Quantitative calculation for the dissipated energy of fault rock burst based on gradient-dependent plasticity

The capacity of energy absorption by fault bands after rock burst wascalculated quantitatively according to shear stress-shear deformation curves considering theinteractions and interplaying among microstructures due to the heterogeneity of strain softeningrock materials. The post-peak stiffness of rock specimens subjected to direct shear was derivedstrictly based on gradient-dependent plasticity, which can not be obtained from the classicalelastoplastic theory. Analytical solutions for the dissipated energy of rock burst were proposedwhether the slope of the post-peak shear stress-shear deformation curve is positive or not. Theanalytical solutions show that shear stress level, confining pressure, shear strength, brittleness,strain rate and heterogeneity of rock materials have important influence on the dissipated energy.The larger value of the dissipated energy means that the capacity of energy dissipation in the formof shear bands is superior and a lower magnitude of rock burst is expected under the condition ofthe same work done by external shear force. The possibility of rock burst is reduced for a lowersoftening modulus or a larger thickness of shear bands.

断层群影响下工作面冲击地压致灾机理研究

为了深入研究工作面开采扰动下过断层群时诱发冲击的致灾机理,选取屯宝煤矿M4-5煤层WII02040501工作面为研究对象,研究断层群在工作面开采扰动过程中对工作面冲击致灾机理的影响,采用数值模拟研究工作面过断层群时围岩应力和能量演化规律,结合PASAT探测煤体应力研究工作面过断层群区域时应力演化,得出工作面在断层群“多场”影响下的演化特征,揭示断层群区域的滑移失稳及冲击致灾机理。研究结果表明,工作面回采前、后断层群对工作面应力分布均产生明显影响,工作面过煤层群时应力及能量产生“卸压”效果,呈现出提前活化现象,当过大落差断层群时应力及能量升高产生突变现象,断层损伤整体呈现出“由上到下、由中间到两侧”的特点,冲击危险明显增大;结合现场PASAT实测得出断层对煤层应力集中程度影响明显,验证了冲击危险区域分布特征受断层群煤体应力集中程度影响较高,为工作面过断层群冲击地压灾害预测提供了理论指导。

基于跨频段实验的页岩油藏有利岩相弹性特征分析——以陈沱口凹陷新沟嘴组下段Ⅱ油组为例

页岩油藏岩相复杂,纵向变化较快且非均质性强等因素导致“甜点”地震预测存在困难。明确复杂岩相地层的地震岩石物理特征,对提高测井解释和地震定量预测的精度具有重要意义。为此,对陈沱口凹陷新沟嘴组下段Ⅱ油组页岩油层系的33块取芯样品进行了物性和跨频段(低频1~1000 Hz,超声频段1 MHz)岩石物理参数测试。结合地质认识,分析了岩石弹性各向异性与成岩矿物、微观孔隙结构之间的机理联系,从而以岩石物理手段提供可识别有利岩相的跨频弹性属性。研究结果表明,新沟嘴组下段Ⅱ油组的页岩层系在该区具有极低孔隙度和超低渗透率,其白云石晶间孔隙发育较少,而纹层结构、陆源碎屑矿物及其含量对云质页岩的孔隙度有正向影响。此外,基于矿物和微观结构等物性数据与超声实验测量的弹性参数之间的关系表明,矿物组分和孔隙结构对页岩层系岩石的弹性性质影响较大;纹层状构造、水平裂缝和黏土矿物的定向排列是研究区弹性各向异性的主要原因。最后,基于典型岩心宽频测试数据和频散理论模型估算了全部岩心速度频散,以此提供识别有利岩相的跨频段(2.2,24.0,1.0×10^(4),1.0×10^(6) Hz)弹性参数组合分别为拉梅系数×密度和泊松比、纵波阻抗和纵横波速度比。研究结果可为岩石物理实验和理论建模为基础的跨频段(地震、测井和实验室超声)数据联合应用以及地震定量预测研究提供指导和数据支撑。

