单轴加载煤孔裂隙各向异性核磁共振特征

为了研究煤孔裂隙各向异性,进一步揭示煤微观结构及物性特征。选取平顶山矿区八矿煤样,采用核磁共振（NMR）方法,对比分析单轴加载前后煤样的横向弛豫谱（T₂）特征和核磁成像（MRI）特征。实验结果表明,煤的T₂谱特征具有显著的各向异性：平行于层理且垂直主裂隙X方向T₂谱为3峰谱图,平行于层理且平行主裂隙Y方向T₂谱为双峰谱图,垂直层理Z方向T₂谱主要以单峰为主;单轴加载后煤样T₂谱面积、孔隙度减小,X、Y方向煤样孔隙变化引起的峰面积所占比例下降,裂隙变化引起的峰面积占比例上升;Z方向裂隙变化引起的峰面积占比例下降;MRI揭示出,单轴加载后平行层理方向煤样孔裂隙大部分闭合,部分裂隙产生径向变形;加载方向裂隙大部分闭合,压实效应显著。综上所述,单轴加载下,煤样各向异性特征显著,同时表明核磁共振技术是研究煤孔裂隙微观变化的有效手段。     

不同应变率单轴加载条件下页岩的各向异性力学行为

基于静载条件下的常规力学试验可以证明,页岩层理面的存在是导致其力学行为各向异性的主要原因,而应变率的变化势必也影响着页岩各向异性特征的变化。为探究应变率对页岩各向异性力学行为的影响,分别在10-4 s-1、5×10-4 s-1、10-3 s-1和10-2 s-1 4种应变率条件下对不同层理角度的页岩进行单轴压缩力学试验。研究表明:（1）页岩弹性模量的各向异性程度随应变率升高而减弱,泊松比的各向异性程度受应变率的影响不明显;（2）页岩峰值强度随应变率升高而增加,其中45°~60°试样应变率敏感性最强,页岩的强度各向异性度随应变率升高而降低;（3）随着应变率升高,层理面对页岩破坏模式的控制作用得到削弱,破坏模式的各向异性程度减弱。总体而言,页岩的各向异性力学特征随应变率升高而减弱,研究结论有助于页岩力学行为的深入理解。     

煤岩电阻率各向异性特征浅析

<正>电阻率是衡量煤岩导电性的重要参数,是煤岩导电性最直观的体现。煤矿电法勘探的物性前提就是煤岩与周围岩石的电阻率差异(陈健杰等,2011)。传统的电法勘探将煤岩视为电性均一体,然而实际并非如此,自然界中的煤岩常常存在电性各向异性。研究煤岩电阻率各向异性特征,对进一步了解煤岩电性特征、促进电法勘探技术发展具有重要意义。本文主要对我国不同地区的8块煤岩进行了三方向电阻率测量,并计算了各向异性系数,为今后研究煤岩电阻率各向异性提供参考。     

单轴压缩下龙马溪组页岩各向异性特征研究

层状页岩的各向异性在页岩气开采中十分重要,以龙马溪层状页岩为研究对象,对不同层理方向取芯、平行于层理面取芯的页岩进行了电镜扫描和单轴压缩试验。结果表明:页岩的微观描述、单轴压缩参数各向异性明显;应力-应变曲线属于Ⅱ类曲线,且5个阶段不明显;破坏类型主要有3种:0°~15°时为竖向劈裂型张拉破坏,30°~60°时为沿层理弱面的剪切滑移破坏,75°~90°时为穿切层理面的剪切破坏,取芯角度不同,对应的曲线之间差异较大。与层理面成30°时单轴抗压强度最小,0°和90°附近相对较大;弹性模量和纵波波速相关性较好,都随着角度的增加而减小;平行于层理面取芯的样品其横观各向异性不明显,可近似看作横观各向同性体;微裂隙发育、独特的破坏类型是造成各向异性的主要原因。     

