含瓦斯煤岩构造界面剪切-渗流耦合试验方法及教学设计实践

富含瓦斯的煤系断层/裂缝等地质构造界面结构在自然界煤岩体中广泛存在,含瓦斯煤岩构造界面剪切渗流耦合作用机制与煤系构造区域瓦斯动力灾害密切相关。基于此,该文介绍了含瓦斯煤岩构造界面剪切渗流耦合系统试验方法,重点分析了煤岩试样滑动界面的剪切力学特征,以及界面物理结构特征演化和高度表征方法。结果表明:煤岩界面剪切力学响应由煤层构造界面凸体承担,界面凸体强度越高峰值剪切强度越大,同时黏滑应力降增大但相应黏滑事件频率降低;其他条件一定时,增大法向应力使得煤岩构造界面剪切强度增大,能够积累更多的应变能,在剪切过程内黏滑次数更少,但是在达到阈值破裂失稳时会产生更大的应力降,释放更多能量。该研究成果可对探究含瓦斯煤岩界面剪切力学特性以及阐明含瓦斯煤岩构造界面动力失稳诱发灾害提供理论指导;同时该文将科研成果反哺教学,基于“试验系统—试验方法—结果分析—物理表征”相结合的方法,把科研理论和现场技术难题相结合,为产学研融合以及科研-教学协同提升提供相应的探索。

渗透水压作用下完整砂岩剪切-渗流耦合试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了渗透水压作用下完整砂岩试件剪切-渗流耦合特征试验研究。结果表明:(1)在恒定渗透水压情况下,法向应力越大,砂岩的抗剪强度越高,法向变形则越小,砂岩的剪切变形过程可分为3个阶段:剪切变形的线性增长阶段、非稳定破裂发展阶段和剪断后的摩擦滑移阶段;(2)在恒定渗透水压情况下,法向应力越小,法向和剪切变形量越大,剪切断面的起伏程度越大,表面次生裂纹发育越明显、发育范围越宽,砂岩的破坏程度越严重;(3)在整个剪切过程中,剪应力出现几次明显的应力降,首次应力降出现在线弹性变化末期,同时伴有水流流出,说明首次应力降是第一条宏观贯通的裂纹所致,且法向应力越大,裂隙越窄,导水能力越差。

剪切-渗流作用下煤岩剪断面形态特征试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了不同法向应力作用下煤岩剪切-渗流耦合试验研究,并对剪断面进行立体扫描,分析不同法向应力作用下煤岩剪断面的二维断面特征参数和三维断面特征参数。结果表明:(1)煤岩试件剪切破坏主要是塑性破坏,在恒定气压条件下,法向应力越大,煤岩的峰值剪应力越高,且煤岩的峰值剪应力与法向应力近似呈线性关系;(2)法向应力是煤岩剪断面形态特征的影响因素之一,在恒定气压条件下,其施加的法向应力越大,二维断面特征参数和三维断面特征参数基本都呈减小趋势,也即法向应力越大,煤岩剪断面的起伏度和粗糙度都越小;(3)在煤岩剪切过程中,法向应力能通过影响剪切裂纹的扩展区域进而影响煤岩试件的渗流特性和剪断面的形貌特征。

不同充填度下岩体剪切-渗流耦合试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展不同充填度下含结构面砂岩相似材料剪切-渗流耦合特性试验研究。结果表明:(1)在恒定水压情况下,充填度越大,相似材料的峰值剪应力越小,法向位移越大且发生剪缩现象,一定充填度范围内流量峰值也越大;(2)剪切过程中流量变化主要受充填物中产生的裂隙控制,剪切位移越大,裂隙越发育,流量越大。法向位移对流量变化有一定影响,但随着充填度的增大,影响越来越小;(3)随充填度的增加,充填物的破碎程度逐渐增大。充填度较小时,其主要受到裂隙开度的控制;充填度较大时,主要受法向力影响。由于渗透水的软化作用,结构面的磨损程度逐渐减小。

