弱动力扰动作用下岩石微裂隙演化特征及灾害防控

【目的】高应力叠加弱动力扰动是诱发冲击地压的关键因素,但不同扰动幅值、频率、卸载范围下的岩石微裂纹扩展特征和能量耗散规律尚不明确,无法为冲击地压防治提供技术支撑。【方法】基于真三轴卸载动力扰动试验,分析了不同扰动幅值(5、10 MPa)、频率(4、10 Hz)、三向应力卸载(0、12MPa)下深部围岩失稳破坏规律,并结合SEM扫描分析了岩石微裂隙特征。通过锚杆拉拔试验,优化了锚杆肋间距和肋高,提高了其吸能支护作用,提出了“吸能锚杆-低阻抗混凝土注浆-喷浆-挂网”组合支护技术。利用传感器对巷道进行长期监测,得到治理前后压力与振动数据。【结果和结论】研究表明:(1)随着扰动幅值和频率的增加,裂纹增加显著且不规则,岩石断口的方向分形维数降低。当扰动为10MPa、10Hz时,分形维数降至最低值0.62,孔隙方向角80°~120°孔隙定向频率达到最大值的52%,约为原始岩石的1.68倍。说明岩石受扰动后颗粒的应力不均匀,导致应力集中,断裂方向明显。(2)随着扰动幅值和频率的增加,SEM图像的微孔隙面积先快速增加,后缓慢增加且增加趋势越来越小。扰动频率每增加2 Hz,岩石微裂隙面积增加约24.13%。(3)现场测试表明随着锚杆肋间距和肋高增加,拉拔曲线形态由“弹塑性阶段-破坏失效阶段-残余阶段”逐渐过渡为“弹塑性阶段-微量屈服阶段-大量强化阶段-破坏失效阶段-残余阶段”,肋间距48mm、肋高2mm的螺纹钢锚杆吸能效果最好。经现场监测可将巷道压力稳定在36 N左右,峰值加速度控制在8000mm/s^(2)以内。研究揭示了卸载动力扰动作用下围岩破坏及能量释放规律,提出的“吸能锚杆-低阻抗混凝土注浆-喷浆-挂网”支护技术,可为类似深部工程提供理论指导。

载体保护下诱导碳酸钙对水泥砂浆微裂隙的修复作用

微生物诱导碳酸钙沉淀可有效填补和修复水泥浆凝结过程中难以避免的水化裂隙,提高水泥石力学强度和抗渗性能,从而可减少诱发的水泥微裂缝质量问题。文章以矿化性能良好的枯草芽孢杆菌为研究对象,通过菌种的活化与扩大培养、向水泥浆中不同方式的添加,测试和评价了不同工艺配方与养护条件下的水泥石力学和抗渗性能。结果表明:环境温度、pH值、钙源浓度分别是影响杆菌矿化能力的主要因素,水泥浆的碱性环境(pH值11~13)对杆菌的活性有明显的抑制作用,最大降低矿化能力达15.1%。多孔、吸附性好的页岩陶砂载体可有效降低碱性环境对杆菌活性的影响,相比于直接添加,载体附菌的添加方式可使水泥石抗压、抗折强度和抗渗压力分别提升11.5%、14.8%和33.3%。当菌液吸附率从0%增加到35%时,微生物水泥石的抗压、抗折强度和抗渗压力分别增加10.8%、47.0%以及25.0%。由此可知,研究的微生物微裂隙修复方法可有效提升水泥环力学和抗渗性能,结论可为固井水泥石质量提升和微生物水泥浆应用推广提供良好的指导和借鉴作用。

气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

利用工业CT扫描系统,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明:非吸附性气体作用下,随孔隙压力的升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显,裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小,符合气体压力影响下的裂隙扩展方程,微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下,随吸附时间的延长,煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著,直至扩展平衡;裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小,符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程;裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响;吸附压力越大,煤体所需的吸附平衡时间愈长;微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间,裂隙扩展具有明显的滞后性。