断层岩爆是应变局部化导致的系统失稳回跳

讨论了应变局部化、岩爆及Ⅱ类变形行为的关系,并利用梯度塑性理论得到了4种等效的回跳准则。局部化是岩爆的前兆之一,也是出现Ⅱ类变形行为的原因。利用最小势能原理及梯度塑性理论,可得到系统的失稳判据;利用位移法,可以得到系统的Ⅱ类变形行为。若非弹性剪切位移(或平均塑性剪切应变)的增加快于弹性剪切位移(或平均弹性剪切应变)的降低,将出现Ⅰ类变形行为;反之,将出现Ⅱ类变形行为。弹性区与剪切带宽度的比率越大,或剪切弹性模量与剪切降模量的比率越小,系统越容易失稳。

三维地应力测量及地质力学分析

针对地应力场测量给出的区域最大主应力方向常常有争执,且不同的测量方法结果也不同。采用现场测试和地质力学对地应力场进行分析,以研究工程两侧坝肩岩体的稳定状况并为其设计与施工提供可靠的理论依据。现场测试采用套孔应力解除法,使用36-2型钻孔变形计采集数据,结合室内弹模试验,分析计算得出坝肩岩体地应力的大小、方位、倾角,并对计算结果进行分析,得出工程区地应力的分布特征。地质力学分析方法对场区共轭剪节理和断层面的产状、擦痕侧伏角及移位等地质信息进行分析,引入赤平投影分析计算原岩主应力方向。通过这两方面的对比研究,结果表明:(1)实测原岩应力与地质力学分析结果基本吻合,可靠性较高;(2)场区测点处应力作用方式以地形地貌与构造应力综合控制为主导,最大主应力大小为11.8～20.8MPa,总体方位左岸为NW～NNW,右岸为N～NNE,方向在坝肩两侧基本上与峡谷壁面平行,向峡谷侧下方倾斜;(3)场区三向应力状态应属潜在走向滑动型。

基于能量原理的岩样单轴压缩剪切破坏失稳判据

利用能量原理对倾斜的剪切带-带外弹性岩石构成的系统的稳定性进行了研究。单轴压缩岩样沿轴向的变形被分解为两部分,带外弹性岩石压缩引起的变形和剪切带错动引起的变形。后者与剪切带的相对剪切变形具有简单的几何关系。系统的总势能由剪切带的弹性及耗散势能和带外弹性岩石对剪切带所作的外力功构成。剪切带的弹性及耗散势能与剪切带的体积有关系。剪切带的尺寸由梯度塑性理论确定。将系统的总势能对相对剪切变形求一阶导数(等于零),得到了弹性岩石的平衡条件。将总势能对相对剪切变形求二阶导数(小于零),得到了系统的失稳判据。它综合反映了岩石材料弹性及应变软化阶段本构参数(弹性模量及软化模量)、剪切带之外弹性岩石的尺寸、剪切带的尺寸及系统的结构形式(剪切带倾角)对系统稳定性的影响。失稳判据比以往所得到的失稳判据更严格,更精确,更具有广泛意义。

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。

加载速度对断层-围岩系统变形及快速回跳的影响

在平面应变状态下,采用拉格朗日元法模拟了加载速度对断层-围岩系统形成时的应力水平、塑性区尺寸及剪切带图案、系统的最大承载能力以及快速回跳发生时的应力水平的影响。在数值计算中,采用了莫尔-库仑与拉破坏复合的破坏准则。峰后岩石的本构关系为线性应变软化。通常断层带-围岩系统形成之后系统的承载能力达到最大,之后系统的承载能力开始下降处于应变软化状态。当位于试样加载端上的单元的压缩应力-压缩位移曲线的峰后刚度足够大时,系统就会发生弹性回跳现象,即失稳破坏。随着加载速度的增加,断层带-围岩系统形成时的应力水平、断层带-围岩系统的最大承载能力、快速回跳发生时的应力水平及上述三者所对应的加载端部位移都增加,屈服单元数目增多,塑性区域不再保持平直,这都将大大增加系统的变形阻力。当加载速度较大时,较高的剪切应变率集中在断层带位置及断层带之外的弹性体的某些区域都是可能的。

断层-围岩系统的形成过程及快速回跳数值模拟

采用 FLAC 模拟了断层-围岩系统的形成过程及位移的分布规律．计算中采用了莫尔-库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石本构关系为线性应变软化．两条断层带(或剪切带)汇交时系统形成,之后其承载能力下降．在断层带左侧,由于在系统承载能力降低的过程中,弹性应变的快速恢复,出现了快速回跳现象(系统失稳)．在断层带之外,位移分布是均匀的．在断层带位置, 存在较大的位移梯度．系统承载能力越低,位移梯度越大．远离加载端的区域先回跳,然后回跳区域逐渐扩大,向加载端传播,直到整个系统都回跳．上述过程持续的时间步数较少,说明了系统失稳的突发性．系统整体回跳发生于应变软化阶段．

