深部采矿岩石力学进展

随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题,论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展,主要包括:(1)提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法,进行了千米深井现场工程应用;(2)构建了深部“非均压建井”模式,研发了实现深井稳定提升的SAP系统,形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法;(3)研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统,揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性;(4)研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统,阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为;(5)提出了深部巷道开挖补偿支护理论,进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术;(6)研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统,提出了热害治理和热能资源化利用方法,建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用,可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。

煤炭开采等地下工程问题的数字岩石力学解决方案

煤炭开采等地下工程的可观测性极为有限,导致很多复杂的工程问题难以获得可靠的事前分析依据,尤其在面临深部作业和高强度开采所带来的全新工程环境时,现有理论体系和技术方案的适用性面临着严峻的挑战。基于数字化时代的技术发展特点,提出了融合数据规律、力学逻辑和工程经验的数字岩石力学解决方案;充分利用工程数据中包含着真实工程规律的客观特点,建立了理论成果、工程经验与数据规律挖掘进行底层融合的具体模式;借助煤岩物理力学参数无损推断场景,验证了上述技术路径的可行性,实现了兼具可靠性和可解释性的数据挖掘利用。进一步构建了以煤岩物性、矿井结构和空间应力为基本要素的数字岩石力学理论体系,提出了以“工程素描—物理嵌入—业务融合—决策生成”为步骤的数字岩石力学地下工程通用作业模式,并通过在复杂工程现场的应用检验了数字岩石力学解决方案的可靠性,为煤炭开采等地下工程的数字化转型、智能化升级提供了切实可行的实现路径。

苏北盆地古近系阜宁组二段页岩油储层岩石力学特征及其控制因素

为查明苏北盆地页岩油储层可压性特征及压后孔、缝变化规律,以古近系阜宁组二段(阜二段)为研究对象,对岩石力学特征、压裂效果及其影响因素进行研究。用计算机高分辨断层扫描成像技术(多尺度CT扫描)对岩样进行三维重构,获取孔、缝结构参数;开展地层围压下三轴力学实验,获取岩石力学参数;将压裂后的岩样按相同位置和方向再次进行多尺度CT扫描,获取压裂后三维孔、缝结构图像。根据应力-应变曲线特征,将本区页岩划分为3种类型。①1型页岩,为破裂曲线波浪下降,压后形成复杂网状缝页岩。②2型页岩,为破裂曲线类型多样,具波浪下降和垂直下降形状,压后缝网较发育的页岩。③3型页岩,为破裂曲线垂直下降,破裂后整体较完整,压后多形成纵向劈裂缝、缝网不发育的页岩。这3种类型页岩压后孔隙变化特征是:1型和2型页岩直径10~50μm孔隙占比减少,直径50~100μm孔隙增多,直径300μm以上孔隙孔容贡献增大;3型页岩压裂前、后孔径分布及孔容贡献变化不明显。研究表明,抗压强度与弹性模量、剪切模量具有正相关关系,与泊松比具有V型曲线关系;碳酸盐和黏土矿物含量是控制本区页岩力学性质的主要因素,石英和有机碳含量为次要因素。孔隙度及纹层发育特征是页岩储层可压性特征的重要影响因素。

基于压痕试验的岩石力学参数的卡尔曼滤波反演

压痕试验是间接评估岩体力学特性的重要方法,为了更好地利用压痕试验评估岩体力学参数,本研究采用一种基于扩展卡尔曼滤波算法的参数反演方法。基于室内压痕试验获得的荷载-压入深度曲线数据,通过弹塑性数值仿真模型构建岩体弹塑性参数与压痕曲线的响应关系,进而利用卡尔曼滤波算法实现对岩石弹塑性参数的反演和优化分析。结果表明,本研究方法具有较好的收敛性和较高的识别精度,反演得到的岩石弹性参数均值的相对误差在10%左右,塑性参数的反演结果相对误差小于20%。较传统单一经验公式方法,本研究方法具有更高的预测精度,对多种不同岩性岩体都有较好的适用性。

