三轴应力下超临界水对寺河矿无烟煤渗流与变形特性的影响规律研究

为了探索煤层在原位超临界水环境下改性的渗流和变形特性,将煤炭超临界水处理技术和原位改性采矿技术相结合,以?25 mm×50 mm寺河矿无烟煤为样本,在三轴应力条件下开展了超临界水环境下的渗流及变形特性研究。研究结果表明,在365、400、435℃的亚临界和超临界水注水条件下,无烟煤的渗透率分别比原煤下降了56.75%、96.93%和94.99%,整体渗透率的变化趋势为先快速降低再略微升高;实验初期无烟煤的渗流通道会逐渐闭合,持续注热一段时间后,渗流现象会再次恢复,恢复时间约43.5、24.54、19.81 h;渗流恢复同时伴随剧烈的轴向压缩变形,试验温度越高,最终轴向压缩应变越大,约为0.06、0.11、0.16。

低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究

概括地介绍了通过实验揭示的三维应力作用下 ,煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律 ,据此提出三维地层压力是导致煤层渗透性降低的主要因素 .基于实验、理论与数值分析 ,论述了水力压裂技术在改造低渗透煤层中的局限性 ,其机理是水力压裂技术仅能在煤层中产生极少量的裂缝 ,而且在压裂裂缝周围还会产生应力集中区 ,该区事实上成为煤层气开采的屏障区 ;本煤储层割缝 ,使煤层卸压的同时 ,还产生大量裂缝 ,是改造低渗透煤储层的最有利的技术方向 。

显微CT试验技术与花岗岩热破裂特征的细观研究

详细介绍太原理工大学与中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制的μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统的结构与工作原理,该试验机的最大功率为320 W,放大倍数为1～400倍,可分辨1～2μm大小的孔隙及裂隙,为金属及非金属材料的细观试验分析提供了更高精度的试验设备。采用该系统进行花岗岩在常温到500℃高温下的三维细观破裂显微观测,揭示出花岗岩晶体颗粒尺寸为100～300μm的不规则空间结构体。热作用下,随温度升高,花岗岩的热破裂逐渐演化与发展,200℃时,已可见到极少数很小的微裂纹出现。300℃时,部分裂纹搭接形成较大裂纹,裂纹长度增加10倍左右。500℃时,包围花岗岩晶体颗粒的封闭多边形裂纹几乎全部形成,使花岗岩呈现糜棱状的晶体颗粒结构体,90%以上是沿岩石颗粒周边弱的胶结界面上发生的。仅有极少数热破裂裂纹是穿越岩石颗粒的,其概率在10%以下。

多孔介质多场耦合作用理论及其在资源与能源工程中的应用

详细介绍土木工程领域、环境工程领域、资源与能源开发工程领域中的多孔介质多场耦合作用的科学与技术问题,进而论述多孔介质多场耦合作用的科学内涵,其耦合作用理论包含固体应力场、渗流场、温度场和浓度场4个场的耦合作用,以及溶解的化学反应。介绍耦合作用的本构规律的研究重点与数学模型的组成,并深入讨论国内外关于固液、固气耦合作用下,孔隙与单一裂隙的渗流本构方程及其存在的问题。较详细介绍煤层气开采的裂隙介质固气耦合模型与应用、盐矿开采的固流热传质耦合模型与应用、高温岩体地热开采的固流热耦合模型及油页岩原位开采的相关技术与理论问题,讨论该类问题的数值模拟求解策略以及该类工程面临的深刻的理论与技术难题。

岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究

岩石热破裂是一类极为普遍的自然与工程现象。利用"600℃20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机系统"进行砂岩和花岗岩在常温至600℃范围内的声发射特征和渗透性演化规律的试验研究,揭示岩石的热破裂规律与渗透性的相关特征,其结果如下:(1)花岗岩和砂岩受热作用,在常温到600℃区间,其热破裂存在一个清晰的门槛值。从声发射特征来看,永城细砂岩与鲁灰花岗岩的热破裂门槛值分别为170℃和65℃。(2)岩石热破裂门槛值之后,随温度升高,热破裂呈间断性与多期性变化特征,从常温到600℃,既非单调增加,也非单调减少,一般存在2个以上的峰值区间。(3)随着温度的升高,伴随岩石峰值破裂段的发生,岩石的渗透率也呈现出同步的多个峰值段,伴随着声发射平静期滞后出现渗透率相对降低区,但渗透率仍然维持在一个较高水平,而且随着声发射剧烈期出现次数的增加,渗透率愈来愈大。

