等的主要原因。三波法是3种方法中比较理想的动态载荷确定方法,但需要考察试件的动态应力平衡性。     

Retention and release of methane in underground coal workings

Summary During an investigation to study the gas flow characteristics of coal, adsorption and desorption rates of methane from powdered coal samples were measured. From adsorption tests, it was found that the capacity of coal to hold methane varies significantly with gas pressure. For pressures up to 4.14 MPa (600 psi) the amount of gas adsorbed was still rising and monomolecular saturation was not reached. Results of desorption tests were used to test three equations suggested by previous investigators to measure the quantity of desorbed gas. It was confirmed that no single equation would define adequately the complete desorption process. Changes of regime appeared to exist at desorption times of 100 s and, to a lesser extent, 1000 s following the initial release of ambient gas pressure. A hypothesis was advanced that initial flow was inhibited or choked by an efflux of desorbing gas molecules. This was followed by a short transitional period and a longer term regime of free flow with reduced resistance offered by the flow paths.     

断裂韧度试样CCNBD宽范围应力强度因子标定

国际岩石力学学会（ISRM）在1995年提出了一种新型岩石断裂韧度试样--人字形切槽巴西圆盘试样CCNBD,但是,其断裂韧度计算公式中的重要参数（即无量纲应力强度因子的标定）仍存在问题。采用一种新的分片合成方法并结合有限元法,参照ISRM给出的CCNBD试样的尺寸限制,对该范围试样的应力强度因子进行了宽范围的标定,以便在试验中能因地制宜地选用不同几何参数的CCNBD试样。结果表明：分片合成方法的计算值有很高的精度,不但减少了工作量,也使标定的无量纲应力强度因子比现有文献值更加准确、可靠。     

关于煤层甲烷资源量分级的思考

通过对淮南煤田西部煤层甲烷资料的分析, 选择了煤炭储量的类别、煤层甲烷含量的有效测点密度和评价验证钻孔中参数的获取情况作为煤层甲烷资源量分级的综合指标, 建立了包括实证、控制、概略、远景和潜在等五个级别的煤层甲烷资源量的分级标准。     

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。     

煤层割理在煤层气开发中的试验研究

根据煤层割理渗透率的各向异性,采用垂直面割理和平行面割理两个方向布置钻孔抽放煤层气。测定研究表明:垂直面割理方向钻孔初始瓦斯抽放百米流量是平行面割理方向钻孔的1.2倍,衰减系数比平行面割理方向钻孔减少了53.7%。垂直面割理方向钻孔的抽放量在任何相应时期都大于平行面割理方向钻孔的抽放量。从而得出:垂直面割理方向钻孔抽放效果明显优于平行面割理方向钻孔,为探索提高煤层气抽放量找到了一条途径。     

大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验

为研究大倾角煤层水力压裂裂缝扩展形态,采用大尺寸真三轴压裂模拟系统,分别开展最大水平主应力沿地层走向和沿地层倾向的60°倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验。结果表明：最大主应力方向沿地层走向时,裂缝起裂容易,缝高受限,裂缝连通性好,裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝,形成垂直缝形态,地层倾角对压裂施工影响相对较小,建议进行大规模压裂以充分改造煤储层;最大主应力方向沿地层倾向时,裂缝起裂困难,前期缝高受限,后期缝高失控,裂缝连通性差,受节理影响,不易形成主缝,所以裂缝扩展困难,转向及多级破裂较多,此类煤层建议进行多级小规模压裂改造。实验结果对新疆等地区大倾角煤层的改造模式和改造规模具有指导作用。     

Nanomineralogy of evaporative precipitation of efflorescent compounds from coal mine drainage

Efflorescent nanophases(NPs)are found as a transitory accumulation of potentially hazardous elements(PHEs),particularly in tropical climates.The central objective of this study was to investigate the distribution of PHEs with NPs through the evaporative formation structures(EFS)of enormously PHEs-rich coal-mine drainages(CMD).The EFS were studied in natural coal mine drainage for five months in order to determine their geochemical and ecological structures and to assess their position in the reduction of PHEs in nature.The largest coal-fired power plant in South America,located in south Brazil,is used as an example of such a problem.In this work,a novel methodology for the analysis of PHEs in CMD precipitates is proposed for this affected coal area.The analytical method,combining X-Ray Diffraction(XRD)and advanced electron microscopies,shows the importance of nanomineralogy in understanding different circumstances of coal contamination.Several ultrafine-nanoparticles(UNPs)were identified in the sampled soils and river sediments together with the PHEs.A decrease in PHEs was identified in association with UNPs.However,further investigations are required with regard to the mobility of PHEs in water,atmosphere,soils,and sediments.The EPS was thoroughly studied,acquiring suitable understanding with investigational facts for Ca and Fe-sulphates,pickeringite,and several amorphous phases.     

和顺地区煤储层裂隙系统评价与渗透率预测研究

通过对沁水盆地和顺登记区周边矿井实际资料的研究,综合分析了煤储层裂隙的发育特征,15号煤储层渗透率非均质性的变化因素,并结合有效地应力的变化,对该区储层渗透率进行了预测,按其渗透率的大小分为4个类型,同时综合煤层气选区评价的其他参数认为,Ⅰ类区是下步勘探的首选目标。