构造物理化学的理论纲要和应用前景

构造物理化学是地质力学在“构造结合建造”领域兴起的研究方向,发展为探讨构造作用过程中岩石物理变化与化学变化相关性的交叉学科领域。针对“构造力能否影响化学平衡”的地球科学难题,作者开展矿田地质构造的深入研究,进行构造力影响压力的探索。构造应力场可以分解为两部分:一部分是应力差,使岩石发生变形;另一部分是平均应力部分,即各向相等的正压应力状态,使岩石体积变化。后者称为“构造附加静水压力”。“构造附加静水压力”叠加在其地质作用引起的压力之上,改变该点的压力并影响其他物理化学条件,由此控制成岩成矿地球化学过程。构造物理化学是研究“构造力改变物理化学条件进而影响化学过程”,即研究构造引起的构造附加压力、温度等物理化学条件及其控制物理化学过程的领域。构造物理化学和“成矿深度构造校正”等理论方法预测胶东金矿深部存在“第二富集带”已得到证实,为胶东成为全球第三大金矿区提供了理论和方法方面的支撑。经过30多年科研和找矿实践,构造物理化学产生了广泛学术影响;中国地质学会地质力学专业委员会1996年设立“构造物理化学专业学组”,中国地球物理学会2018年批准成立“构造物理化学专业委员会”。构造物理化学需继续深入研究的问题有:构造附加静水压力问题,构造作用影响温度问题,构造作用改变岩石物理性质问题,构造作用影响地质P-T相图问题,还要发展“构造结合建造”的构造变形岩相观测研究方法等。构造物理化学在地壳异常压力和地壳深部压力状态、构造对油气的驱动和圈闭问题、成岩成矿深度的构造校正测算和隐伏矿床预测、超高压变质带的“构造增压壳内成因”问题、煤变形-变质作用的物理化学条件、临界成矿的热力学分析、地震灾害流体对于岩石系统的构造物理化学约束以及构造变形岩相基础上的地球物理勘查等方面推广应用已取得长足进展,且具有广阔的发展前景。

岩石塑性变形条件下的Mohr-Coulomb屈服准则

传统的Mohr-Coulomb强度准则仅描述了峰值强度状态下正应力和剪应力之间的关系,作为岩石破坏的判据.本文拓展概念,提出Mohr-Coulomb屈服准则表述岩石发生塑性变形后不同应力状态下屈服面的应力应变关系.在总结实验研究的基础上建立了使用三轴压缩试验数据确定塑性参数c和φ随内变量κ变化的实验技术方法,给出了评价各向同性模型精度的参量表达以及某些测试结果.采用具有各向同性强(软)化规律的Mohr-Coulomb屈服准则,利用岩石的初始屈服、峰值屈服和残余屈服三组参数可以将全过程应力应变曲线简化表征为四直线模型,它比三线性模型有更广泛的适用性.本文的结果为工程地质数值模拟提供了理论和实验基础,具有指导意义.

关于构造带变形能的有限元法数学模拟

本文是在同一外力和边界及岩石力学性质条件下，用有限元数学模拟的方法研究不同构造变形带内部变形能的差别和分布问题。形状改变能（或称歪变能）ＵＷ比体积改变能（或称体变能）ＵＴ大将近一个数量级，ＵＷ、ＵＴ和构造变形能ＵＢ在挤压、剪切和引张变形岩带中总体依次逐步变小。ＵＷ和ＵＢ大致呈较大→大→小的变化，而ＵＴ却呈大→较大→小的趋势性变化。利用构造变形能这种规律，结合构造附加静水压力研究，进而探讨构造变形热及其影响流体运移等问题。

