单轴加载条件下煤岩超声各向异性特征实验

在煤岩弹性波响应特征研究中,较少系统地考虑轴压对煤岩纵、横波速度和衰减的影响。基于此,选取平煤八矿3种不同变质程度煤样,制备垂直层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理3类煤样,进行煤岩单轴应力作用下的超声测试。实验结果表明:(1)在自然状态下,3种变质程度煤样3个方向的纵、横波速度以及品质因子均存在各向异性,一般情况下平行层理的两个方向纵、横波速度以及品质因子均大于垂直层理方向;(2)煤岩的纵、横波速度随着轴压的增加呈现先快速增加,后缓慢增大,直至煤样破坏后波速迅速降低的阶段性变化规律,横波速度阶段性变化规律不如纵波明显;(3)3个方向品质因子都随着应力的增加呈现先增加后减小的变化趋势,且Q_s普遍比Q_p大;(4)不同变质程度煤样,纵、横波速度和品质因子差异均比较明显,1/3焦煤纵、横波速度大于焦煤大于肥煤。     

岩石各向异性实验研究及对工程勘探的影响

以不同的砂岩和大理岩为标本,对岩石的各向异性在应力应变关系、波速、动静杨氏模量、动静泊松比、抗压强度等方面的各向异性问题进行了测试和研究。通过实验得到岩石标本在平行层理和垂直层理方向上述物理性质存在着的差异情况和变化规律,分析和探讨了岩层的各向异性对工程勘探工作带来的影响情况。指出地壳介质的岩体各向异性对地球物理勘探来说是不能忽视的,尤其是各向异性会导致横波分裂,影响横波勘探的精度,但同时也有助于了解岩体中裂纹结构的信息,做出工程事故的准确预报。     

湘西桑页1井页岩弹性波速实验研究

随着页岩气勘探开发工作的不断深入,地震相关勘探技术在页岩气钻井部署和页岩气富集带或"甜点"区评价中发挥重要作用。不同应力环境下岩石的弹性波速及其各向异性实验数据是地震资料叠前反演的重要约束性基础资料,对深部页岩气地球物理探测、储层评价及甜点预测具有重要意义。本文以湘西桑页1井龙马溪组页岩、五峰组页岩及底板泥灰岩钻孔岩芯为研究对象,实验测量了不同应力条件下岩芯的弹性波速特征,计算了应力环境下的波速差异,并对比了页岩与泥灰岩的波速各向异性。结果表明,在5~100 MPa应力环境下,粉砂质、硅质和含粉砂页岩的纵波速度分别为4.8~5.1 km/s、5.1~5.3 km/s和5.2~5.5 km/s,泥灰岩的纵波速度在5.9~6.4 km/s之间;原位应力环境下,页岩与泥灰岩的纵波速度差异介于14.9%~21.7%之间;受微裂缝和层理面的影响,页岩垂直层理方向纵波速度明显低于平行层理方向,而泥灰岩的纵波速度为平行层理方向明显高于垂直层理方向。     

不同温压下岩石弹性波速度、衰减及各向异性与组构的关系

结合岩石组构分析 ,阐述了岩石弹性波传播速度和衰减以及它们的各向异性与岩石组构之间的关系。在不同温压条件下对具有很强晶格优选方位的岩石样品的研究表明 ,随着围压的增加 ,波速和Q值均增大 ,但是在相互正交的 3个方向上 (垂直或平行于层理面及线理方向 )增大的速度并不相同 ,这与微裂隙的逐渐闭合密切相关。观测到的波速和Q值的各向异性具有不同的形成机理 ,波速各向异性主要与定向分布的微裂隙和主要矿物的晶格优选方位等构造因素有关 ;高围压下Q值各向异性与速度各向异性正好相反 ,可能是由于定向排列的矿物晶体沿不同方向其边界之间接触程度不同造成的。对岩石组构的研究不仅可以揭示岩体的变形机制、变形的动力学过程及其有关的热力学信息 ,还可以对宏观岩石的各种物理性质 ,尤其是力学特性 ,从微观机理上加以解释。文中特别强调了岩石组构分析对研究岩石物理性质的各向异性具有十分重要的意义。     