紫木凼金矿控矿断层带的变形特征及其与成矿作用关系的讨论

紫木凼金矿的控矿断层是一条低角度逆断层。断层岩的变形特征为低温变形，断层岩主要为碎裂岩类，变形温度在２００℃左右。断层岩在平面上分带特征明显，可划分为碎裂岩－节理密集带，磨砾岩－剪切旋转带和断层泥－局部压溶带等三个带。随着变形程度的增加，金元素有明显的富集趋势，峰值区位于断层泥－局部压溶带内，即金元素的富集与岩石变形过程中的压溶作用有关。

江汉油区建设地下储气库库址优选研究

针对川渝地区天然气东输武汉的建设工程 ,开展对江汉油区现有油气藏进行地下储气库选库研究 ,优选出4个不同类型库址目标进行综合地质评价。从油气藏构造、断层及盖层的封闭性研究 ;储集层及其隔夹层分布特征研究 ;地层及沉积环境分析 ;流体性质、油气层分布规律及储量评价 ,储气库库容估算 ,综合评价了建库地质条件。对优选区块的开发历程、开采特征及现状、目前油层油水分布状况、水体分布及水体体积计算进行了研究。最后对每个区块建库有利条件及不利因素进行了综合评价。

受断层影响的采场冲击地压危险区域划分研究

对安徽省朱集东矿首采面冲击地压倾向进行了鉴定,测试的煤样动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能量指数平均值显示无冲击倾向,但个别试样具有冲击地压倾向,说明在开采条件具备时具有冲击危险。根据工程实际,重点分析工作面构造、顸板运动、煤柱留设等对冲击地压的影响,为合理划分冲击危险区域提供了依据。

模拟弹塑性上地壳中逆断层盆地的演化

利用黏弹塑性有限元分析方法 ,模拟了厚为 1 0km的上地壳 (假定上地壳具有Byerlee型强度包络 )中以逆断层为边界的盆地的演化 ;假定基底无黏性 ,而盆地中充填的沉积物密度比地壳密度小 40 0kg/m3 。随着每次以 0 .2 5km位移增量逐渐挤压地层 ,塑性破裂区扩大 ,直至挤压位移至约 5 .5km时 ,出现了破裂切穿整个地层的现象。当达到这种状态时 ,盆地的沉降减慢 ,最终停止。地层被挤压至位移 5 .5km后形成一个 30km宽、5km深的盆地。整个演化过程中 ,盆地转折线逐渐向断层移动。切穿破裂出现以后 ,地层被继续挤压到位移 8km ,以便观察研究断层两侧的挤压褶皱构造。这些褶皱是从早期轻微的挠曲起伏演化而来的 ,到挤压位移 3km时 ,它们开始明显增强 ,到挤压位移 8km时 ,已经形成非常大的背斜和向斜 ,其幅度从断层向两侧逐渐减小。

三维磁化率反演在识别方正断陷火山岩中的应用

以带通滤波取得的磁异常为基础数据,采用三维磁化率物性反演,搞清了方正地区的磁化率在三维空间的变化特征,认为三维磁化率物性反演能够识别一定规模的火山岩,并具有一定的可靠性.利用带通滤波、三维物性反演成果及钻井资料预测的方正断陷火山岩分布规律表明：方正断陷火山岩主要由5个火山岩体（以气孔状、杏仁状玄武岩为主）组成,其中的大林子火山岩体因受断裂控制具有较好的油气勘探前景.