单轴压缩条件下泥岩加载速率变化效应研究

通过对泥岩在4种不同加载速率(0.005、0.05、0.5、3mm/min)下进行的系列性单轴压缩试验和分级蠕变试验,研究了加载速率及其变化对泥岩的变形强度特性和蠕变变形的影响规律。结果表明,泥岩具有明显的加载速率变化效应且表现为等速黏性特性,即:以定速率加载时,不同速率对应不同的应力-应变关系;在变速率加载时,随着加载速率的变化,泥岩的应力-应变关系也随之改变。此外,泥岩蠕变前的加载速率对蠕变变形量和蠕变速率也有显著影响。随着泥岩蠕变前加载速率的增大,蠕变变形量和蠕变速率呈现出逐渐增大的趋势。泥岩的蠕变速率随着时间的推移表现出逐渐衰减的规律,其衰减过程可分为线性衰减、对数衰减和稳定3个阶段。基于三元件模型框架和加载速率变化效应,建立了泥岩的弹黏塑性本构模型,并将其用于泥岩室内试验的数值计算。对比模型计算结果与试验结果发现,弹黏塑性本构模型可以较好地描述单轴压缩条件下泥岩的加载速率变化效应。     

单轴压缩条件下闪长岩的声发射特征

外荷作用下的岩石变形破坏过程可以用岩石声发射特征来反映。本文以闪长岩为研究对象,将岩芯沿与岩芯轴线夹角分别为0°、45°、90°方向加工成直径为50 mm、高为100 mm的圆柱状试样,进行了试样的单轴压缩试验和声发射试验,将声发射特征参数(包括振铃计数、事件数、能量)用瞬时参数与累计参数来表征,分析了岩石变形破坏过程中声发射特征参数的变化情况,研究了传感器位置对声发射参数的影响,提出了Kaiser点的确定方法。结果表明,根据振铃计数与声发射事件数,声发射过程可分成声发射活跃期和声发射平静期;声发射活跃期共有三次,每次持续时间均短暂且均伴随着裂隙的产生与扩展,声发射平静期共有两次、分别发生于新生裂隙出现之后和岩石完全破坏之前;能量在岩石完全破坏前一段时间内释放较少,在岩石破坏时释放很多;传感器位于试样上部和下部时声发射特征参数整体变化趋势一致,但位于下部时声发射参数变化更具有明显的三次声发射活跃期和两次声发射平静期; Kaiser点可以结合声发射特征瞬时与累计参数准确确定。研究成果对分析岩石的变形破坏机理具有一定的参考价值。 更多还原     

单轴压缩条件下大理岩破裂过程声发射频谱演化特征实验研究

开展大理岩单轴压缩声发射实验,采用快速傅里叶变换获得声发射信号二维频谱图,提取其主频及次主频,进一步选用表征声发射信号频谱的主频与次主频的比值α和主频幅值与次主频幅值的比值β,结合分形理论研究大理岩破坏过程声发射频谱演化特征。研究结果表明,(1)大理岩破裂过程声发射次主频特征绝非全部波形的共有现象,仅为部分信号所特有,可以将声发射信号分为仅存在主频、不存在次主频的A类信号与主频、次主频同时存在的B类信号;(2)在岩石损伤的裂隙扩展至破坏阶段,A、B两类信号事件率中的较低值减少消失,累积事件数增长速率明显增大;(3)声发射信号主频带与次主频带分布规律相似,表现为连贯密集的条带状演化特征;(4)α、β均具有分形特征,其关联维数随着岩石损伤的增加表现出不同特征的降维现象。     

单轴加载煤体破坏特征与电荷规律研究及应用

为了完善电荷感应方法用于冲击地压的预测预报,利用自主研制的电荷监测系统开展了室内单轴压缩条件下煤样破裂电荷监测试验。重点分析了煤样的破坏类型、力学特性以及不同破坏类型下电荷时-频域信号规律,并对试验结果进行了工程验证。研究结果表明：煤样变形破坏特征可分为单剪型、共轭剪切型和破碎型;单剪型煤样电荷时域信号仅在峰后破坏初期,应力跌落至97% 左右时产生,前兆信息难以捕捉,信号具有孤立性,幅值较高,电荷频率分布离散,主频为250 Hz。此特征电荷信号预示着相应工程煤体可能发生局部化破坏,将集聚的能量瞬间释放,冲击危害程度较大;共轭剪切型煤样电荷时域信号在强化损伤后期,应力达到(85%～100%) 时开始产生,信号具有间隔突发性,主频为150 Hz。预示着煤体可能发生分区化破裂,能量间断释放,冲击危害程度次之;破碎型煤样电荷时域信号在强化损伤初期,应力达到(70%～85%) 时就开始产生,前兆信息易于捕捉,信号具有群发性,幅值较低,主频为0 Hz。预示着煤体可能发生均匀型破碎,能量缓慢释放,冲击危害程度较小。现场监测结果表明,在工作面煤体破碎区和发生煤炮时监测到的电荷信号特征,与试验室煤样发生均匀型破碎和单剪型破裂而产生的电荷信号特征具有高度相似性,验证了试验室结果的可靠性。     