含原生隐微裂隙岩石颗粒流模型构建及细观参数标定方法研究

离散元仿真是研究裂隙岩石破坏机理最常用的手段之一,颗粒流模型的准确性及细观参数的合理性左右着数值仿真的质量。现有研究多以预设规则裂隙颗粒流模型为对象,侧重于模拟现象的深度解译,忽略了真实裂隙颗粒流模型构建及参数确定方法的介绍。鉴于此,本文以前人研究为基础,同时引入CT扫描及图像数字化等技术提出含隐微裂隙岩石颗粒流模型构建及细观参数标定方法,并以原生隐微裂隙发育的隐晶质玄武岩为例,对上述方法进行应用和验证。研究发现:CT扫描配合图像数字化技术能够实现试样内裂隙形态的精确刻画,可服务于含隐微裂隙岩石真实颗粒流模型的精细化构建。由于各细观参数的交互影响,初步确定的平行黏结模型细观参数仍需微调后方可使用。确定光滑节理模型细观参数时,应先根据已建模型定性分析不同倾角下宏观结果与细观参数间的响应。对于含原生闭合隐微裂隙的隐晶质玄武岩“平行黏结+光滑节理”的数值本构组合能够很好地描述其颗粒流模型接触间的力学性质。上述研究发现极大增强了含隐微裂隙岩石颗粒流模型构建的准确性及细观参数取值的透明性和合理性,同时可为内置多接触本构颗粒流模型细观参数的标定提供重要参考。

沟底井田3号煤层微裂隙特征研究

为掌握沟底井田3号煤层微裂隙发育特征,借助EVO25型扫描电子显微镜对煤层微裂隙进行了观测研究。结果表明:煤层发育张裂隙和剪裂隙,二者产状稳定性、裂隙长度、裂口宽度、裂口充填程度等各具差异。张裂隙的产状稳定性、长度、裂口平滑程度不及剪裂隙,但张裂隙的裂口宽、呈张开状、充填较轻,渗透性优于剪裂隙。煤层微裂隙被充填情况总体严重,煤层孔渗性变差。

岩石材料微裂隙演化的CT识别

采用砂浆来模拟岩石材料以研究其裂隙的演化规律。借助CT扫描获得单轴压缩破坏过程中岩石材料内部的密度分布信息和统计特征,利用同位置点的密度变化来识别微裂隙的活动,通过统计密度变化特征和分形指标Rd描述研究微裂隙的演化行为。研究结果表明:(1)CT图像灰度频数统计变化曲线的幅值和形状变化反映了微裂隙的不同演化效应:荷载水平0%～50%时,曲线波峰顶点上移,而频数变化幅值显著增大,曲线呈规则正弦状;50%～70%时,曲线波峰顶点下移,频数变化幅值降低,曲线形状偏离正弦状;70%～90%时,曲线形状、波峰顶点位置和频数变化幅值基本不变,只有少数灰度区间发生频数变化;90%以后,曲线波峰顶点位置发生非常大的上移,曲线回归正弦状。而波谷顶点的位置移动则相反。这种现象体现了整个压缩损伤过程中微裂隙的主导演化作用由加载前期萌生效应转化为中期压缩闭合效应,再转化为后期的扩展、汇集效应。(2)通过对CT图像灰度进行变换及分形指标Rd描述后发现,Rd随应力增加呈先增加→减小→再增加的三段式增长。这与压缩过程中微裂隙的产生效应与闭合效应的相互影响、转化行为有关;加载前期微裂隙的萌生效应活跃,Rd增大;中期萌生效应趋缓,扩展、汇集效应缓慢发展,此时由闭合效应主导,Rd缓慢减小;后期微裂隙的扩展、汇集效应显著增强,Rd急剧增长。(3)提出的微裂隙体积率分形指标Rd描述能较好地刻画压缩破坏过程中微裂隙演化行为。

