岩石破坏位移协调系数与GNSS数据的地震预测方法研究

本文以小尺度的岩石破坏试验为基础, 提出了以岩石表面多点位移信息预测岩石失稳破坏的短临前兆指标-位移协调系数(DCC).基于GNSS数据, 分析了DCC指标在大尺度地震中的演化特征, 提出了基于GNSS数据的DCC指标地震预测方法.研究结果表明: 在岩石弹性承载阶段, DCC在较低水平波动;当承载达到岩石峰值强度95%~99%时, DCC出现突增是预测岩石失稳破坏的重要前兆指标.通过大量试验统计, 确定了岩石从弹性变形到塑性变形转变的岩石弹塑性临界阈值范围为0.98±0.2.当DCC大于弹塑性临界阈值时, 岩石即将发生失稳破坏.基于GNSS数据计算获取三个地震案例震前的DCC指标与岩石破坏过程中DCC指标的演化特征具有相似性, 当DCC指标达到弹塑性临界阈值后大地震将在3~16天发生, 验证了将DCC指标作为预测地震发生短临前兆的有效性.同时, 地震发生区域可以利用震前GNSS数据绝对变形场重构方法通过异常变形区进行确定, 且根据DCC达到阈值时刻的异常变形区面积与地震震级呈对数关系, 可估算地震震级.研究结果对基于GNSS数据建立和完善地震短临预测方法具有重要的意义.

热力耦合作用下有机类岩石渗透率演化规律及机理

在原位改性流体化采矿中,利用高温对矿床进行处理是一种有效方法。探明原位条件下有机类矿层的热解特性、细观结构、渗透率、变形等随温度的演化规律对资源的高效开采具有重要意义。利用高温高压三轴试验机结合含应力显微CT扫描技术,研究了热力耦合作用下3种有机类岩石(油页岩、烟煤及页岩)的渗透率、热解产气、细观结构及轴向变形随温度(≥300℃)的演化规律,同时结合热解产气、轴向变形及细观结构对渗透率演化机理进行了探究。结果表明:热力耦合作用下,有机类岩石的渗透率演化存在阈值温度,在轴压10 MPa,围压7 MPa的应力条件下,油页岩、烟煤及页岩的阈值温度分别为400、450及500℃;当热解温度小于阈值温度时,有机类岩石的渗透率由岩石强度主导,孔裂隙随温度的升高而闭合,渗透率与温度呈负相关变化;当热解温度大于阈值温度时,有机类岩石的渗透率由岩石的热解程度主导,孔裂隙随温度的升高逐渐发育并沟通,渗透率与温度呈正相关变化;进行阈值温度前后特性比较,油页岩热解程度与岩石强度在3种岩石中提升幅度最大,有机质热解并排出促进了孔裂隙的新生及连通,岩石强度的增大减弱了应力对岩石孔裂隙的压缩闭合作用,油页岩的渗透率呈现大幅度的提升。

基于PFC^(3D)的花岗岩剪切破裂细观裂隙与能量演化规律探究

为了探究法向应力对岩石剪切过程中细观损伤演化的影响,开展了不同法向应力作用下的花岗岩直剪试验与PFC^(3D)数值模拟试验,结合声发射信号监测及声发射信息特征值RA(上升时间与振幅的比值)与AF(声发射振铃计数与持续时间的比值)的分析,对花岗岩在不同法向应力作用下剪切变形过程中细观微裂纹及能量演化特征进行了研究,研究结果表明:基于平行黏结接触模型建立的PFC^(3D)模型,不仅在宏观力学参数与破坏模式上与岩石物理试验相近,而且在岩石细观裂纹与能量演化规律上也与岩石物理试验基本一致;花岗岩剪切破坏过程中主要产生张拉裂纹,峰值应力点前产生的微裂纹只占裂纹总数的10%~30%,且法向应力越大,峰值应力点前岩石内部产生的微裂纹数量越少;花岗岩剪切变形过程中,声发射信号可以分为平静期、稳定期和加速期,法向应力越大,平静期越明显,即法向应力对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用;随着法向应力的增大,花岗岩剪切破坏过程中,声发射累计振铃计数与岩石内部微裂纹总数均逐渐增大;随着法向应力的增大,花岗岩剪切破坏过程中产生的剪切裂纹数量及其占微裂纹总数的比例均逐渐增加;花岗岩剪切变形过程中外力做功转化为弹性能与耗散能,随着法向应力增大,岩石剪切破坏所需总能量逐渐增大,弹性能与耗散能近似线性增大,且其中耗散能所占的比例逐渐增大。

