考虑基质渗透性的粗糙单裂隙非达西流动特性研究

粗糙单裂隙及其周围岩石基质是组成复杂岩体裂隙网络的基本单元,了解其中发生的流体流动行为具有重要意义。通过直接求解Navier-Stokes(N-S)方程开展三维粗糙单裂隙和裂隙-孔隙双重介质模型的渗流模拟工作,研究了裂隙表面粗糙度、匹配性和基质渗透性对粗糙单裂隙中发生的非达西流动的影响规律。结果表明:Forchheimer方程可以准确描述双重介质模型中粗糙单裂隙流体流量与压力梯度间的非线性关系;表面粗糙度和不匹配性的增大会加剧裂隙内部开度分布的不均匀性,增大裂隙的流动阻力而促进非达西流动的发生;可渗透基质会使得裂隙过流能力增强,通过粗糙单裂隙的流量最多可增大约14%,这会抑制非达西流动的发生;基质渗透性对裂隙过流能力增长的影响程度与表面粗糙度和不匹配性呈正相关。

粗糙岩石单裂隙非达西流动的试验和数值模拟研究

采用3D雕刻方式制作了一批具有特定粗糙度的砂岩裂隙样品,结合自行设计的可定量调整粗糙岩石单裂隙开度的装置,实现了在试验中对岩石单裂隙试样开度和表面粗糙度的定量化控制。开展一系列不同流量下的渗流试验,研究了平均开度和表面粗糙度对粗糙岩石单裂隙非达西流动的影响。结果表明Forchheimer方程可以准确的描述裂隙中流体流量与压力梯度间的非线性关系。分形维数是表征岩石裂隙表面粗糙度的有效参数,其增大主要导致裂隙的曲折程度增大而使流动路径变得更复杂,从而促进非达西流动的发生。建立了惯性渗透率与平均开度和分形维数之间的经验定量化模型,通过直接求解Navier-Stokes方程来开展三维粗糙单裂隙渗流模拟,验证了所建立模型的准确性和所开展渗流试验的可靠性。粗糙岩石单裂隙的平均开度越小、表面粗糙度越大则所建立的经验定量化模型预测的结果就越精确。

基于分子动力学模拟的钙基蒙脱石表面润湿性研究

蒙脱石作为土体中主要的黏土矿物之一,其表面的润湿性对土体膨胀机制有着重要的影响。目前已有大量的研究对蒙脱石的亲水性进行了分析,但原子尺度的润湿机制仍有待探究。为了从原子尺度上解释钙蒙脱石表面的亲水机理,以钙基蒙脱石为例,基于分子动力学模拟计算了水分子在其表面的接触角,并结合原子的径向分布函数和密度分布特征分析了水分子在钙基蒙脱石表面的润湿性。结果表明:在300 K温度下,水分子在钙基蒙脱石表面的接触角为18.03°,计算结果与前人的试验数据一致性较好;Ca-O_(water)和Ca-H_(water)的径向分布函数都呈现出双峰特性,而Ca-O_(water)的第一峰位更早出现,说明水中的氧更倾向于与钙离子结合形成水合钙离子;在表面离子产生的静电场作用的诱导下,表面水中的氧原子密度分布曲线呈现多个明显的峰,形成了有序的水化分层结构,进而导致蒙脱石表面呈现出明显的亲水性。研究结果可为进一步阐明蒙脱石吸水后引发的土体膨胀破坏和水土流失等现象提供理论依据。

松软煤层抗张强度及防隔水煤柱宽度的研究

在矿井生产过程中,为防止发生突水事故,常在井下设置防隔水煤柱。通过留设矿井防隔水煤柱,对矿井延长服务年限和煤矿水害防治具有十分重要的意义,而研究合理的防隔水煤柱宽度,能够更加安全、合理、高效地开采煤炭资源。通过点荷载试验测定了祁南煤矿34下6工作面采取的松软结构煤体的点荷载强度指数。考虑到尺寸效应,对不规则试件的结果进行修正后,利用点荷载强度间接获取松软煤层抗张强度。在矿井特定位置留设防水煤柱时,煤层的厚度和水头压力是固定的,煤柱的留设宽度仅为煤层的抗张强度的函数。因此,根据经验公式可计算出防隔水煤柱的合理留设宽度。

白鹤滩库首区砂岩结构多尺度演变机制

干湿循环作用下岩石结构多尺度演变机制是工程地质领域热点问题之一,而由于其复杂的结构体系具有随机性和无序性,导致阐述岩石样品同一区域微观结构与宏观力学结构性质之间的关系极具挑战.以白鹤滩水电站近坝址区砂岩为研究对象,采用低场核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)、亚微米级CT扫描(μCT)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等多种精细测试技术探究干湿循环作用下砂岩同一结构位置不同阶段力学性质、孔隙裂隙和矿物结构的演变特征.结果表明:粘土团聚结构中强亲水性矿物吸附水分子后,表面水化膜增厚,溶胀压力导致团聚体破坏;随着干湿循环次数增加,小孔隙数量、孔径增加,而大孔径孔隙并未呈现单调增加趋势;孔-裂隙连通性明显改善,导致砂岩单轴抗压强度呈现指数下降趋势,破裂面裂隙趋于复杂化.最后基于详细的微结构演变证据并结合矿物-水分子模拟揭示了砂岩结构多尺度演变机制.研究成果对由岩石结构劣化诱发的地质灾害研究具有重要意义.