深部原位应力环境下岩心饼化响应特征及反馈机制初探

地应力数据是一切深部工程的基础,传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范,理论多是建立在诸多假设基础上,准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征,且不同应力环境产生的饼化形貌各异,通过岩心饼化反演地应力有望作为一种科学经济、方便快捷的地应力推算方法。试图通过探究深部原位应力条件下岩心饼化行为的力学机制,定义二维条件下的饼化烈度系数,以期实现基于岩心饼化特征计算原位地应力。以松辽盆地松科二井不同深度饼化岩心为研究对象,利用三维数据形貌采集系统获得了饼化岩心的宏观形貌,采用X射线衍射和岩相薄片等测试手段,分析得到了饼化岩心的矿物成分和微观结构;同时,基于离散元分析了不同应力条件下岩心的饼化行为力学机制。结果表明:松科二井饼化岩心形貌特征可分为破碎状、薄饼状、厚饼状、不规则状、半饼化状5类,端面断口形态包括错台状、平面状、灯盏状和花瓣状;岩饼的形貌特征与其埋藏深度、硬质矿物含量和破坏模式有较强的关联性;岩心饼化行为主要受到张拉应力控制,其裂隙起裂一般起始于岩心根部,由外向内向下呈凹陷状或平面状贯通岩心。水平主应力是影响岩心饼化行为的第一要素,高水平主应力能够诱发剧凹状的岩心断口和较宽的带状拉裂纹,垂直主应力是影响岩心饼化的次要因素,一般会抑制饼化行为的发生;钻进过程中岩心饼化行为的发生伴随着能量的规律性变化,其中总应变能呈阶梯状下降,耗散能呈对应的阶梯状上升,且总应变能的瞬时释放是造成岩心饼化的主要原因。研究成果有望为岩心饼化反演地应力提供新思路和有益借鉴。

基于分子模拟的表面活性剂对煤体的润湿机制探讨

随着煤矿开采深度和机械化程度的逐渐提高,瓦斯煤尘二次爆炸愈加严重,采用表面活性剂等化学抑尘剂可以有效抑制煤尘的产生及扩散,减少瓦斯煤尘爆炸。为探明非离子表面活性剂对疏水性煤尘的抑制机理,以典型深部(1 050 m)疏水性煤尘为研究对象,利用FT-IR、XRF、XRD等手段分析其基础物化特性,联合EA、XPS、^(13)C NMR等测试技术分析并建立煤尘分子结构模型,通过建立分子模型考察水-表面活性剂-煤润湿吸附体系的平衡吸附构型、分子空间分布特征,设计实验测定表面活性剂吸附前后煤尘的表面自由能组成变化,验证并讨论表面活性剂在煤尘界面的润湿吸附机制。结果表明:表面活性剂可在疏水性煤尘表面形成有效定向吸附层(吸附层较紧密,对煤表面覆盖程度高),通过表面活性剂疏水尾链覆盖煤尘表面疏水结构,亲水头基朝向水相,使得煤尘表面自由能极性分量增大,煤尘表面因此由疏水性向亲水性发生转变。研究结果可为煤矿开采中的高效抑尘处理提供理论指导和借鉴。

深部原位应力环境钻进过程中岩心饼化成因机制:数值模拟与室内试验

深部岩体原位应力赋存状态一直是“黑箱”问题,基于岩心的应力测试技术已成为有效的解决手段之一。在深部原位应力环境钻进过程中时常出现岩心饼化现象,为了探索其在砂岩中的形成机制,利用PFC2D研究了不同原位应力条件下钻进过程中的裂纹分布和能量演化,获得了易发生岩心饼化的特定原位应力条件。应用自主开发的测试系统验证了实验室环境内岩心饼化所需的应力条件,并分析了岩心破裂特征、断面形貌与原位应力之间的关系。结果表明,原位应力越高,在钻进过程中岩石产生的拉裂纹越多,尤其是在孔壁和岩心根部,而岩心处裂纹从外表面向内部发展。更高的原位应力水平同样会导致更强的能量转换,进而引发岩石破裂。岩心饼化的形成需满足特定的应力条件。当径向应力(σ_(r))为最大主应力且保持45 MPa恒定、轴向应力(σa)为25 MPa或30 MPa时,岩心根部均会发生饼化现象。随着σ_(r)和σa之间差值或钻进深度的增加,岩心厚度减小,导致断面更光滑、分形维数更小,从而使岩心饼化现象更加显著。该研究可为科学阐明深部原位应力条件下岩心饼化的形成机制提供必要的技术和数据支持。

Damage and fracture behavior and spatio-temporal evolution of acoustic emission of sandstone before and after laser radiation

Laser technology holds significant promise for enhancing rock-breaking efficiency.Experimental investigations were carried out on sandstone subjected to laser radiation,aiming to elucidate its response mechanism to such radiation.The uniaxial compressive strength of sandstone notably decreases by 22.1%–54.7%following exposure to a 750 W laser for 30 s,indicating a substantial weakening effect.Furthermore,the elastic modulus and Poisson ratio of sandstone exhibit an average decrease of 33.7%and 25.9%,respectively.Simultaneously,laser radiation reduces the brittleness of sandstone,increases the dissipated energy proportion,and shifts the failure mode from tensile to tension-shear composite failure.Following laser radiation,both the number and energy of acoustic emission events in the sandstone register a substantial increase,with a more dispersed distribution of these events.In summary,laser radiation induces notable damage to the mechanical properties of sandstone,leading to a substantial decrease in elastic energy storage capacity.Laser rock breaking technology is expected to be applied in hard rock breaking engineering to significantly reduce the difficulty of rock breaking and improve rock breaking efficiency.