单轴加载煤体破坏特征与电荷规律研究及应用

为了完善电荷感应方法用于冲击地压的预测预报,利用自主研制的电荷监测系统开展了室内单轴压缩条件下煤样破裂电荷监测试验。重点分析了煤样的破坏类型,力学特性以及不同破坏类型下电荷时-频域信号规律,并对试验结果进行了工程验证。研结果表明:煤样变形破坏特征可分为单剪型、共轭剪切型和破碎型;单剪型煤样电荷时域信号仅在峰后破坏初期,应力跌落至97%cσ左右时产生,前兆信息难以捕捉,信号具有孤立性,幅值较高,电荷频率分布离散,主频为250Hz。此特征电荷信号预示着相应工程煤体可能发生局部化破坏,将集聚的能量瞬间释放,冲击危害程度较大;共轭剪切型煤样电荷时域信号在强化损伤后期,应力达到85～100%σ_c时开始产生,信号具有间隔突发性,主频为150Hz。预示着煤体可能发生分区化破裂,能量间断释放,冲击危害程度次之;破碎型煤样电荷时域信号在强化损伤初期,应力达到70～85%σ_c时就开始产生,前兆信息易于捕捉,信号具有群发性,幅值较低,主频为0Hz。预示着煤体可能发生均匀型破碎,能量缓慢释放,冲击危害程度较小;现场监测结果表明,在工作面煤体破碎区和发生煤炮时监测到的电荷信号特征,与试验室煤样发生均匀型破碎和单剪型破裂而产生的电荷信号特征具有高度相似性,验证了试验室结果的可靠性。     

单轴加载煤体破坏特征与电荷规律研究及应用

为了完善电荷感应方法用于冲击地压的预测预报,利用自主研制的电荷监测系统开展了室内单轴压缩条件下煤样破裂电荷监测试验。重点分析了煤样的破坏类型,力学特性以及不同破坏类型下电荷时-频域信号规律,并对试验结果进行了工程验证。研结果表明:煤样变形破坏特征可分为单剪型、共轭剪切型和破碎型;单剪型煤样电荷时域信号仅在峰后破坏初期,应力跌落至97%cσ左右时产生,前兆信息难以捕捉,信号具有孤立性,幅值较高,电荷频率分布离散,主频为250Hz。此特征电荷信号预示着相应工程煤体可能发生局部化破坏,将集聚的能量瞬间释放,冲击危害程度较大;共轭剪切型煤样电荷时域信号在强化损伤后期,应力达到85～100%σ_c时开始产生,信号具有间隔突发性,主频为150Hz。预示着煤体可能发生分区化破裂,能量间断释放,冲击危害程度次之;破碎型煤样电荷时域信号在强化损伤初期,应力达到70～85%σ_c时就开始产生,前兆信息易于捕捉,信号具有群发性,幅值较低,主频为0Hz。预示着煤体可能发生均匀型破碎,能量缓慢释放,冲击危害程度较小;现场监测结果表明,在工作面煤体破碎区和发生煤炮时监测到的电荷信号特征,与试验室煤样发生均匀型破碎和单剪型破裂而产生的电荷信号特征具有高度相似性,验证了试验室结果的可靠性。     