冻融循环作用下层理砂岩物理特性及劣化模型

岩石在冻融环境下发生的损伤与其层理结构密切相关,同时冻融损伤作为一种综合表现,单纯考虑岩体内部某一种尺度缺陷或外部单一因素在冻融循环作用下的变化,不足以客观反映损伤情况。对垂直、平行层理试样开展0、20、40次冻融试验,首先探究了层理砂岩在冻融过程中的损伤发育特征,之后基于?100 mm SHPB试验装置,进行5种弹速下的冲击试验,分析了冻融循环条件下层理砂岩冲击破碎块度分布规律,以冻融损伤累积与破碎块度的相关性为理论依据,以力学性质的冻融劣化为思想建立了层理砂岩的冻融劣化模型,研究结果表明：冻融环境下,两种试样孔隙发育、纵波波速表现出显著差异,平行层理试样相对更容易发生损伤;各级冲击弹速下破碎块度分布与冻融循环次数之间存在正相关、负相关以及波动型3种相关关系;劣化模型基于负相关区域数据和成比例相同区域数据得到的强度、峰值应变计算值与实测值非常接近,基于正相关区域数据得到的强度计算值也与实测值有很好的一致性。     

粉砂质板岩力学特性及各向异性特性

为研究鄂西北地区板岩的力学特性及各向异性特征,开展了志留系粉砂质板岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,分析了试样的力学特性和各向异性特征以及在不同荷载作用下的变形破坏模式,揭示了不同破坏模式的力学机制,并通过数值分析研究了不同板理面角度板岩边坡破坏模式及力学机制。研究结果表明,粉砂质板岩中的板理面是影响岩体力学行为的弱面,使得粉砂质板岩表现出明显的各向异性的特征。在单轴压缩条件下,粉砂质板岩在垂直板理面方向比平行板理面方向更易变形,变形量更大;平行板理面方向加载时试样破坏类型为竖向劈裂型张拉破坏,其实质是压杆失稳;垂直板理面加载时试样的破坏类型为穿切板理面的劈裂型剪切破坏;所测得的力学参数各向异性也较明显。在劈裂荷载作用下,粉砂质板岩的破坏模式主要有张拉劈裂破坏和沿板理面剪切破坏两种,所得抗拉强度在平行板理面方向上最大,在垂直板理面方向上最小,两个方向上的抗拉强度均小于抗压强度。由于板理面间的抗拉强度极低,在受到与板理面呈小角度相交的劈裂荷载作用时,容易产生沿板理面的张拉劈裂或拉剪破坏,在实际工程中应尽量避免板理面间的受拉破坏和沿板理面的拉剪破坏。在边坡工程中,板理面倾向、倾角对边坡破坏模式及力学机制有较大影响,边坡防护治理需充分考虑这一影响。上述研究为粉砂质板岩区岩质边坡防护治理以及其他岩石工程设计与施工提供理论依据与技术基础。     

利用纵波地震资料确定方位各向异性的主方向

在方位各向异性介质中,方位各向异性的主方向就是准纵波和准横汉传播的方向,即准纵波和准横波为纯纵波和纯横波方式的方向。如果方位各向异性是由作用于一个方位各向同性背景中的定向垂直裂缝引起的,则这些主方向中的其中两个对应平行和垂直于裂缝的方向。横波穿过一个方位各向异性介质时,对与主方向有关的传播方向很敏感。     