一种可控分布YAG激光毛化机床数控系统

首先阐明了YAG激光毛化机床实现毛化微坑可控分布的重要性和原理 ,然后从系统构成和控制软件两方面介绍了这一数控系统。

文峪金矿505脉空区采场稳定性的迭代法边界元分析

文峪金矿是我国一大黄金矿山。截止到1988年底,在505脉已形成了约十万平方米,十七万立方米的巨大空区,在矿柱中还留下了大量的金矿石。这对后续生产是一个重大的隐患。本文展示了一种简化的矿柱、围岩相互作用的迭代运算方法,使包括各种矿柱在内的矿山空区一采场结构的稳定性问题可以方便地用边界元法进行数值模拟分析。对单一采场及分步骤矿柱回采的大片空区进行了二维与三维的计算,同时对矿体的倾角、厚度、不同的矿柱材料性质、采场跨度等单一因素进行了研究,对空区一采场的稳定性进行了评价,得到了一些新的认识,并对生产实践提出了具有重要意义的建议。

一种基于RS-485网络的集散型控制系统

从系统构成和通信软件两方面介绍了一种基于RS -4 85网络的集散型控制系统。该系统的RS -4 85网络由1台工控机和 10台可编程控制器构成。工控机通过RS -4 85网络控制 10台独立的 3自由度数控液压小车。本文提出了一种RS -4 85网络通信协议。

油田三维构造应力场、裂缝与油气运移

叙述了地应力与裂缝和油气运移的关系。用有限元法对辽河滩海油田进行了三维构造应力场的模拟计算,给出了地应力场的分布特征及其对裂缝发育和油气运移积聚的控制作用,并对油气积聚的有利地区进行了预测。

易门式大型铜矿床构造成矿动力学模型

针对金属矿床隐伏矿定位预测的关键问题 ,在提出构造成矿动力学的分支学术方向的基础上 ,以易门式大型铜矿床为例 ,从成矿地质背景、矿田构造、构造地球化学和成矿构造应力场等方面进行构造成矿动力学研究 ,阐述在构造应力场控制下成矿流体运移和聚集的规律。构造地球化学研究认为 ,构造地球化学异常反映矿体的原生晕 ;构造地球化学异常受构造控制 ,其分带特征可指示成矿流体的流向 ,并提供矿床成因和隐伏矿 (化 )体相对埋深的信息。构造应力场的控矿特征主要表现在 :构造应力场导致控矿构造的形成 ,并驱动成矿流体的运移 ;构造应力场控制了成矿能量场 ;应力和能量的高值集中区分布特点可反映某些构造型式。在此基础上建立构造成矿动力学模型 ,概括隐伏矿成矿预测准则 ,据此提出若干重点找矿靶区和靶位 ,其中部分靶区得到工程验证 ,表明构造成矿动力学方法对隐伏矿定位预测和评价具有重要的指导意义。

安庆铜矿地应力测量

本文介绍了空心包体应力解除法在安庆铜矿 - 580m中段地应力测量结果 ,对矿区应力分布特征进行了探讨。实测表明 ,在 - 580m中段最大主应力的大小是2 4MPa ,最大主应力方向由NE到近EW向。该矿区地应力以水平应力为主导 。

三维地应力场的有限元模拟及其在隧道设计中的应用

现场地应力测量地点与工程所在位置 ,往往有一定距离 ,因而测点处的地应力常常不能代表工程所在位置的地应力状态。特别是在地形起伏及构造复杂的地区尤其如此。为此 ,本文通过三维地应力场的反演模拟 ,由测点处的地应力测量结果推知工程所在地点———青藏铁路羊八井隧道轴线上的地应力状态 ,为隧道的设计提供了地应力依据。