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。     

基于图像分割的煤岩割理CT图像各向异性特征

利用工业CT对自然煤岩样进行断层扫描观测。针对煤岩裂隙系统的多尺度、各向异性特征,应用Canny算子图像分割与方向性边缘检测技术,提取煤岩CT图像割理的总体特征、水平方向和垂直方向特征;根据特征图像计算了煤岩样的总体分形维数、孔隙度,各向异性分形维数与孔隙度及其在三维空间中的分布;讨论了分形维数与孔隙度、渗透率之间的关系,并根据煤岩样的分形维数、孔隙度对实际工程岩体的孔隙度和渗透率进行了外推计算。研究表明,煤岩样不同扫描断面的分形维数和孔隙度不同,同一煤样同一断面不同方向的分形维数与孔隙度亦不相同。利用图像分割与边缘检测对工业CT图像进行分析,可以对煤岩的各向异性分形维数与孔隙度在2D与3D空间进行精细描述。     

单轴压缩条件下岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征研究

岩溶化裂隙岩体是普遍发育于自然界中具有初始损伤的岩体。为了研究岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征,本文以贵州某地赋存的溶蚀岩体为研究对象,运用损伤力学理论构建岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤演化模型,并建立岩溶化裂隙岩体损伤演化方程。采用颗粒流数值软件进行单轴压缩数值试验,进一步研究岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的损伤演化特征,分析岩溶化裂隙岩体的微观损伤特征。结果表明：岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。岩溶化裂隙岩体的初始损伤随着溶蚀率的增加而增加,最终增加速率趋于平缓;岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型变化,先缓慢增加,再迅速增加,最后缓慢增加至损伤值1;岩溶化裂隙岩体存在异构特征,导致破坏裂隙起源于具有初始损伤的溶蚀孔洞和裂隙处,随后裂隙经历萌发、扩张和剪切作用、数量和长度增加以及裂隙贯通4个阶段后发生宏观破坏。     

沁水盆地煤岩高温高压实验变形特征

对沁水盆地不同地区选取的5组煤岩样品进行高温高压变形实验,结果证实,在相同的实验条件下,(1)采自不同地区的煤岩强度在较低温压条件下表现出一致性,在较高温压条件下显现出差异性;(2)高煤级煤No.3煤样在某一温压条件下（100℃、100MPa）,应力应变强度都是最低的,为煤岩组分影响的结果。在不同的实验条件下, 煤岩在高温高压条件下（温压大于200℃、200MPa）,随着温度与围压增高,应力应变强度在降低,但这主要是温度影响的结果。在温压为100℃、100MPa和500℃、500MPa时,煤岩应力应变强度均很低,但却存在着本质的差别:前者产生的应力应变强度只有部分真实地代表了煤岩的强度（应变量ε<3％）,而持续的应力应变强度（应变量ε>3％）则是围压作用的结果;后者煤岩低应力应变强度显示出明显的韧性状态, 主要表现在温度对煤岩产生的影响。     

鄂尔多斯盆地东部煤岩孔隙特征实验分析

煤层气储层孔隙结构特征决定着煤层的吸附能力。利用低温氮吸附法和汞侵入法对鄂尔多斯盆地东部地区煤样的孔隙特征进行测试,并分别对煤样的低温氮吸附孔隙特征和汞侵入孔隙特征进行分析。在此基础上,综合两种实验的测试结果,对煤样的孔隙类型进行分类。压汞实验表明:压汞曲线和退汞曲线相似性较好,两者之间的间距很小,退汞效率达65%~75%;液氮实验表明:低变质煤孔以一端封闭的孔为主,随着煤变质程度的增加,先是较大的孔变为两端开放的孔,接着较小孔变为两端开放的孔,到了无烟煤阶段微孔也变成以两端开放的孔为主。综合两种结果,认为煤样的孔隙中以微孔和过渡孔为主,并且微孔和过渡孔是构成煤样孔隙容积的主要贡献者,大孔和中孔的总孔容所占比例较小。鄂尔多斯盆地东部煤岩的孔隙特征有利于煤层中气体的吸附,是煤层气储层的良好场所。     