永进油田致密储集层岩石力学参数剖面构建及应用

为评价低渗致密储集层可压裂性,对准噶尔盆地沙湾凹陷永进油田Y301井和Y3井的6块岩心进行实验,获得岩心矿物组分、孔隙度、应力—应变曲线、纵波速度、横波速度等参数,实验结果与测井、录井数据基本吻合,构建了研究区岩石力学参数经验模型。同时,基于等效介质模型,考虑矿物组分和孔隙结构特征建立了一种新的岩石脆性指数计算模型。在此基础上,提出了基于测井数据的低渗致密储集层力学参数剖面构建方法,并以Y301井为例进行了计算,结果表明,Y301井齐古组可压裂性良好,为致密砂岩储集层可压裂性综合评价奠定了基础。

岩石力学公共实验课程教学项目的建设与思考

岩石力学实验课是一门为补充岩石力学理论而开设的实践性课程。结合武汉理工大学土木工程专业研究生培养计划,以岩石力学公共实验课程教学项目为例,从该课程开设背景和目的出发,阐述实验课程教学体系、课程内容建设过程,以及教学方法和教学手段,并构建了教学质量保证体系。对实验课程教学建设模式进行总结和思考,提出课程教学后期建设需完善的几个要点。结果表明,该实验课程建设实施方案可行,建设成果能较好地应用于研究生课程的具体实践,能较好地提升岩土工程专业研究生的教育质量,在某种程度上促进学科建设与发展。

基于阵列声波测井估算碳酸盐岩储层岩石力学和地应力参数——以顺北4号带为例

地质力学分析在油气藏勘探开发过程中发挥着重要作用,顺北油气田中—下奥陶统一间房组—鹰山组储层地应力研究相对滞后。对比分析了顺北4号带下古生界中—下奥陶统一间房组—鹰山组碳酸盐岩不同类型储层的岩石力学和地应力特征,同时探讨了微观颗粒结构对碳酸盐岩储层地应力和岩石力学参数的控制作用,为顺北地区超深层碳酸盐岩储层评价提供了基础地质依据。基于弹簧组合模型,通过岩石力学实验和阵列声波测井确定了岩石力学和地应力特征,通过铸体薄片和X射线CT扫描表征碳酸盐岩的微观孔隙结构。研究结果表明:顺北4号带一间房组—鹰山组杨氏模量分布在50~89 GPa,抗压强度在99~136 MPa,泊松比在0.25~0.32;地层最大水平主应力为200~225 MPa,最小水平主应力为125~160 MPa。一间房组—鹰山组碳酸盐岩不同类型储层的岩石力学参数和地应力存在明显差异,从Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类到非储层段碳酸盐岩的杨氏模量、抗压强度和最大水平主应力明显增大,而泊松比和最小水平主应力变化不大。相比于一间房组—鹰山组泥晶灰岩,砂屑-生屑灰岩方解石颗粒较大,颗粒黏结程度降低,导致岩石抗压强度和杨氏模量减小;砂屑-生屑灰岩部分方解石颗粒呈次圆状或圆状,颗粒三维空间球度较大,颗粒之间咬合作用减弱,使得岩石的抗压强度和杨氏模量减小;砂屑-生屑灰岩存在大量的孔隙和裂缝,灰岩易沿着潜在的微裂缝面或者颗粒接触面摩擦滑动甚至破裂,同样导致岩石抗压强度和杨氏模量减小。此外,一间房组—鹰山组泥晶灰岩受热液作用影响,部分白云石交代为石英,导致泥晶灰岩的抗压强度和杨氏模量增加。岩石的宏观力学特征和岩石力学参数受岩石微观颗粒结构的制约,一间房组—鹰山组杨氏模量、抗压强度和最大水平主应力低值区即为顺北4号带优势储层发育区带。

岩石力学实验室信息管理系统的研发与应用

根据采矿工程专业岩石力学实验室的具体特点,提出一种以浏览器/服务器(B/S)为主、客户端/服务器(C/S)为辅实验室信息管理系统(LIMS)架构,开发一套集人员、设备、耗材、试样加工和财务等信息管理以及统计报表等功能于一体的专业实验室信息管理系统,实现实验室人员信息以及设备和材料采购、入库、报销等全流程的云端化管理。该系统契合岩石力学实验室的专业需求、操作简单、运行稳定,实现了实验室信息管理的专业化、系统化,显著提高了实验室的工作效率,优化了管理流程,降低了管理成本;设备和试验项目得到有效管控,试验数据得以规范化管理,为科研工作提供了强有力支撑。该系统的研发和应用推进了岩石力学实验室的信息化建设,对加强实验室的精细化管理,提升实验室的管理服务水平。