常法向刚度条件下岩石节理剪切-渗流特性试验研究

为研究常刚度(CNS)边界条件下节理的剪切-渗流耦合特性,针对3种不同节理粗糙度的复制节理试样进行了3种不同刚度、3种不同渗透水压力条件下的剪切-渗流试验,全面系统地分析了法向刚度、渗透水压和节理粗糙度等因素对节理剪切过程中力学特性和渗流特性的影响。试验结果表明:节理峰值剪切强度随法向刚度的增加而增加,流量、等效水力开度和透过率随法向刚度的增加而减小;节理峰值剪切强度和法向位移均随渗透水压的增大而减小,流量、等效水力开度和透过率随法向刚度的增加而增加;通过节理面的流量随节理粗糙度的增加而减小。剪切过程中流量、等效水力开度和透过率均呈现类似于节理剪胀的三阶段变化规律:快速增长阶段、增速变缓阶段和稳定阶段;稳定阶段流量随法向刚度和渗透水压的变化近似呈线性关系,随着渗透水压的增加,粗糙程度较高的节理流速较慢。

花岗岩干热岩体裂隙的大位移动态剪切-渗流特征

水力剪切是干热岩地热、页岩气等深部能源开采的又一重要技术手段,水力剪切在提高储层渗透性的同时还会诱发地震。水力剪切增透和注入诱发地震的本质均是节理裂隙/断层的剪切-渗流。为深入研究不同诱因下,节理裂隙/断层岩体的剪切-渗流特性演化特征,利用自主研发的高围压大位移实时剪切渗流装置,研究了花岗岩干热岩体裂隙在剪切蠕变、剪应力增加、水压力增加和位移速率增加4种诱因引起的滑动过程中的渗流特征,并利用现有的速率-状态方程分析了诱发地震过程中裂隙/断层的摩擦特性。结果表明:①在三轴静水压力下,花岗岩裂隙内的注水压力与注水流量之间呈线性关系,裂隙的等效张开度与渗透率随法向应力的增加呈负指数衰减特征。②剪切蠕变、注水压力、剪切应力速率和剪切位移速率4种诱因所引起的裂隙/断层的黏滑均导致裂隙/断层的渗透性显著增加,且滑移变形和滑移速率越大,渗透率增幅越大。4种诱因中,剪切蠕变引起的渗透率增幅最小,剪切应力速率引起的渗透率增幅最大。③在剪切-渗流过程中,速率-状态摩擦定律仍然可以用于分析裂隙/断层的稳定性特征,随着黏滑次数的增多,剪切应力降、b值(即摩擦因数随时间或变形的降幅)及滑移速率等摩擦参数在规则黏滑中以对数形式增长,断层滑移的不稳定程度增加;而在混沌黏滑中,上述参数符合朗格缪尔方程,并趋向于0,断层滑移的不稳定程度降低。

不同渗透水压下完整泥页岩剪切-渗流特性研究

为了探索高压水力浸润带和消落带岩体在压剪荷载与流体入渗双因素耦合作用下剪切渗流特性的衍化规律,利用自主研发的一套新型岩石剪切-渗流耦合试验系统,对饱水泥页岩进行了常法向荷载条件下不同渗透水压的剪切-渗流耦合试验和剪切蠕变-渗流耦合试验。试验结果表明:(1)随着渗透水压力的增加,饱水泥页岩剪切强度峰值、法向变形峰值以及剪切蠕变破坏强度均有所下降,说明渗透水压力对岩样力学强度具有损伤效果。(2)在剪切-渗流耦合试验过程中,岩样剪应力与法向变形在线弹性变化的末期会出现明显的上下波动现象,并伴有水流流出,剪应力和法向变形的突变点在时间上具有一致性。(3)在剪切蠕变-渗流耦合试验过程中,水流渗出速率与渗透水压力大小呈正相关,随着剪切荷载施加等级的提高,岩样蠕变变形量增大,单位时间内累计渗出水量亦有所提升。