东营凹陷富有机质烃源岩顺层微裂隙的发育与油气运移

根据岩心观察 ,在东营凹陷沙河街组三段下亚段和沙河街组四段上亚段烃源岩中 ,发现大量顺层面分布的微裂隙 ,且大部分为亮晶方解石所充填。裂隙发育段在平面上的展布较广 ,在纵向上始于 2 90 0～ 30 0 0 m左右 ,与烃源岩成熟阶段对应。岩石学和有机地化研究表明 ,裂隙一般限于高有机质丰度、纹层理发育的页岩中 ,而有机质丰度较低、具块状层理的泥岩一般不发育 ,表现出较强的非均质性。裂隙发育与有机质丰度以及成熟度的关系表明 ,烃类生成是水平裂隙产生的主要原因。进入成熟阶段的富有机质烃源岩大量生烃 ,造成孔隙流体压力迅速上升 ,并最终导致顺层裂隙的产生。由于沙河街组三段下亚段和沙河街组四段上亚段以泥、页岩互层为特征 ,因而裂隙发育的非均质性造成裂隙发育段与裂隙不发育段的纵向叠置 ,并决定了其排烃过程以近似于三角洲前缘砂泥岩互层的排烃方式 。

塔河地区奥陶系一间房组微裂隙颗粒灰岩储集体的发现与勘探意义

塔河地区位于塔里木盆地沙雅隆起南部,在奥陶系大型古潜山背景上形成了塔河地区奥陶系大型地层不整合-古岩溶圈闭。该圈闭的进一步勘探表明,圈闭主体部位储集层为奥陶系下统鹰山组岩溶缝洞型储集体,而圈闭南部新发现奥陶系下统一间房组颗粒灰岩孔隙型储层。该类储层主要储集空间为粒间孔和针尖状溶蚀孔,在微裂缝、缝合线等连通下形成了厚度约20～30m、分布约200km2的较广泛的层状孔隙型储层。成像测井资料的进一步解释处理发现,其溶孔孔隙度达5%。该类储层主要受台地边缘生屑滩相展布的控制,后期溶蚀作用有利于改善其储集性能。颗粒灰岩储集体与上覆奥陶系中—上统泥质灰岩、石炭系下统泥岩区域性盖层组成良好的储盖组合,并具有良好的封闭性,在烃源区高成熟油气多期充注下形成了中质—轻质油藏,具有良好的勘探效益。在已完钻的几口探井中经酸压获高产油流,充分展现了这一勘探领域的巨大潜力。

煤中显微裂隙的成因类型及其研究意义

分析、归纳了大量的扫描电子显微镜观测结果 ,以煤岩学、构造地质学研究为基础 ,依据煤中显微裂隙的形态、大小、排列组合等发育特征 ,将内生裂隙进一步划分为失水裂隙、缩聚裂隙、静压裂隙 ,将外生裂隙进一步划分为张性裂隙、压性裂隙、剪性裂隙、松弛裂隙。描述了各类裂隙的发育特征 ,探讨了裂隙的演化、识别和影响裂隙发育的因素。裂隙成因类型的研究 ,有助于判断不同裂隙对煤储层渗透率的贡献。

电脉冲应力波作用下煤体微裂隙形成与发展过程

为解决高聚能电脉冲应力波煤储层致裂增渗新技术发展初期的诸多问题,采用电脉冲应力波加载试验与微区观测手段对鄂尔多斯盆地肥煤样品微裂隙的发生发展过程及其影响因素进行了研究。结果表明:在重复电脉冲应力波加载试验中,随冲击次数增多,微裂隙线密度增大,新生微裂隙的形成起源于冲击波产生的张剪性应力;煤体受力破坏过程大致分为3个阶段,冲击4次时煤体微裂隙网络基本形成,且没有明显的煤屑产生,为最佳冲击次数。煤体微裂隙网络主要发育在镜质组条带中,新生微裂隙优先从尺寸较大的原有结构性缺陷部位开始扩展,电脉冲应力波对煤体致裂增渗的效果十分明显,煤体中存在的原有结构缺陷是煤体微裂隙萌生的主要部位;煤岩条带类型及其组合方式,是制订煤储层增渗改造措施应考虑的重要地质因素。

微裂隙对工程岩体强度参数的影响分析

通过分析压剪微裂隙尖端应力场,对含微裂隙岩体的起裂强度进行估算。计算结果表明,岩体起裂强度与微裂隙和最大主应力夹角以及围压的大小有关。当围压增加时,岩体的起裂强度增大,起裂角减小;当围压一定时,仅当微裂隙与最大主应力夹角在阀值范围内时,其才对岩体的起裂强度产生影响,并且随着围压的增加,该阀值的范围将逐渐减小;此外,微裂隙的持续扩展也需施加较高的应力。因此,对于浅表工程岩体,岩体破坏主要受贯通裂隙控制,采用数值分析方法时可以忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。