鄂尔多斯盆地南缘华北探区页岩油储层岩石力学特性实验研究

针对鄂尔多斯盆地南部延长组7段页岩储层钻井过程中发生钻头适应性差和井壁垮塌等井下复杂状况,开展了岩石组构特征分析、力学特征分析和可钻性参数等力学特征分析。结果表明,鄂尔多斯盆地南缘页岩油储层中黏土以伊利石和伊/蒙混层为主,岩石结构及力学特性非均质性强。岩石表面层理结构明显,微裂缝和孔隙发育。页岩抗张强度为6.58~18.27 MPa,单轴抗压强度为76.79~169.29 MPa,高温下的内摩擦角为14.67°~36.71°,泊松比为0.167~0.352,主要集中在0.21附近,弹性模量为4 100~17 344 MPa。最小水平主应力梯度为1.89~2.14 MPa/100 m,最大水平主应力梯度为2.37~3.04 MPa/100 m,其中洛河地区最大、最小地应力梯度差值较大。地层可钻性级值为4.36~6.11,主要分布在5.5以下,属于软-中硬度地层,平均地层倾角小,在钻至水平段时,钻进方向与层理相同,与岩石接触面多互层,钻头磨损加重。基于页岩储层岩石力学特性认识,对于鄂南页岩油安全、高效地钻探具有指导意义。

石油工程岩石力学实验虚拟仿真教学设计

岩石力学实验是石油工程、海洋油气工程专业的基础实验课程,但物模实验存在“设备贵成本高”、“操作难周期长”、“演示直观性不足”等问题。为此,本文拟配合“石油工程岩石力学”课程中“岩石强度理论”教学内容的授课需要,借助现代虚拟仿真技术,基于石油工程岩石力学理论,理清岩石力学三轴实验设备原理,分析岩石力学实验操作步骤,辅之以井壁稳定科研知识,集成于虚拟交互系统中,达到理论、实践、创新、节约、安全有序结合的目标。有利于岩石力学实验的可重复性,实现岩石力学实验的可观察性,提高学生分析问题和解决问题的能力。

玛湖凹陷风城组岩石力学参数自适应权重组合预测

准噶尔盆地玛湖凹陷风城组岩性复杂,为准确预测其岩石力学参数,提出了一种自适应权重组合预测方法。首先分析、对比传统方法和不同机器学习算法(BP神经网络、XGBoost、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、卷积神经网络(CNN)、决策树(CART)、长短时记忆神经(LSTM)网络等)的预测效果,传统方法难以准确预测岩石力学参数,而不同机器学习算法的预测效果不同,其中抗压强度、抗张强度和脆性指数预测的最优机器学习算法模型为SVM,弹性模量为BP,泊松比为RF,内聚力为XGBoost,内摩擦角和断裂韧性为LSTM网络;单一机器学习算法难以实现对多个岩石力学参数的同步准确预测。在此基础上,通过对不同岩石力学参数选取不同预测基模型,再根据基模型预测效果赋予权重并进行组合,以开展自适应权重组合预测。结果表明,该方法能够有效提升机器学习算法的预测精度和泛化性能,可实现复杂岩性地层多个岩石力学参数的同步准确预测。

OBE理念下高等岩石力学课程教学改革与实践

科技革命和产业变革对工科硕士研究生的培养提出了更高的要求,新工科背景下课程教学作为研究生培养的基础环节,将直接影响研究生的培养质量。文章分析了高等岩石力学课程教学过程中存在的问题,将OBE理念引入高等岩石力学课程教学,通过多种教学改革实践持续提升教学效果。教改实践表明,以学生为中心的“成果导向”教学方式,可以更好地激发学生的学习兴趣,增强学习效果,对工科硕士研究生培养具有一定的借鉴意义。

水泥基3D打印技术在岩石力学教学实验中的应用

该文将水泥基3D打印技术应用到岩石力学教学实验中,采用水泥基3D打印技术制作类岩石力学试样,不仅能降低实验成本,还可融入增材建造、混凝土材料和岩石力学等课程专业知识,丰富了实验教学内容,提高了教学质量。该实验让学生自主选择打印材料、设计打印模型、优化打印路径,最后打印制作出类岩石力学试样,并完成岩石力学实验。整个实验过程有助于增强学生的学科交叉知识运用能力和动手能力,培养创新思维和科学素养。