花岗岩单节理剪切-渗流耦合特性试验研究

在介绍JAW-1000型岩石单节理剪切-渗流耦合试验系统的结构和各项功能的基础上,应用该系统对4组花岗岩节理试件进行了常法向荷载和常法向刚度2种条件下的剪切-渗流耦合试验,分析花岗岩节理剪切过程中的剪切应力、法向位移及水力开度的变化规律。结果表明,花岗岩节理的剪切应力、法向位移及水力开度均呈现2个阶段的变化规律;随着剪切次数的增加,节理面的峰值剪切应力及残余值降低,剪胀点延迟,节理面的初始水力开度显著提高,法向位移和水力开度变化曲线逐渐趋于平缓。

高应力和高渗压下饱和完整砂岩三轴剪切-渗流耦合特性试验研究

为研究高地应力和高水头压力下完整岩石的三轴剪切力学特性和渗透特性,更加真实地揭示三维压剪应力状态下重大岩石边坡在剪切-渗流耦合作用下的损伤破坏机制,采用Rock Top多场耦合试验仪,对饱和完整砂岩进行五组不同法向应力和渗压下的三轴剪切-渗流耦合试验,获得相应的三轴剪应力-应变-表观渗透率曲线和含有原岩屑的剪切单节理裂隙面,并开展单节理裂隙渗透试验。分析不同法向应力和渗压双因素耦合作用下岩石剪切破坏裂隙面的形貌特征,探究饱和砂岩的剪切强度和表观渗透率随法向应力、渗压的演变规律,探讨单裂隙砂岩的表观渗透率在剪应力逐渐减小过程中随渗压的演化特征。研究结果表明:1)剪切-渗流耦合作用下饱和砂岩表观渗透率表现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的变化规律;2)剪切-渗流耦合下饱和砂岩剪切峰值强度和残余强度随着法向应力增大而增大,随着渗压的增大呈线性减小,并且在剪切过程中表观渗透率曲线渗流峰值滞后于剪切峰值强度;3)在剪应力缓慢降低过程中,单节理裂隙面的开度先降低后增大,其表观渗透率和渗流量呈现出先减小后增大的变化规律;4)采用Forchheimer方程拟合获得剪应力、渗压和法向应力作用下,贯穿单裂隙面的渗流量与渗压的关系式。

渗流条件下花岗岩残积土渗流-剪切变形试验研究

采用福建闽南地区花岗岩残积土重塑试样,选取渗流压力、渗流时间、主应力差、试验围压4个主要影响因素,运用SLB-1型三轴渗流-剪切试验仪进行4因素4水平渗流-剪切正交试验。研究分析了渗流压力、渗流时间、主应力差、试验围压对试样最大轴向变形影响的主次关系、各因素对试样最大轴向变形影响特性。结果表明,影响因素主次关系排列顺序为主应力差、渗流时间、试验围压、渗流压力;随着主应力差的增大,试样最大轴向变形不断增加,且增加幅度较大;随着渗流时间和渗流压力的增加,试样的最大轴向变形增大,但上升幅度不大;随着试验围压的增大,试样的最大轴向变形不断减小。

规则齿形结构面剪切-渗流耦合特性

岩石结构面是工程岩体的重要特性,而其渗流特性往往是影响其稳定性的重要因素。为进一步研究岩体结构面的渗流特性,将天然结构面试样的表面形态简化为规则齿形,利用石膏浇筑了人工岩石结构面,并对其开展一系列的结构面剪切-渗流耦合试验,研究结构面剪切过程中水力特性及力学性质的变化规律。试验结果表明:规则齿形结构面的抗剪强度与齿形的角度、法向荷载和渗透压力密切相关;渗透压力对结构面起到软化作用,在较高渗透压力下抗剪强度明显减小,水力开度明显增大;结构面在剪切过程中的切齿效应也随渗透压力的增大而更加显著。