基于声学数据反演定量评价致密砂岩储层微裂隙应力敏感性新方法

设计试验方法流程对塔中地区深层致密砂岩储层岩样进行不同围压条件下声学测试,提出基于声学数据反演定量研究致密砂岩储层微裂隙应力敏感性的评价方法。通过Biot相洽理论和DEM理论组合模型分别对岩石裂隙密度?和孔隙纵横比?进行反演,探讨了不同围压条件下岩石?、?的变化规律,并对微裂隙应力敏感性进行评价。结果表明:?随围压的增加而降低,?随围压的增加而增加,这主要是由于微裂隙的闭合引起的;根据不同围压条件下?值降低幅度可以确定发生闭合的裂隙或依然保持张开的裂隙所占的百分比;在较高围压条件下依然具有较大?值的样品应力敏感性较弱,反之,应力敏感性较强;定义试验中岩石内部孔裂隙性质发生急剧变化的点为转折点,发现该点对应的?值相差不大,该值可视为该致密砂岩储层的裂隙共性特征,并可作为裂隙相对发育程度的对比指标;分别探讨了?值(围压65 MPa)及所定义转折压力与岩石孔隙度间的相关性,结果表明,两者正相关性均非常好,对于该地区深层低渗致密砂岩储层而言,存在低应力敏感性的有利类型裂隙受岩石物理性质影响程度最大。

新疆准南地区煤储层显微裂隙特征及矿物控因分析

为进一步提高和深化对我国低煤阶煤储层特征的理解和认识,基于显微光度计和扫描电镜能谱(SEM-EDS)分析,对取自新疆准噶尔盆地南缘地区(简称淮南地区)的25块煤岩样品的显微裂隙和矿物特征进行了系统研究。结果表明:准南地区煤储层显微裂隙极其发育,构造成因的外生裂隙非均质性程度要明显强于内生裂隙的,外生裂隙可以指示区域构造发育程度及构造煤存在的可能性。发育内生裂隙煤样中所含的矿物极少,以自生矿物为主,其次为陆源碎屑矿物,未见后生成因矿物;而发育外生裂隙煤样所含矿物种类较多、含量较高,以后生矿物为主,其次为自生高岭石,陆源碎屑矿物少见。煤储层中外生裂隙多被方解石充填且矿物充填呈现多期性,而内生裂隙的矿物多期充填则相对较少。

巴彦诺日公地段花岗岩微裂隙发育特征研究

花岗岩是高放射核废料地质处置库的主要围岩之一,其水力学特征优劣直接决定了花岗岩体能否有效地阻隔地下水对处置库中核废物的侵袭。围岩微裂隙结构和化学风化程度是水力学特征的直观表现,微裂隙结构量化和化学风化程度计算对高放射核废料地质处置库埋藏深度的比选有一定的科学意义。本文以阿拉善某600 m的花岗岩钻孔内不同深度的岩芯作为研究对象,得到大量的微裂隙显微照片;通过测网法和图像处理技术,获得岩芯数字化的裂隙空间分布图像,并从中提取了微裂隙特征参数(裂隙条数、隙宽、裂隙率、裂隙面密度参数等);然后,对微裂隙特征参数进行了统计分析,描述了裂隙空间分布变异性。花岗岩样品的化学风化程度评价指标有:天然含水率、CIA。同时,利用SEM-EDS探测裂隙部位形貌特征及元素含量等数据。最后,对花岗岩完整性与核废料处置库适宜性进行综合评价。通过本研究,得到了以下结论:(1)研究区的花岗岩微裂隙发育情况随深度增大逐渐变弱。(2)花岗岩受外力作用后微裂隙首先发育在石英中,其次是在长石和黑云母中。(3)临近破碎带,裂隙率、平均隙宽、裂隙条数均增大,同时受后期热液填充的影响,CIA也会表现出高值。(4)破碎带的发育,对周边完整岩体的微观破裂影响距离可以超过10.6 m,后期热液对下方完整岩体的侵染蚀变影响距离可以超过50.27 m。(5)通过综合评价,来自该钻孔不同深度的7个样品中,取自地下598.8 m处的样品所代表的位置最适宜作为核废料处置库深埋区。