水/CO_(2)对平直节理砂岩剪切力学特性的影响

【目的】注水和CO_(2)会改变平直节理岩石的剪切特性,从而直接影响封存地层的稳定性。探究注水和注CO_(2)对节理岩体剪切特性的影响规律。【方法】对平直节理砂岩进行干燥、注水和注CO_(2)三种试验条件下的剪切试验,分析剪切强度随法向应力、注入流体类型和注入流体压力的变化规律。【结果】试验结果表明:平直节理砂岩在干燥、注水和注CO_(2)三种试验条件下的剪切应力-剪切位移曲线都属于滑动破坏型曲线;注水/CO_(2)会弱化平直节理岩石剪切强度,且水的弱化作用强于CO_(2);提出了平直节理岩石剪切强度与法向应力、注入流体类型和流体注入压力之间的经验公式,试验数据与理论数据的平均误差为5.69%.【结论】研究结果对预测砂岩在注入水/CO_(2)后的剪切强度以及优化施工方案和提高施工安全性具有重要意义。

煤层气原位注热开采的数值模拟研究及工程实践

煤层的低渗透性和甲烷的强吸附特征是制约煤层气开采的关键性问题,如何快速高效开采煤层气是目前煤层气开采研究中的重要课题。首先基于构建的水-气-热-固耦合数学模型,建立了煤层气注热开采的物理模型并验证了模型的正确性,然后从水气运移角度分析了注热方法的产气规律,最后在煤矿井下进行了现场注热试验。数值模拟结果表明:煤层气注热开采过程中水气运移遵循“前期排水,后期采气”的变化规律。煤层中的水对甲烷的解吸和运移产生了重要的影响。注热过程中水占据了甲烷的运移通道,水对甲烷的抑制作用大于温度的促进作用;注热后的抽采过程中,高温促进了甲烷的解吸,解除了水对甲烷的抑制作用,使煤层气的产量大幅度提高。通过现场注热试验,已经形成了2种成熟的井下注热强化煤层气开采方法,即间歇注热方法和交替注热方法。2种注热方法具有相似的产气规律,即注热阶段的日产气量和甲烷体积分数一般比较低,而注热后抽采阶段的日产气量和甲烷体积分数均大幅度提高。现场注热试验结果表明,与传统的负压抽采方法相比,间歇注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和100倍以上,交替注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和50倍以上。现场注热试验结果与数值模拟结果共同表明,注热强化煤层气抽采的效果显著,注热后抽采阶段是煤层气的高产时间段。

基于不同热解方式下烟煤裂隙结构演化的对比

煤炭地下原位热解开采是未来煤炭资源利用的新趋势,探明不同热解方式下煤的孔裂隙结构、空间分布及连通性尤为关键,现有的关于煤热解后孔裂隙结构参数的研究均处于无应力状态且缺乏不同热解方式下孔裂隙结构参数的对比。基于以上不足,利用自制的高温高压热−流体−应力−化学耦合作用的三轴试验机,结合显微CT技术,探究了烟煤在自然、蒸汽原位热解(600℃)条件下的裂隙结构差异,进而就差异性进行了机理探究。结果表明:①自然、蒸汽600℃原位热解后,煤样内部产生的裂隙形态以细长型裂纹及孔洞为主,蒸汽热解后裂隙尺度进一步提升,裂隙网络更为丰富复杂;②在轴压5 MPa、围压3 MPa的应力条件下,烟煤自然热解后裂隙率为原始裂隙率的2.68倍,蒸汽热解后裂隙率为原始裂隙率的3.65倍且每一层位裂隙率更均匀;③蒸汽热解使得烟煤受热均匀,换热面积大,有机质热解更加充分。驱替作用保证热解产物的持续产出;孔隙压力的局部应力作用既扩大了原有的孔裂隙体积又会破坏孔壁弱面,大大增加了孔裂隙连通性;蒸汽剥蚀效应将盲孔及孔裂隙附着的黏稠度较高的焦油“冲刷−运移”至煤体外;富氢环境促进了重质焦油的裂解,增强了油品的流动性;④原位与无应力状态煤样热解裂隙率及裂隙形态存在较大差异,蒸汽热解是煤炭原位注热开采工程实践的最优加热方式。

煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸的影响

为了研究煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸过程的影响,在吸附科学和分子动力学理论基础上建立了非均匀势阱模型。该模型可以表征煤的吸附/解吸性能以及精确计算出煤体内不同势阱所对应的势阱数量。为了验证非均匀势阱模型对煤的吸附/解吸性能方面的表征能力的准确性,将其与Langmuir模型分别对甲烷吸附/解吸过程进行拟合,再将拟合数据和等温吸附线的相关系数分别进行比较。结果表明,非均匀势阱模型在表征煤体的吸附/解吸性能方面更优。在研究煤体内的势阱分布时,发现煤在不同温度压力下对甲烷的吸附/解吸过程中,煤体内的势阱分布出现明显差异。在分析煤的势阱规律时,发现在吸附阶段煤体内的势阱数量比解吸阶段多,但解吸过程中煤的平均势阱深度比吸附过程大。并且平均势阱深度随着煤阶的降低而降低。在吸附阶段势阱数量集中在某个势阱深度的范围内,但在解吸阶段势阱数量的分布相较而言就更分散。在同一温度下,势阱数量随着煤阶的降低而减少。从势阱分布来看,在相同温度下,高煤阶煤的势阱分布方差明显比低煤阶煤的势阱分布方差要大得多。温度上升会使得平均势阱深度随着温度的升高而下降。对于同一煤阶而言,温度的变化对5~15 kJ/mol内的势阱深度影响更大,且这种现象在低阶煤中更为明显。研究发现,势阱深度较大的势阱更能抵抗温度变化对其产生的影响。在煤体加热或加压过程中,甲烷吸附/解吸率的非线性变化是由势阱的不均匀性引起的。

割缝与钻孔排放煤层气的大煤样试验研究

低渗透煤层中的煤层气抽放是一个世界性难题,目前尚没有有效的解决办法.文章针对低渗透煤层提出了采用水力割缝技术提高煤层渗透性的方法,介绍了特大煤样条件下的钻孔和水力割缝两种排放煤层气的对比试验研究.试验结果表明:煤样的煤层气排放符合艾黎经验公式,可以使用该公式对煤层中的煤层气排放进行预测.与钻孔排放相比,水力割缝排放煤层气,会随埋深不同而发生不同程度的煤层气突出,从而提高煤层气的排放速度和排放量,缩短排放时间.相同埋深的煤层,割缝后,煤层气初期排放速度急增,约为钻孔的2～2.5倍;随着煤层埋藏深度的增加,水力割缝对提高煤层的渗透性作用越明显.这些结论对低渗透煤层的煤层气抽放与开采有参考价值.

煤岩体孔隙裂隙双重介质逾渗机理研究

介绍了孔隙裂隙双重介质逾渗概率的研究方法,在此基础上研究了煤岩体的逾渗概率与渗透系数的关系,分析了裂隙、孔隙及二者共同作用对煤岩体逾渗概率的影响。结果表明:煤岩体这类孔隙裂隙双重介质的逾渗概率与其渗透系数呈指数规律;煤岩体的裂纹孔隙率决定孔洞孔隙率对其渗透性的影响程度;同时,裂隙还决定了孔隙裂隙介质的逾渗规律,使其与多孔介质的逾渗规律具有完全不同的形式。

岩石的细胞元特性及其非均质分布对岩石全曲线性态的影响

采用非均质数值试验方法,研究了在无限大刚度的试验机条件下,岩石的细胞元特性及其非均质分布对岩石单轴压缩全程曲线性态的影响。结果表明,当岩石的非均质参数m≥6时,细胞元的非均质参数m是决定岩石单轴压缩全程曲线性态的主要因素;当m<6时,岩石的细胞元特性是决定岩石单轴压缩全程曲线性态的主要因素。

块煤含水率对其吸附性影响的试验研究

为研究地下水对煤吸附性影响,针对潞安屯留煤矿3#煤层,进行大块煤样在干燥及含水状态下的吸附特性研究,试验发现:(1)采用定容吸附时,瓦斯压力随时间衰减具有对数关系,衰减系数随含水率增大而降低;(2)瓦斯吸附量与吸附时间之间为幂指关系;(3)煤的瓦斯吸附量与含水率之间具有线性关系,二者之间关系与粉煤的研究结果不同。

岩体裂缝面数量三维分形分布规律研究

采用计算机仿真的数值试验方法,首先证明了岩体裂隙面数量服从三维分形分布规律这一自然现象。然后根据大量的计算以及理论推演,得到了裂隙面的2个重要的分形参数(分形维数和分形分布初值),以及分形维数DS和分形分布初值NS与二维剖面裂隙迹线分形参数DL,NL的相关关系。即二维分形维数与三维分形维数遵循:DL = DS-1,二维分形维数DL与裂隙面的其他参数无关;二维分形分布初值NL与三维裂隙面的倾角ST,方位角SP遵循投影关系;二维分形分布初值NL与三维分形分布初值NS遵循正比关系:NL = kNS,k值决定与岩体剖面和三维裂隙面的投影关系。实测结果证实了这些关系的正确性。这些结论为研究裂隙岩体的其他物理力学性质奠定了基础。