剪切破坏过程中岩体单裂隙力学及非线性渗流特性试验研究

裂隙岩体在复杂应力和渗流环境下的物理力学特性对库坝系统岩体稳定极为重要。为了厘清剪切-渗流耦合作用下的岩体裂隙力学及渗流特性,通过制作类岩试件开展了岩体单裂隙剪切-渗流耦合试验,分析了剪切过程中裂隙剪切强度、法向位移增量、剪胀角、FORCHHEIMER定律系数等参数的演化过程,以峰值剪切位移为分界点,基于PATTON强度公式以及峰后剪胀公式构建了全剪切强度计算公式。以FORCHHEIMER定律为基础阐明了高水压和剪切破坏共同作用下裂隙非线性渗流特性的演化过程,揭示了FORCHHEIMER定律线性项及非线性项系数的演化过程,建立了用于判断渗流流态的临界雷诺数计算公式。结果表明:剪切破坏产生的碎屑充填物对裂隙峰后剪切强度、剪胀角和渗流特性影响显著,构建的剪胀公式和剪切强度计算公式可确定任意时刻的裂隙剪切强度值和隙宽变化值;由于水流惯性力的影响高渗压作用下裂隙非线性渗流特性显著,剪切过程中FORCHHEIMER定律线性项及非线性项系数不断减小并趋于稳定,并且临界雷诺数在剪切过程中不断增大。

岩石单节理面剪切与渗流特性的试验研究与数值分析

基于几组具有自然岩石节理表面特征的试件在高性能直接剪切–渗流装置上进行不同荷载边界条件下的剪切–渗流试验。利用新开发的渗流可视化系统对其中一组试验进行可视化研究。考虑节理面上的接触领域的非透水性,用有限元法对节理中的渗流进行数值模拟。试验和数值模拟的结果揭示了节理剪切过程中接触领域中透水系数及流路的一些变化规律,以及节理表面粗糙度对剪胀效应和流路分布特征的重要影响。

结构面破坏时单裂隙变形及渗流规律研究

【目的】研究粗糙结构面在剪切过程中发生大规模破坏时的裂隙变形及渗流变化规律,为岩体裂隙应力-渗流耦合研究提供参考。【方法】对完全和非完全咬合状态下的规则齿结构岩面,采用常法向应力作用下的剪切-渗流耦合试验,测定法向应力为1.91 MPa、水压为0.6 MPa时结构面剪切强度及剪切位移的变化,并在完全咬合的基础上改变水压分别为0.4,0.6和0.8 MPa,测定剪切过程中流量的变化。【结果】裂隙结构面咬合状态对剪切强度变化曲线以及法向位移变化曲线有较大影响,基于此推导出一种更接近试验结果的辐向流立方定理公式。结构面破坏之前水流的非完全轴对称性流动、水流漩涡以及粗糙度和接触面积等因素使得计算结果与试验结果之间有较大差异,流量的计算结果与试验结果差值(ΔQ)最大达41.5cm3/s,此外ΔQ会随机械隙宽的增加而增大。当水压从0.4MPa增大到0.6和0.8MPa时,ΔQ分别增加5和8.2cm3/s,渗透系数分别降低0.27和0.47cm/s,机械隙宽与水力隙宽的比值分别增加0.04和0.06。【结论】裂隙结构面在复杂应力条件下的抗剪强度和变形与结构面咬合状态密切相关,结构面破坏形态、水流形态以及水压对裂隙渗流规律影响较大。

断层带破碎岩体采动剪切变形与渗透性演化规律

为探索采动影响下的断层活化突水机理,开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统,实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程,开展多因素影响下的破碎岩体剪切-渗流耦合试验,获得连续剪切过程中颗粒级配和初始孔隙率对孔隙率和渗透性参量的影响规律。结果表明,连续剪切条件下,破碎岩体的渗透率和孔隙率变化过程大致相同,可分为3个阶段:缓慢增长阶段,破碎岩石颗粒由散乱状态向有序的组织结构调整;加速增长阶段,破碎岩石颗粒剪切膨胀;增速放缓阶段,破碎岩体颗粒的剪切变形在围压的约束下达到动态平衡。试样Talbot指数越小或初始孔隙率越大,渗透率和孔隙率敏感性越强,渗透率和孔隙率越大;非Darcy流β因子的演化规律与渗透率的演化规律相反。结合数值模拟发现,剪切作用下破碎岩体剪切带内岩石颗粒的运移是剪胀现象发生的主要原因,破碎岩体剪胀过程中颗粒的力链由随机分布向特定方向转化,表现为局部孔隙和孔喉的膨胀,是孔隙率和渗透率增加的主要原因。研究成果可为深部煤矿突水灾害机理揭示与灾害防治提供参考。