单轴加载过程中砂岩声学特性研究

岩体的声学特性与应力状态和破坏程度密切相关,通过岩体声学特性的变化来分析岩体应力状态进而评价工程稳定性是一种行之有效的工程措施。针对砂岩开展了单轴压缩试验,并在加载过程中同步进行3个方向的声波测试,获得了砂岩加载过程中3个不同方向声波波速与应力的演化规律。试验结果表明：随着应力的增加,轴向波速逐渐增大,横向波速表现出先增后减的趋势。考虑到不同方向声波测试结果的差异性,采用含不同倾角裂隙的石膏试样进行声波试验。结果表明,当裂隙方向与声波传播方向一致时,波速最大,与声波传播方向垂直时,波速最小;此外,为分析岩样波速与应力状态的相关性,建立了波速与体应变的关系,结果表明,随着体应变的增加,平均波速逐渐增大,在体应变达到最大值附近时,平均波速达到最大值,在体应变下降阶段,波速开始下降;根据轴向波速与应力的变化规律,得到了应力与波速的指数函数拟合公式,据此可以通过现场测试获得的波速预测现场岩体的应力范围,进而评价工程岩体稳定性。     

单轴压缩条件下不同含水率黑云母二长花岗岩破坏特征与机制

花岗岩在不同含水率条件下的变形破坏特征和机制对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义.开展不同含水率黑云母二长花岗岩单轴压缩试验,分析破坏特征和应力-应变曲线特征,开展断口扫描电镜试验,分析微观形貌特征,研究破坏机制.试验结果表明:黑云母二长花岗岩具有明显的应变软化特征;随含水率增大,曲线上微裂隙压密阶段长度逐渐增加,稳...     

三轴加载下煤岩脉冲水力压裂扩缝机制研究

为了研究煤岩脉冲水力压裂扩缝机制,利用三轴加载脉冲水力压裂试验系统,分别从改变脉冲频率和压裂液黏度两个方面对煤岩进行了水力压裂室内试验。试验结果表明:脉冲压力和声发射对压裂过程的响应情况可将煤岩脉冲水力压裂扩缝过程分为零散萌生、均匀扩展、突变贯通和破裂终止4个阶段,其中声发射定位点空间展布的平均速率在均匀扩展和突变贯通阶段较零散萌生阶段分别提高了4.6倍和9.6倍;声发射b值曲线的趋势显示,均匀扩展阶段煤岩内部以小尺度的微裂纹破裂为主,突变扩展阶段煤岩内部出现了较大尺度主裂缝扩展,并且部分b值曲线呈现出山脊线状与阶梯状相结合的特点;在达到最佳压裂脉冲频率前,高频脉冲压力作用的煤岩,扩缝过程的均匀扩展阶段和突变贯穿阶段的延续时间比低频对应的延续时间短;随着压裂液黏度增高,扩缝过程均匀扩展阶段的延续时间呈缩短趋势,但突变贯穿阶段的延续时间却有增长的趋势。     

高温高压和控制氧逸度条件下透辉石电导率的各向异性实验研究

在1.0～4.0GPa 和1073～1373K 及控制氧分压条件下,借助于 YJ-3000t 紧装式六面顶固体高压设备和1260阻抗/增益-相位分析仪,就位测定了沿着不同晶轴方向的透辉石的电导率。氧逸度控制是由 Ni+NiO 固体缓冲剂完成的。实验结果表明:(1)在选择的频率范围,无论从复阻抗的模与频率还是从相角与频率关系上,部可以看出复阻抗对频率具有很强的依赖性;(2)随着温度升高,阻抗降低,电导率增大,Logo 与1/T 之间符合 Arrenhius 线性关系式;(3)随着压力升高,[001]方向的透辉石电导率降低,活化焓和指前因子亦随之减小,并首次获得了透辉石中主要载流子的活化能和活化体积分别为1.80±0.04eV 和0.035±0.015cm~3/mol;(4)在2.0GPa 下按照[001]、[100]、[010]的顺序,样品的电导率和指前因子降低,活化焓依次升高,高压下的透辉石电学性质存在各向异性;(5)小极化子导电机制可为透辉石在高温高压下的导电行为提供合理的解释。     

单轴拉伸条件下岩石本构理论研究

利用损伤力学理论研究了细观非均匀性岩石拉伸应力应变关系,包括:线弹性阶段、非线性强化阶段、应力降阶段、应变软化阶段。所用的模型分析了岩石的细观各向异性对全过程应力应变关系的影响,分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果对比分析验证了模型的正确性和有效性。