低渗砂岩储层渗透率各向异性规律的实验研究

应用1摩尔/升的盐水作为孔隙介质,采用液体压力脉冲法对采自鄂尔多斯盆地某油田三叠系延长组低渗砂岩样品进行了渗透率随有效应力的变化规律实验研究.在围压0～100MPa,孔隙压力0～12MPa范围内,样品的渗透率变化范围在0～60×10-18 m2之间,实验结果表明样品的渗透率随有效应力的增加而减少.通过拟合实验结果,得到渗透率随有效应力的变化规律较好的符合幂函数关系,相关系数介于0.903～0.984之间.同时对同一样品的X,Y,Z相互垂直三个方向的渗透率随有效应力的变化进行了比较,结果表明渗透率的各向异性同样是压力的函数,且随着有效应力的增加,不同平面内的渗透率各向异性表现出了不同的变化规律.但在实验压力范围内,渗透率各向异性皆为正值,表明在有效应力为100MPa范围内孔隙内流体的流动方向未发生改变.研究结果为鄂尔多斯盆地低渗(超低渗)油气田开发,特别是对深部油气田开发过程中开发方式的选择与设计,充分利用渗透率各向异性的特点,提高采收率提供了新的岩石物性资料.

青藏铁路昆仑山隧道稳定性分析

在地质构造分析、地应力测量、地应力场的反演和岩石力学实验的基础上 ,对昆仑山隧道多种断面的应力分布进行了有限元计算 ,给出不同断面的应力分布图象 ,指出了不同断面应力分布的特点以及断面形状对应力分布的影响 ,同时计算了围岩的强度与应力比 ,对围岩稳定性进行了分析对比 。

影响水力压裂效果的因素及人工神经网络评价

水力压裂是低渗透油气田提高开采效益的主要技术手段之一,但是影响水力压裂效果的因素较多,如地质特征、储层物性和地层能量等。为了达到理想的压裂效果,就要综合考虑各个影响因素之间的相互关系,找出影响压裂效果的主要因素。本文利用人工神经网络方法建立了数学评估模型并对已有的大量生产数据进行了网络训练和方法验证。结果证明所建立的压裂井潜能评估模型稳定性好,预测精度较高,对油田水力压裂的选井评层及产能预测具有一定的指导意义。

地应力对油气运移的驱动作用

论述了地应力驱动油气运移的机理,给出了地应力作用下孔隙地层中流体移动的本构方程和渗流方程。作为实例,模拟计算了胜利油田东营凹陷中央背斜带的地应力场和运移势场。结果表明,该背斜带已有的油藏分布与低应力区和低势区有很好的对应关系,大部分油藏位于低应力区和低势区,说明地应力对油气运聚成藏有重要控制作用。依据地应力场和运移势场的分布,对油藏的有利地区进行了预测,为油田的勘探开发提供了科学依据。

高温对玄武质凝灰岩力学性能的影响及其机理分析

研究选取四川得荣县的玄武质凝灰岩为研究对象,按照固定围压200 MPa,实验温度为200℃～800℃开展高温高压实验,取得7个样品的实验数据。通过对实验数据的分析可知,在围压一定,实验温度不断升高的条件下,岩样的弹性模量和屈服强度都不断降低,当实验温度达到700℃,岩样变形主要以流变为主。实验温度400℃是岩样力学性质发生显著变化的临界温度。通过对实验后样品的成份分析可知,当实验温度超过400℃后,岩样中的黏土矿物含量随着温度的升高而降低,而斜长石和方解石的含量在不断升高,当温度超过500℃以后,岩样中出现了新的矿物——橄榄石;岩样的电镜扫描结果显示,在400℃之前,岩样内基本没有明显的微裂隙,但是当温度达到700℃和800℃时,岩样内出现明显的部分熔融现象,温度越高,部分熔融现象越明显,而且在800℃时,出现明显的矿物重结晶现象。微观的结构及成份的变化导致了宏观的物理力学性能的显著变化。本次实验研究结论与前人研究成果较为一致,但是从物质成份和样品微结构方面对岩石力学性能对高温响应的机理进行了初步解释。