单节理结构面试件在渗流状态下抗剪强度研究

岩石结构面的表面形态和渗流特性是影响其力学特性的重要因素,而二者又是相互影响的.针对不同角度的规则齿形结构面试件,分别进行了不同法向荷载和渗透压力条件下的剪切-渗流耦合试验,研究结构面剪切过程中力学特性.结果表明:规则齿形结构面角度、法向荷载以及渗透压力等因素对结构面的抗剪强度及破坏方式有着较为明显的影响.在渗透压力存在条件下,结构面剪切过程中,抗剪强度随渗透压力的增大而减小,水力开度随渗透压力的增大而增大;结构面切齿(岩体)随渗透压力的增大,更易剪断.此外,通过综合分析各因素对抗剪强度的影响,最终得到了规则齿形结构面在剪切-渗流耦合条件下的抗剪强度经验公式,并与试验值进行了对比.

高温及动态剪切下花岗岩裂隙渗流与传热特性试验研究

深部地热储层赋存有大量闭合裂隙,通过注水诱发裂隙剪切滑移,可实现储层渗透及换热性能的改造。开展不同温度(25℃~300℃)条件下花岗岩裂隙动态剪切–渗流–传热试验,分析花岗岩裂隙动态剪切滑移过程中实时渗透率与对流换热系数演化,定量表征裂隙面形貌及微凸体剪切损伤,揭示高温作用下花岗岩裂隙剪切损伤对渗流及传热特性影响机制。结果表明:(1)花岗岩裂隙渗透率与对流换热系数随剪切滑移呈平稳–增长–衰减三阶段变化特征,这与裂隙面微凸体剪缩、剪胀、剪断及碎屑物堵塞等有关;(2)随着花岗岩温度由25℃增至300℃,初始平稳段渗透率变化不大,而剪切滑移过程中增长段与衰减段的渗透率增幅K_(2)/K_(0)和K_(3)/K_(0)均减小,其中K_(2)/K_(0)由159.75降至30.58,而K_(3)/K_(0)由148.68降至3.03;(3)花岗岩裂隙剪切过程中,对流换热系数变化与渗透性呈正相关关系,且花岗岩温度越高,对流换热系数越大;(4)花岗岩温度越高,裂隙面微凸体剪切破坏越严重,当温度由25℃增至300℃,损伤体积由508.1 mm^(3)增至729.3 mm^(3),裂隙面剪切磨损物粒径越小,磨损物堵塞对裂隙渗透率及对流换热系数的衰减作用更加明显。研究结果对高温岩体地热开采过程中高温岩体裂隙运动变形及热能高效开采具有一定理论指导意义与价值。

渗流状态下非规则砂岩节理峰值剪切强度经验公式

为研究渗流条件下岩石节理的剪切力学特性,采用基于RDS-200型岩石直剪仪改造的剪切-渗流试验装置,分别进行了10组无渗流自然状态下和25组渗流状态下的非规则砂岩节理直剪试验,分析渗透水压、法向应力和节理粗糙度等因素对岩石节理剪切力学特性的影响,并提出渗流状态下非规则砂岩节理峰值剪切强度经验公式。研究结果表明,与无渗流自然状态相比,岩石节理在渗流作用下整体呈现峰值剪切强度减小,峰值剪切位移增大和峰前剪切刚度减小的特征。基于Barton提出的岩石节理峰值剪切强度经验公式,结合有效应力原理,并考虑渗透水压对基本摩擦角的影响,提出渗流条件下非规则砂岩节理峰值剪切强度经验公式。该公式仅增加了2个易于获取的试验参数(岩石节理壁强度JCS和渗透水压),对渗流条件下砂岩节理剪切强度试验数据拟合效果较好,对于准确估计渗流条件下岩石节理峰值剪切强度具有一定帮助。