裂纹扩展和连接过程的近场动力学数值模拟

利用传统应变能密度与近场动力学的应变能密度相等以及近场动力学的基本方程,推导了以状态为基础的近场动力学基本方程。引入损伤理论,对以状态为基础的近场动力学基本方程进行离散化,编制了近场动力学数值分析程序。利用近场动力学理论对经典的带孔单侧拉伸板破裂过程及双向拉伸状态下岩石裂纹扩展和连接过程进行了数值模拟,并与RFPA2D数值结果进行了对比分析。结果表明,以状态为基础的近场动力学理论不仅突破了以键为基础的近场动力学理论恒定泊松比的限制,而且不需要借助任何外部断裂准则就能很好地模拟裂纹的扩展和连接过程,相对于其他的数值模拟方法具有很大的优势,同时也给裂纹的扩展和连接的数值模拟提供了更好的思路。     

模拟水压致裂的另一种二维FDEM-flow方法

可考虑岩石本身渗透性的FDEM-flow方法充分利用原FEMDEM中节理单元和三角形单元独特的拓扑连接关系,将节理单元作为流体流动的天然通道,基于立方定律来表征流体在岩石本身及裂隙中的流动,而岩石本身渗透性则通过标定合适节理单元张开度来表征。用一个含解析解自由面稳态渗流算例初步验证了本文渗流算法及标定岩石本身渗透率方法的正确性。最后计算了一个水力压裂算例,验证了该FDEM-flow方法可同时考虑岩石本身的渗透性和裂隙的渗透性,用简单的纯裂隙渗流完成了对复杂问题的处理。研究结果表明:修改后的FDEM-flow方法能够很好地再现压裂过程中流体压力的分布及裂隙的扩展,可简洁地求解水力压裂这一复杂力学的问题,适用范围更广。为模拟页岩气开采、干热岩地热获取中的水力压裂问题提供新的求解工具。     

井下高压水射流切割煤层增透效果数值模拟

针对井下高压水射流切割煤层增透技术,利用FLAC3D数值模拟软件,建立三维有限元模型,对不同煤体结构（软煤、硬煤）、切割深度和切割环数等因素的卸压增透效果进行数值模拟分析。模拟结果表明:在水力切割相同半径下,软煤的卸压范围约为硬煤的1.8倍,变形量约为硬煤的2.6倍;水力切割半径由0.5 m增至1 m时,煤体中应力降低为90%的区域和煤体变形量分别提高到1.56倍和1.66倍;相邻切割缝槽之间出现了交互影响,钻孔的卸压范围和煤体变形量显著增大,水力切割区域煤体呈现整体卸压状态。将数值模拟的卸压范围与理论公式计算结果进行了对比,二者之间的误差为0.46%~9.84%,表明采用数值模拟技术研究水力切割增透效果是可靠的。      

疏干排水矿区闭坑后岩溶塌陷形成机理探索——以湘中地区恩口煤矿为例

恩口煤矿已关停20年,地下水位已恢复,但地面塌陷灾害时有发生,为了探讨恩口煤矿闭坑后的岩溶塌陷成因机理,总结水位恢复中与恢复后的致塌模型,文章梳理了恩口煤矿区岩溶塌陷的时空分布、土体结构等基本特征,着重于分析煤矿闭矿后岩溶塌陷的发生与地下水位恢复过程的相关性,提出水位恢复中与恢复后2个阶段发生岩溶塌陷的成因机理与致塌模式。第1阶段,主要致塌模式为浮托—软化型,理论模型来源于基坑突涌的产生条件公式,发育地段主要集中在以往塌陷密集分布区,与采矿降水过程中加速土洞的形成相关,塌陷发生的数量明显低于疏干排水过程;第2阶段,致塌模式为潜蚀—失稳型,是指由地下水位在岩土界面自然波动引发的岩溶塌陷,仅零星发生。文章为娄底市进行地质灾害易发性、危险性评价与防治规划,提出科学、经济、可行的防治措施与建议,同时,为湘中类似地区的岩溶塌陷预测与防治区划提供参考。      