20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制

详细介绍自行研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,该试验机主要由主机加载系统、高温压力室与温控系统、辅机装料系统以及测试系统4个部分组成。最大轴压和侧压均为10 000 kN,试样尺寸为φ200 mm×400 mm,试样最高加热稳定温度为600℃。介绍试验机研制的关键技术难点和解决方案,与普通用于地球物理研究的高温高压试验机相比,具有如下显著特点:(1)试样大,是普通的高温高压试验机试样体积的64倍,可以更好地反映岩体的特性;(2)实现伺服控制加载,可以方便地研究岩体在各种温度下的变形特性;(3)具有研究渗透性、矿物热解过程的变形特性等多种功能;(4)具有在高温下施工钻孔并研究钻孔岩石蠕变特性的功能;(5)主要用于研究岩体的工程特性。采用该试验机进行煤试样在高温高压下的变形特性试验,揭示煤体在高温下的应力–应变特征,特别是高温下塑性强化特性、在塑性阶段无体积膨胀特性,发现其弹性模量随温度的增加呈指数衰减特性。该试验机可用于探索深部采矿、煤炭地下直接液化与气化、地热开采、矿山安全、建筑安全等工程领域深刻的科学规律与自然现象,为能源与资源开发提供原创性的思路与研究方向。

高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合三维数值模拟

在深入论述高温岩体地热开发研究与发展现状的基础上,提出了高温岩体地热开发的块裂介质固流热耦合数学模型及其数值模拟方法,提出了该数学模型详细的求解策略与求解方法。对6 000 m深的高温岩体地热开发进行了详细的数值分析,揭示了:(1) 岩体温度随地热提取降低及其分布变化的规律;(2) 岩体中基质岩块内、裂缝内应力随地热提取的降低规律;(3) 裂缝宽度随地热提取变化的规律。对高温岩体地热开发决策、技术方案选择提供了理论基础及其方法。

三维应力下吸附作用对煤岩体气体渗流规律影响的实验研究

介绍了三维应力作用下煤岩体孔隙裂隙中瓦斯气体渗流规律的实验方法和实验结论。主要揭示： 气体吸附作用和变形作用对渗流有重要影响， 吸附作用表现为渗透系数随孔隙压呈负幂函数规律变化， 变形作用表现为渗透系数随有效体积应力呈负指数规律变化， 吸附与变形共同作用的结果， 使渗透系数随孔隙压变化表现为存在一临界值ｐｃ， 当ｐ ＜ ｐｃ 时， 渗透系数衰减， 当ｐ ＞ ｐｃ 时，渗透系数增加。

高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

采用自主研制的"20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",运用光学原理钻孔变形观测仪器,对φ200mm×400mm花岗岩体内含φ40mm的钻孔在6000m埋深静水应力及600℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明:(1)高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4000m埋深静水应力及400℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4000～5000m埋深静水应力及400℃～500℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹-塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5000m埋深静水应力及500℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2)花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5000m埋深静水应力及500℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3)钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5000～6000m埋深静水应力(即125～150MPa)及500℃～600℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4)高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4000～5000m埋深静水应力,400℃～500℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4000m埋深静水应力及400℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4000～5000m,埋深静水应力400℃～500℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹-塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。

原位改性流体化采矿科学、技术与工程

为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题,提出了原位改性流体化采矿方法,即在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法,系统介绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与关键技术、工程应用领域等核心内容。其突出内涵是在原位,采用物理与化学方法改造矿体与矿物,改造后的矿体多孔化、矿物流体化、矿物提质改性,实现矿物流体化开采。根据矿体性态变化特征,原位改性流体化采矿问题可分为残留骨架和无残留骨架两类问题。科学理论主要包括固流热化学耦合作用下矿体物理与力学特性演变规律、两类问题的固流热化学耦合的非线性理论模型。技术原理包括原位改性流体化采矿的适用性判据、物理改性原理和化学改性原理。建立的三维孔隙裂隙双重介质逾渗理论是该方法适用性确定的主要依据。概括介绍了覆盖的工业与工程领域及其相应的原位改性流体化采矿技术、工程的发展现状及其展望,这些工业与工程领域包括煤层气、盐矿、油页岩、放射性及有色金属矿产、天然气水合物、低变质煤、干热岩地热等。原位改性流体化采矿方法将有力推动极为广泛的、新型的、下一代非常规地质资源能源的清洁高效开发。

块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其应用

在详细论述岩体基质岩块与裂缝变形、气体渗流及相互作用物理机制的基础上 ,提出了块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法 ,这是岩体介质固气耦合数学模型的重要发展 .以含裂缝煤层瓦斯抽放为例 ,通过数值分析 ,揭示了含裂缝煤层瓦斯在基质岩块和裂缝中运移、传递和交换 ,伴随的岩体裂缝和基质岩块变形和应力分布 ,及其对瓦斯气体运移的相互作用影响规律 .