用煤岩层对比法寻找断失煤层

通过实例说明生产过程中,用煤岩层对比法寻找断失煤层的方法、步骤,取得了良好的技术经济效果。

梯度塑性理论及其在地质灾害预测研究中的应用

岩石结构稳定性问题是岩土工程实践中迫切需要解决的重要课题之一。文章以地震为例,讨论了地质灾害的局部化特征,介绍了经典弹、塑性理论的某些缺陷及梯度塑性理论的几点优越性:(1)控制方程总是适定的;(2)病态网格依赖性消失;(3)局部化带宽度由材料的内部长度完全确定;(4)可对岩石结构的尺寸效应及失稳回跳进行合理解释和预测;(5)对预测宏观及微观问题均比较有效。介绍了基于梯度塑性理论的岩石变形、破坏及稳定性研究进展。梯度塑性理论可用于研究单轴压缩条件下,岩石试件发生剪切破坏时全程应力-应变曲线、尺寸效应、剪切带倾角尺寸效应及失稳回跳等问题,它们对土木工程及岩土工程均十分重要。若将单轴压缩岩样比拟为矿柱,则该失稳判据即为矿柱岩爆准则。梯度塑性理论可用于研究韧性断层带内部应变、应变率分布规律、断层带错动位移及带内孔隙度分布规律,为韧性断层带定量分析提供了新的手段。此外,该理论还可对直剪试验机———岩样系统不稳定性进行分析,系统失稳可比拟为断层岩爆。发展基于梯度塑性理论尺度律及失稳判据等解析解一方面可加深对岩石变形、破坏的理解;另一方面,还可用来检验数值结果的正确性。

古构造残余应力场对震源的作用

本文根据中国西南部四个强震带残余应力场水平和铅直分布的测量和实验研究结果，讨论了古构造残余应力场对震源的作用：降低震源岩体强度，增大震源岩体形变，与现今应力场迭加在一起促成地震，随岩体破裂释放残余弹性能加到震源释放的现今弹性能中去提高震级和地震活动水平。

基于弹性地基梁理论的跨活断层隧道围岩-衬砌体系破坏机制研究

随着我国西部高烈度地区的隧道工程建设的持续深入发展,长大隧道将不可避免地穿越复杂不良地质区域,接近或跨越活动断裂带,面临严重的错断威胁。将温克尔弹性地基梁理论引入跨活断层隧道抗错断问题的研究中,从几何学和理论力学等角度,将隧道简化为作用在地层上的弹性地基梁;采用法向弹簧与切向弹簧模拟地层与结构的相互作用,并利用有限元数值模拟手段,建立跨活断层隧道围岩-衬砌体系数值模型。基于数值模型,探索了断层错动条件下围岩-衬砌体系位移变化规律,研究了跨断层隧道力学响应特征,同时,深入分析了断层破碎带关键参数对围岩-衬砌体系错断响应的影响。研究结果表明:断层两盘错动影响范围主要集中在断层错动面两侧各30 m的范围内;在中心剪切带处,围岩上下两盘位移连续;衬砌在断层上下盘内受到相反的弯矩作用,在断层破碎带内隧道以受压为主,而在远离断层带处主要呈受拉状态。此外,不同的断层倾角、破碎带宽度、岩体质量等级均对围岩-衬砌体系错断响应有一定影响,跨断层隧道穿越活断层的最佳角度为正交;断层破碎带宽度较大的情况易避免衬砌发生应力集中的现象;断层破碎带岩体质量等级越高,隧道受到断层错动作用越显著。该研究成果可为跨断层隧道抗错断设计提供一定的参考与理论支持。

渤海湾盆地车镇凹陷断裂带微观特征

断裂带具有复杂的内部结构,多由断层核和破碎带组成(贾茹等,2017;付晓飞等,2013;陈伟等,2010)。断层核一般紧邻滑动面发育,主要由多种类型的断层岩(断层角砾岩和碎裂岩)构成,破碎带由次级断层、裂缝和节理或者变形带等组成。受控于微观构造特征,不同类型的断层岩孔隙度和渗透率差异明显,其空间分布和演化特征决定了断裂带的输导性和封堵性,不仅影响流体运移的路径,而且对储层的物性具有重要的影响。

煤岩力学参数对断层型冲击地压影响的数值模拟分析

为了研究煤岩力学参数影响下断层附近应力演化规律,基于FLAC3D数值模拟软件,分析煤层弹性模量、煤岩埋深以及顶板岩性等不同条件下断层附近应力峰值与弹性应变能的演化规律。结果表明,工作面煤壁前方断层附近应力集中程度与弹性模量呈负相关,与煤岩埋深以及顶板岩性坚硬程度呈正相关。研究结果可为相似煤岩条件下工作面遇断层安全开采及巷道布置提供依据。