基于层理影响的煤样加载过程声发射差异性分析

为了探究层理对煤矿开采过程中煤岩声发射特征的影响,在寺河矿采集煤样,根据煤样制作要求,分别沿轴向垂直层理方向和平行层理方向加工煤样。利用RMT-150B岩石力学实验系统和CDAE-1全数字化声发射检测及分析系统,对煤样加载过程中的应力-应变、声发射特征进行测试分析。测试结果显示:轴向垂直层理煤样不仅具有较高的岩石力学强度和声发射强度,而且声发射特征具有较强的突变性和滞后性。声发射特征的差异性体现了在加载过程中,轴向垂直层理煤样以整体变形、破坏为主,轴向平行层理煤样以局部变形、破坏为主,这为煤矿井下动力灾害的监测、预报提供了指导。      

基于实测地震波波速的围岩各向异性分析——以赣龙铁路汀州隧道为例

在赣龙铁路汀州隧道地震波反射法超前地质预报的基础上,选取地震波记录较好的57次测试成果,通过地震波激发炮孔段围岩水平、竖直方向横波波速差异性的统计分析,对围岩的各向异性进行研究。数据分析表明:围岩水平和竖直方向的横波波速不同,表现出不同程度的横波各向异性;赣龙铁路汀州隧道围岩总体上表现出竖直方向的横波波速高于水平方向的各向异性特点,围岩横波各向异性系数绝大部分在±10%以内,动弹性模量、动剪切模量、动泊松比各向异性系数的分布范围分别为-15%~15%、-20%~20%和-20%~15%;围岩的各向异性程度与围岩级别、地震波纵波波速和隧道埋深有较密切的关系;当围岩的地震波纵波波速在3 800~5 000 m/s之间或隧道埋深在60~100 m之间时,横波各向异性系数离散程度较大;在测试的Ⅱ~Ⅴ级围岩中,Ⅳ级围岩的横波各向异性离散程度最高,Ⅱ级围岩的最低。     

冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响北大核心CSCD

层状岩石具有显著的层理面结构,层理面结构的方向决定了岩石的各向异性,相邻层面的岩石物理力学性质差异和连接强度决定了各向异性的强弱,此外,层状岩石的层理结构使其易受冻融循环(FT)等风化作用的影响。为了研究冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响,分别在0、10、20、30和40次的冻融循环和0、5、15、25和40MPa的围压条件下,使用岩石三轴试验系统(GCTS)对五种不同层理倾角的层状砂岩试件进行试验。试验结果显示,冻融循环会使岩石层理面产生裂隙,更易发生沿层理面的剪切滑移破坏,冻融40次后,β=0°的试件单轴抗压强度降低14.5%,而β=67.5°的试件单轴抗压强度降低57.9%,使层状岩石的固有各向异性增强。围压对岩石的各向异性影响与其固有各向异性有关,表现为随着冻融次数的累积,围压对岩石的应力诱导各向异性由起初的增强逐渐转变为抑制。本研究可为寒区层状岩石工程的设计、施工和安全运行提供理论支持。     

岩土体导热系数研究进展

岩土体导热系数在与地热有关的地质基础研究和生产应用中有重要作用。首先介绍了导热系数的概念,然后分析了导热系数的受控因素,最后探讨了导热系数的测定方法。导热系数的受控因素包括地层岩性、孔隙率、含水率、温度以及各向异性。导热系数随地层岩性从大到小排列为海相碳酸盐岩、陆相碎屑岩、火成岩,变质岩导热系数与母岩和变质程度有关;同种岩层的导热系数随沉积过程延续或深度增加而增大;含水率对软弱岩石的导热系数影响较大,导热系数随含水率增大而增大,对孔隙度较大的岩层需进行饱水校正;不同岩性的导热系数随温度的变化较复杂,在应用中需结合实际地层考虑;由于结构面的存在,岩体的导热系数存在各向异性。导热系数的测定方法包括现场测试法、室内测试法、组分类型辨别法以及利用P波速度估算等。利用现场数据求解导热系数时常使用线热源模型和柱热源模型;室内测试法包括稳态测试法和非稳态测试法,分别应用于中低导热系数材料和高导热系数材料;对于组分类型辨别法,平行板式相分布的物体导热系数是各向不等的,热传导方向与平行板平面平行和垂直时分别具有最小和最大总体导热系数;对地下无法直接测量的地质单元,可利用P波速度估算导热系数。要得到准确的导热系数,须基于岩土体的导热系数范围和样品特征选取正确的测定方法。     