岩体动力破坏的最小能量原理

根据岩体动力破坏实际释放的能量远大于诱发能量这一事实,在较详细论证岩体非均质、各向异性、应力状态不同,其破坏方式和消耗能量也有差异的基础上,提出了岩体动力破坏的最小能量原理:即岩体动力破坏真正需要消耗的总是单向应力状态的破坏能量。还介绍了此类事件的几个事例,及其对防护工程与地下工程的重要意义。

岩层裂缝分形分布相关规律研究

详细介绍了三个地质钻孔共计１０００余米岩芯的裂缝分布分形统计研究结果，揭示出了同一地质体中，不同岩层裂隙分布的分形维数与岩层岩样强度模量积呈幂函数的相关规律，并从构造应力场作用使岩石变形破裂的角度给出了明确的物理解释。

岩体各向异性的尺度变换不对称性

以岩体裂缝分组分布的分形规律观测与研究结果为基础,针对岩体线密度与渗透系数,给出了各向异性的尺度变换表达式。解析分析证明,岩体各向异性具有尺度变换不对称性规律,仅在极特殊的情况下,才具有尺度变换不变性,其条件是仅存在单组裂纹、或各组裂缝分布的分形维数完全相等。这一深刻的自然规律,对各向异性岩体力学的研究,宏细观力学的研究,无疑有较大的参考价值。

岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真理论与技术

以岩体裂隙面数量分布具有分形特征为基础,建立了岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真模型,并采用 VisualC++6.0 开发出岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真系统。利用该仿真系统可方便地研究岩体内部任意剖面的裂隙迹线分布特征以及任何子块内裂隙面的分布特征,为岩体工程稳定性及其应力分布分析带来了极大的方便。

块裂介质岩石流体力学研究新进展

概括地介绍了我们在块裂介质岩石流体力学方面近年来所作的研究工作，内容包括：（1）岩体裂缝二维、三维分布分形规律及分形仿真方法；（2）三维应力作用下，气体、液体、气液二相流体沿裂缝的渗流物性规律；（3）二维、三维块裂介质固液、因气耦合数学模型及其数值解法；（4）承压水上采煤的理论与实践．

孔隙瓦斯作用下煤体有效应力规律的实验研究

本文详细介绍了阳泉３￣＃煤体与永红３￣＃煤体在孔隙瓦斯作用下的有效应力规律。实验结果证明其有效应力规律遵循修正的太沙基有效应力公式。等效孔隙压力系数ａ是体积应力Θ与孔隙压力ｐ的双线性函数。在Θ－ｐ区域中，根据ａ的数值特征，确定了如下４个分区，即不起作用区，正常作用区，压裂作用区与类土作用区。

煤体瓦斯愈渗机理与研究方法

以物理学单纯孔隙介质的愈渗概念与方法为基础,提出了孔隙、裂隙介质愈渗研究方法,针对煤体中瓦斯赋存与渗流问题,在二维情况下,通过数值试验研究揭示了连通团个数、最大连通团孔隙比随孔隙率和裂隙分形维数的变化规律.结果表明,在裂隙数量分布初值n0=1的标准情况下,随着裂隙数量、分形维数增加,连通团个数对应的孔隙率点由30%逐渐降低到20%左右;当孔隙率高于35%时,裂隙数量分形维数高于1 45以后,最大连通团孔隙比增加较快,低于此值时,所有连通团包含的孔隙数均极小,这就是煤体低渗透的本质.

试论岩体动力破坏的最小能量原理

通过对岩体在不同应力状态下的破坏方式、破坏特征及其能量转换进行分析，论证了岩体是一种有条件的物理不稳定性材料，其动力破坏遵循最小能量原理，得到了对岩爆等岩体动力现象的预测与防治研究有用的结果。