地应力测量在煤与瓦斯突出灾害研究中的应用

为减轻和防治煤与瓦斯突出灾害,对红菱煤矿进行了地应力测量、岩石力学参数测试和瓦斯气体压力量测,以及地质构造分析。在此基础上,应用突出破坏判断准则,提出了煤层稳定性评价的定量指标,从区域上预测了煤与瓦斯突出的潜在危险区,与现场实际情况吻合较好。提出了区域性与局部相结合的防突措施,取得了良好效果,表明区域煤与瓦斯突出潜在危险区预测对区域性防突措施的选择具有一定指导意义。

沈阳红菱煤矿地应力测量

为了了解红菱煤矿地应力状态和分布特征，采用空芯包体应力解除法进行了地应力实测工作，获得了该矿区3个水平3个测点的三维地应力状态。实测表明：该区地应力以水平构造压应力为主导，三个测点的最大主应力均为NNE向，最大主应力在18．32—21．5MPa之间，最大主应力的大小是随深度的增加而增加的。中间主应力为铅直应力，在13．1～14．79MPa之间。最小主应力在9．54～13．08MPa之间。测量结果可用于本矿区的生产设计，并作为煤与瓦斯突出等矿山灾害评价的参考资料。

近β型高强钛合金Ti-26的β晶粒长大行为

研究了Ti-26合金在不同固溶温度和固溶时间条件下β晶粒的长大规律,并且计算了该合金在775~880℃范围内,保温1 h时,β晶粒的长大激活能Qm和在820℃保温0.5~4 h的生长指数n,分析了影响β晶粒的长大激活能Qm和生长指数n的主要原因.研究表明,Ti-26合金在β相区不同温度保温时,β晶粒的长大过程受Ti元素控制;合金在820℃(Tβ+45℃)固溶时,晶粒生长指数n仅为0.24是由于固溶原子落后于β晶界的移动而形成拖曳造成的,然而当固溶温度超过820℃时,β晶界的移动可以摆脱溶质原子的束缚.

长江中下游地区新华夏构造体系的“米字型”结构特征

构造体系由强变形构造带和弱变形地域共同构成,这些构造带和变形带可以用结构面的形式表达。构造体系结构面的分布分析,更加适用于变形规律研究,便于追索构造应力场及其演化。以长江中下游地质结构与导矿-控矿要素研究为基础,总结了新华夏构造体系结构面的“米字型”分布特征。新华夏系“米字型”构造,由NNE 25°方向挤压断裂和褶皱带、NNW 345°方向(大义山式)张扭断裂、NEE 75°方向(泰山式)压扭构造和NWW 300°方向(长江式)的横张构造组成。其演化分先后三个阶段;NNW 345°方向—NEE 75°方向的共轭剪切构造阶段、NNE 25°方向挤压构造阶段和NWW 300°方向的张性剪切构造阶段。新华夏构造体系的“米字型”构造样式的识别,为研究构造体系的应力-应变成因、探讨构造体系的形成演化以及浅部构造和深部构造相关性研究提供了重要的地质构造基础。在其它类型的构造体系中,结构面也具有“米字型”分布特征。

北京千灵山生态修复边坡稳定性研究

开采形成的矿山岩质高陡边坡,造成山体缺损、水土流失、生态破坏,容易产生边坡失稳、崩塌滑落等地质灾害,急需进行生态修复治理。本文以北京市西郊千灵山生态修复岩质高陡边坡为例,根据地质雷达实测剖面分析及室内试验得到的岩体内部结构信息和岩石力学参数,建立了生态边坡的地质力学模型,并用有限元强度折减法对千灵山岩质高陡边坡生态修复前后的稳定性进行了模拟计算。结果表明,非降雨、降雨(饱水)条件下自然岩石边坡和生态修复后的边坡其安全系数分别为17、12.5、5、2;边坡变形以坡脚和生态带区域的中下部位最大,边坡潜在滑动面主要沿坡脚45°方向上扩展。因此,岩石边坡坡脚和生态带区域的中下部位应是重点加固区,需通过锚杆加固和有效排水对之进行处理。