An Anisotropic Geomechanical Model for Jointed Rock Masses at Taishan Nuclear Power Station, Southern China

An anisotropic geomechanical model for jointed rock mass is presented. Simultaneously with deriving the orthotropic anisotropy elastic parameters along the positive axis, the equivalent compliance matrix for the deflection axis orthotropic anisotropy was derived through a three-dimensional coordinate transformation. In addition, Singh’s analysis of the stress concentration effects of intermittent joints was adopted, based on two groups of intermittent joints and a set of cross-cutting joints in the jointed rock mass. The stress concentration effects caused by intermittent joints and the coupling effect of cross-cutting joints along the deflection-axis are also considered. The proposed anisotropic mechanics parameters method is applied to determine the deformation parameters of jointed granite at the Taishan Nuclear Power Station. Combined with the deterministic mechanical parameters of rock blocks and joints, the deformation parameters and their variability in jointed rock masses are estimated quantitatively. The computed results show that jointed granite at the Taishan Nuclear Power Station exhibits typical anisotropic mechanical characteristics; the elastic moduli in the two horizontal directions were similar, but the elastic modulus in the vertical direction was much greater. Jointed rock elastic moduli in the two horizontal and vertical directions were respectively about 24% and 37% of the core of rock, showing weakly orthotropic anisotropy; the ratio of elastic moduli in the vertical and horizontal directions was 1.53, clearly indicating the transversely isotropic rock mass mechanical characteristics. The method can be popularized to solve other rock mechanics problems in nuclear power engineering.     

Directional dependence of P- and S-wave propagation and polarization in foliated rocks from the Kola superdeep well: Evidence from laboratory measurements and calculations based on TOF neutron diffraction

We have measured P- and S-wave velocities on two amphibolite and two gneiss samples from the Kola superdeep borehole as a function of pressure (up to 600 MPa) and temperature (up to 600 °C). The velocity measurements include compressional (Vp) and shear wave velocities (Vs1, Vs2) propagating in three orthogonal directions which were in general not parallel to inherent rock symmetry axes or planes. The measurements are accompanied by 3D-velocities calculations based on lattice preferred orientation (LPO) obtained by TOF (Time Of Flight) neutron diffraction analysis which allows the investigation of bulk volumes up to several cubic centimetres due to the high penetration depth of neutrons. The LPO-based numerical velocity calculations give important information on the different contribution of the various rock-forming minerals to bulk elastic anisotropy and on the relations of seismic anisotropy, shear wave splitting, and shear wave polarization to the structural reference frame (foliation and lineation). Comparison with measured velocities obtained for the three propagation directions that were not in accordance with the structural frame of the rocks (foliation and lineation) demonstrate that for shear waves propagating through anisotropic rocks the vibration directions are as important as the propagation directions. The study demonstrates that proper measurement of shear wave splitting by means of two orthogonal polarized sending and receiving shear wave transducers is only possible when their propagation and polarization directions are parallel and normal to foliation and lineation, respectively.     

基于声波测试法对鹰滩页岩各向异性分析

页岩储层通常呈薄层状结构,一般认为其岩石力学参数具有横向各向同性,而其各向异性受围压（CP）、含水率和总有机质含量（TOC）等多种因素的影响。本文对不同围压下的鹰滩（Eagle Ford）页岩进行超声波波速进行测试实验,研究围压对鹰滩页岩波速及岩石力学各向异性的影响。实验结果表明,鹰滩页岩属于弱各向异性多孔介质,并具有横向各向同性、垂向各向异性的性质。纵波（P波）和横波（S波）波速随围压的增大而增大,特别是在低围压范围内增幅显著,同时围压增大会降低纵波和横波的各向异性,纵波各向异性比横波各向异性对围压更敏感。对鹰滩页岩各向异性分析为页岩储层压裂过程中裂缝的起裂和延伸规律研究提供了必要的力学参数。     