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。     

传统物探方法在覆盖区找矿中的有效性研究——以安徽省霍邱县何家圩子铁矿勘查为例

重、磁、电等传统的物探方法在过去的矿产预测和地质找矿中发挥着重要作用,但随着找矿工作向深部和覆盖区拓展,对这些方法提出了更高的要求。本文以安徽省霍邱县何家圩子铁矿勘查为例,遵循覆盖区找矿一般工作流程,对传统物探在该区找矿的有效性进行了阐述,以期能够对同行在相似区域开展找矿工作起到一丝参考价值。     

深部地热资源开采对浅层地下水的影响分析

为了获取北京市西集地区深部地热资源和浅部含水层间是否存在水力联系,选取研究区内的两眼地热井(西集-1井和京通-2井)进行抽水试验,并同时选取两眼地热井周边的14眼凉水井进行水位监测。试验结果表明,在对两眼地热井进行抽水试验时,周边14眼凉水井的水位未发生明显降低,暗示了深部地热水与浅部含水层并不存在水力联系。区内发育了巨厚的古近系和新近系,其岩性以泥岩和粉-细砂岩为主,是有效的隔水层,隔绝了深部地热水与浅部第四系凉水的水力联系。     

鄂尔多斯地块南缘地应力测量研究

利用水压致裂法得到的地应力测试数据对鄂尔多斯地块南缘地壳浅部地应力分布规律及断层活动性进行研究。结果表明:（1）两个水平主应力随深度线性增长,应力梯度分别为0.032和0.021,在测量深度域内水平和垂直应力的关系为S_H > S_h > S_V,该应力状态有利于断层发生逆断层活动,与1556年华山大地震的发震正断层的性质不同;（2）研究区的最大水平主应力方向为北南-北北西向,与区域速度矢量场方向一致,与其他资料解译的区域构造应力方向有一些差异,主要是受鄂尔多斯地块周缘断层活动的影响;（3）利用Mohr-Coulomb准则及Byerlee定律,摩擦系数取0.6~1.0,对研究区的地应力状态进行分析,发现鄂尔多斯地块南缘的测点未达到或超过地壳破裂极限状态,不存在断层失稳或地震等其他形式的地壳活动,处于较稳定地壳应力状态;（4）实测数据为该区补充了新的地应力测量资料,研究结果为该区工程设计及建设、构造应力场数值模拟提供了边界条件,对于该区地质灾害评价、地壳稳定性以及大陆动力学的研究具有重要意义。      

不同偏置裂纹充填体断裂特性试验

为了研究含缺陷胶结充填体的断裂特性,分别设置了裂纹偏置比为0、0.25、0.50、0.75,缝高比为0.10、0.25、0.50的胶结充填体试件进行三点弯曲试验,利用高速摄像机进行裂纹扩展模式全程捕捉,借助二维颗粒流软件PFC2D对充填体裂纹扩展全程、破断方式及断裂机制进行分析。试验结果表明：相同缝高比下,随着裂纹偏置比的增加,断裂峰值荷载越大;当偏置比一定时,随着缝高比的增加,断裂峰值荷载越小;裂纹偏置比在0、0.25和0.50时,裂纹从偏置处扩展,且随着偏置比的增加,偏折角增大;裂纹偏置比在0.75时,裂纹从中心处扩展;断裂裂纹可分为3个阶段,且呈锯齿状扩展并在发育的过程中不断有碎裂状颗粒产生和脱落。利用二维颗粒流模拟充填体试件的力链网络、速度场及破断方式,结合其宏观力学的试验结果进行对比分析,探讨了细观断裂机制,其断裂时的峰值荷载与试验值相差不超过3.8%。     

应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子试验研究

基于扩展裂纹尖端附近应变场分析,采用冲击载荷作用的三点弯曲梁进行试验,开展了应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的研究。明确了应变片与裂纹扩展方向之间朝向角为特定锐角和钝角条件下,动态裂纹尖端附近的归一化应变采用与裂纹扩展速度、应变片黏贴位置相关的二项式来表示,给出了二项式的相关系数确定过程和动态应力强度因子计算式。结果表明,二项式的理论计算的应变与时间关系变化曲线与试验实测相吻合;选取曲线最大值两侧3/4峰值处的时间差为特征时间?t时,理论计算结果与实测的应变与时间关系一致性较高;选用理论计算和试验实测的应变与时间关系变化曲线最大值,结合计算式,确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子,同时,与采用动焦散线法计算的结果进行对比,验证了应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的可行性。研究过程为应变片法在岩石断裂力学特征量的测定提供了理论基础。