强随机分布裂隙介质的二维逾渗规律研究

首先以介质中裂隙的方向分布为基础,将孔隙裂隙双重介质分为弱随机分布裂隙介质、分组分布裂隙介质、强随机分布裂隙介质3类。然后将岩体的主要渗流通道——裂隙引入到逾渗研究理论中,以裂隙数量分布分形规律的基础,建立了强随机分布裂隙介质的逾渗模拟方法。通过数值计算的方法研究了强随机分布裂隙介质逾渗现象与逾渗规律,得到了以裂隙分形维数、裂隙数量分布初值、孔隙率为变量的逾渗阈值的数学表达式。

瓦斯排放与煤体变形规律试验研究

针对影响煤体中瓦斯运移与排放的应力因素,通过大煤样的瓦斯排放试验研究,揭示了顺序加载与逆序加载下的煤体变形与瓦斯排放量以及排放时间的相关性。试验结果表明:无论何种加载方式,煤体变形与瓦斯排放量服从抛物线方程:ε=aq2+bq-c,;煤体变形与排放时间存在非线性关系:ε=t/(a1+b1t)。但不同的加载过程影响回归系数与煤体应力的关系。这些结论对煤矿的瓦斯抽放以及煤层气开发具有参考价值。

煤体水力割缝中瓦斯突出现象实验与机理研究

通过室内1:1大煤样水力割缝抽放瓦斯的实验研究,揭示了水力割缝过程中煤与瓦斯突出现象,依据煤体特性、应力状态、应力水平、水射流压力、瓦斯压力等实验结果,并结合数值模拟计算,分析了水力割缝中煤与瓦斯的突出机理。

岩石非均质性与冲击倾向的相关规律研究

岩石冲击倾向指标E/l值是反映岩石发生冲击地压难易程度、冲击类型与强度的重要参数,通过对细观非均质岩石的全过程应力-应变曲线的大量数值实验进行分析,揭示出冲击倾向指标E/l与非均质参数m遵循负指数关系且E/l随m增大而减小。

岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用

岩体是一种含有大量缺陷的天然材料,其中的断层、裂缝和裂隙称为高层次缺陷,微裂隙、孔隙等称为低层次缺陷。首先分析包含宏观和微观裂隙的岩石裂隙数量与尺度之间的分形关系,并按照裂隙尺度进行分级。然后采用数值试验方法,通过逐级增加裂隙,研究岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用。研究结果表明,当裂缝、裂隙、微裂隙、孔隙等不同尺度、不同层次缺陷并存时,高层次缺陷对岩体的变形、稳定、破坏起着主导控制作用。

分形理论在煤中甲烷分布研究领域的应用探索

本文通过对不同煤阶的煤样样品吸附甲烷的过程进行实时红外成像,并通过MATLAB数字化图像处理程序对所拍摄的红外图像进行计算分析,对煤样吸附过程中甲烷气体的分布特征以及煤样温度变化特征进行了研究。实验结果表明:不同煤阶的煤样中都存在甲烷分布富集区域,该区域尺度与吸附能力均不同,并且在吸附过程中比邻近区域具有更明显的升温现象。通过MATLAB数字化图像处理方法对不同吸附压力条件下的煤样中甲烷富集区域进行提取,可以得到该区域煤样中甲烷吸附量所占比率与温度变化量之间的关系。结合分形理论,发现在不同的吸附压力条件下,不同煤阶中甲烷富集区域均具有分形规律,分形维数随吸附压力的提高而逐渐增大,分布初值逐渐减小,并且分形维数均在1.4~2.0之间。同时,分形维数与吸附平衡压力之间的关系与吸附量和吸附平衡压力间的关系相吻合,较为符合朗格缪尔理论的规律。

裂隙岩体有效应力规律数值试验研究

采用数值试验方法,研究了体积应力以及孔隙压与等效孔隙压系数的关系规律。结果表明:等效孔隙压系数与体积应力以及孔隙压呈双线性关系,等效孔隙压系数随体积应力的增大而减小,随孔隙压增大而增大。此结论与物理试验的结论相一致。

岩体裂隙分维数与岩体强度的相关性研究

以岩体裂隙分布的分形规律为基础,采用数值计算方法,研究了岩体的单轴抗压强度与岩体裂隙分维数 D的关系。结果表明,岩体的单轴抗压强度的对数值与岩体裂隙分维数 D 呈负线性关系。此结论对岩体工程的设计、施工以及稳定性的评判具有指导意义.