微裂隙对工程岩体变形参数的影响分析

裂隙的大量存在使岩体的变形特性变得非常复杂,而在采用数值分析方法时,常常忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。为了明确微裂隙对岩体变形参数的影响,通过变形等效原理,对含单一微裂隙的岩体的变形参数进行估算。计算结果表明:岩体的变形特性与微裂隙倾角、长度和荷载方向有关;微裂隙越长,岩体的变形模量越小,泊松比越大;微裂隙倾角与荷载方向的夹角越小,岩体的各向异性越明显,但是,随着夹角的增大,岩体不同方向上的变形模量逐渐减小,泊松比逐渐增大,岩体的各向异性逐渐减弱,当微裂隙与荷载方向的夹角为45°时,岩体则表现为各向同性。

定向流体包裹体群的面状要素与微裂隙成生关系测量法

阐述了定向流体包裹体群的面状要素与微裂隙关系测量方法（ＦＩＰ法）的研究内容和研究步骤，并简述了该方法在构造、岩浆岩、矿床、沉积盆地油气田、地热等研究领域中的研究实例，指出该方法可适用于以含石英等成岩矿物为研究对象的研究领域。

微裂隙对灰质泥岩强度的影响分析

通过开展不同围压下灰质泥岩的三轴压缩试验,研究了岩样中的微裂隙对岩石强度的影响。研究认为,岩样应力应变曲线中的压密阶段变形可分为由微裂隙被压密产生的变形和试样的压缩弹性变形两部分,其中前者占主导;同样,压密阶段储存的弹性势能亦可分为由微裂隙被压密储存的势能和由材料压缩变形储存的势能,将两者之比定义为能量裂隙密度。并进一步建立了岩样峰值强度与能量裂隙密度之间的线性关系,数据分析表明,两者的拟合关系较好。

考虑壁面浸润性的光滑岩体微裂隙渗流特性数值模拟研究

在工程岩体中存在大量的微裂隙,由于隙宽尺寸微小,其壁面浸润性显著影响着流体在裂隙内的运动特性。为此,基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,建立了光滑岩体微裂隙渗流的数值模型,并结合蒸汽中的悬浮液滴和壁面接触角的模拟,证明了该模型的有效性。最后,考虑壁面浸润性、裂隙隙宽、压力梯度及流体黏滞性等因素的影响,研究了重力驱动下光滑岩体微裂隙的渗流特性。研究结果表明:疏水壁面对附近流体的排斥作用产生加速效果,而亲水性壁面则产生阻碍作用,从总体变化趋势看,疏水壁面对微裂隙渗流的影响比亲水壁面更加显著。随着微裂隙隙宽的减小,其壁面浸润性对渗流流速的影响逐渐增大,且壁面亲/疏水性越强,隙宽对其渗流特性的影响越突出。裂隙的平均渗流流速随压力梯度的增加而增大,两者呈线性关系,且壁面疏水能力越强,其直线斜率越大。此外,流体的运动黏度越大,其流动阻力也越大,从而导致微裂隙渗流的平均流速越小,且流体的运动黏度与平均渗流流速呈反比例关系。

沁南3~#煤与15~#煤显微煤岩组分对微裂隙的控制研究

利用光学显微镜、扫描电镜对沁水盆地南部10个煤矿的3#煤与15#煤样品进行观察与研究,探讨了微裂隙的特征及其与煤岩组分的关系。研究发现微裂隙在3#煤与15#煤中普遍存在,15#煤裂隙较3#煤发育,但15#煤中的裂隙被矿物充填较严重。微裂隙在镜质组内最为发育,内生裂隙和外生裂隙均有发育,均质镜质体中的裂隙最为密集,其次是基质镜质体,其他显微组分中裂隙发育较少甚至不发育;惰质组中的裂隙主要发育于丝质体中,主要为外生裂隙中的张性裂隙,内生裂隙在高煤阶煤的惰质组中不发育。煤岩组分对煤中微裂隙的控制主要体现在成煤作用过程中,包括不同组分在泥炭化作用中吸收的水再释放、组分结构与生气量的综合作用及力学性质3个方面。