沉积结构面及其对岩体力学性质的影响

基于沉积结构面的成因类型,通过理论分析和实验研究,分析了沉积结构面的变形与破坏特征,研究了沉积结构面力学特征及其力学效应,提出了弱面型层理、层系或层系组界面和岩层面以及不整合面均为沉积构造弱面,这些弱面对沉积岩体力学性质产生重要的影响。分析了沉积岩体沿层面方向和垂直层面方向岩体力学性质的差异性。研究表明,垂直层面方向的纵波速度和弹性模量要比平行层面方向低;平行层面方向的抗拉强度要大于垂直层面方向;而平行层面方向的抗压强度与凝聚力小于垂直层面方向。沉积岩体易于产生垂直于结构面方向的张性破坏和沿结构面方向的剪切破坏,在采动影响下顶板岩体易于沿岩层层面产生离层破坏现象,这进一步揭示了沉积结构面变形与破坏机制。      

Experimental and texture-derived P-wave anisotropy of principal rocks from the TRANSALP traverse: An aid for the interpretation of seismic field data

A representative suite of deformed, metamorphic rocks from the TRANSALP reflection seismic traverse in the Eastern Alps was studied in the laboratory with respect to elastic properties and whole-rock texture. Compressional wave (P-wave) velocities and their anisotropies were measured at various experimental conditions (dry, wet, confining pressure), and compared to the texture-related component of anisotropy. Here ‘texture’ refers to crystallographic preferred orientations (CPOs), which were determined by neutron texture goniometry. In gneisses and schists P-wave anisotropies are mainly controlled by the microcrack fabric. In marbles and amphibolites CPO contributes very significantly to anisotropy. At 200 MPa confining pressure the degree of anisotropy is between 5% and 15%, depending on rock composition and/or CPO intensity. Special emphasis was also put on discussing possible effects of fluids on seismic velocity and anisotropy. Distributions of water-filled microcracks and pores are distinctly anisotropic, with maximum contribution to bulk rock velocity mostly parallel to the foliation pole. Decreasing P-wave velocity and increasing anisotropy of immersed samples may be explained by crack-induced changes of the elastic moduli of bulk rock. The main conclusion regarding interpretation of TRANSALP data is that strong reflections in the deep Alpine crust are probably due to marble–gneiss and metabasite–gneiss contacts, although P-wave anisotropy and boundaries between zones of ‘dry’ or ‘wet’ series may contribute to reflectivity to some extent.     

郯庐断裂南段糜棱岩波速变化及油气地质意义

为探索深部无机成因天然气（CO2等）的封盖条件，特选定构造滑脱带韧性断层岩（糜棱岩）作为对象，采用超声波方法，对糜棱岩的波速进行了测试和计算。结果表明，糜棱岩波速与岩石组构，构造应力及成藏条件之间有着密切的关系。波速与孔隙程度呈反相关（VPZ=5.96-0.89φ），波速与其密闭性之间有着很好的相关性。岩石表面出明显的各异性，最小波速方向为油气的封闭方向，而最大波速方向为油气运移的有利方向。     

节理岩体超声测试及单轴压缩试验研究

为了获取节理岩体各向异性力学特性和声波传播规律的相互关系,通过制作圆柱形单一预制贯通节理试件,开展了7种不同倾角节理试件的超声波波速测试和单轴压缩试验。试验结果表明：（1）节理试件波速测试值离散性较大,但总体服从正态分布,波速平均值介于石膏试件和完整试件之间,波速随节理倾角增大呈线性递减;（2）不同倾角的节理面对节理试件力学特性的影响很大,在应力-应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式上均表现出显著的各向异性特征;（3）节理试件的力学性质和超声波传播特性变化规律区别很大,采用超声波波速确定节理试件的力学参数会存在很大误差。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现：（1）同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;（2）结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;（3）随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。