“双碳”背景下岩石力学教学改革——基于岩石实时高温剪切实验系统

为让学生深入理解“双碳”目标,探索岩石力学中蕴含的“双碳”问题,该文基于岩石实时高温剪切实验系统,创新性地将“双碳”战略实施过程中涉及到的地热资源开发、干热岩开采等问题融入岩石力学教学中。岩石力学课程中该实验系统的引入,可以帮助学生更好地理解地热资源的特性和行为,熟悉高温高压下岩石的物理特性和力学行为,掌握高应力环境下节理岩体的剪切力学特性及破坏特征。同时,以新的实验系统为载体,可以激发学生的学习兴趣,培养学生的动手能力和创新思维,进而加深学生对理论知识的理解。另外,通过实验可提高学生的实践水平,将所学知识充分应用到工程实际中。

等效非均匀荷载条件下梯形截面岩石力学特性试验研究

基于巷道开挖过程中围岩应力转移分布特点,着重探究非均匀荷载下岩体变形规律。提出了新的岩石力学试验方法,该方法根据岩石应力–应变曲线,加工出特定的梯形截面试件及相应的刚性垫片,以实现单轴压缩时的轴向荷载非均匀分布。计算了梯形截面试件压缩时荷载分布与截面高度的关系,并对试验条件下的试件应力分布与岩石状态分区进行讨论,在右侧面高度为75 mm时试件破坏前左侧面处于塑性变形阶段,在右侧面高度为85 mm时试件破坏前左侧面仍处于弹性变形阶段。得到了非均匀荷载压缩条件下单一完整岩体的变形特性;梯形截面砂岩破坏前有明显的分区,各点位塑性硬化程度不一致,S85试件点位3右侧处塑性硬化程度最大,S75试件点位2右侧处塑性硬化程度最大。试验结果表明,非均匀荷载压缩条件下的岩石呈非线性变形特征;同时,岩石局部的损伤会加快附近岩石的塑性软化。提出了非均匀荷载条件下不同竖向截面内轴向应变差会引起附加切应力,附加切应力在中性面上、下方向相反,大小与应变变化率成正相关。在附加切应力作用下,岩石单元最大剪应力平面角度增大,试件破坏形态由原本对“核”形态转变为沿着斜面倾向拉长的相对棱台状。

基于岩石力学性质的砾岩油藏油层分类研究

玛湖地区致密砾岩油藏是准噶尔盆地规模上产的主力区,但不同层系储层特征存在差异,岩性复杂,物性及力学性质差异大,同时,地质特征与生产动态表现出一定的矛盾,物性条件好的区域产量并不一定高,传统意义上基于各项地质参数的油层分类模型不能较好地解释产量差异的原因,严重制约后续井进一步提产的潜力评价。利用地质工程一体化思路,制定了低脆性岩屑砾岩划分标准,通过横波、动静态杨氏模量等关键力学参数计算,综合建立了砾岩油藏岩石力学模型,基于岩石力学模型并结合实际生产指标,形成了以资源性(孔隙度、饱和度)为主、改造性(脆性)为辅的“四象限”砾岩油藏油层分类新标准。力学模型预测精度大于90%,模型解释结果与岩心实验数据及产液剖面等测试资料吻合良好;砾岩油藏油层分类为水平井产能精细评价提供了有利依据,精准指导了不同品质储层的水平井压裂设计优化及生产调控,实现了单井产量和经济效益同步提升。

X区块须家河组致密砂岩岩石力学特性与裂缝扩展特征

须家河组是四川盆地致密砂岩气勘探开发的重要领域,储层岩石力学、断裂力学特性以及裂缝扩展特征尚缺乏研究。本文采用热-固耦合三轴压缩实验和断裂韧性评价实验,获取致密砂岩的岩石力学性质参数和断裂韧性,分别计算储层岩石的弹性力学脆性指数和利用断裂韧性计算的脆性指数,对储层脆性进行评价;采用真三轴高温高压物理模拟实验系统,在60℃条件下,开展不同水平应力差、压裂液黏度、注入排量的裂缝扩展物理模拟实验,分析裂缝扩展规律。结果表明,须家河组致密砂岩储层岩石的弹性力学脆性指数为34.1~62.9,平均值42.99,断裂韧性计算脆性指数为7.68~9.39 m^(-1/2),平均值为8.54 m^(-1/2),为脆性储层;压裂液黏度越大,裂缝偏转角越大,岩样内裂缝贯穿深度越大;在压裂施工过程中,可根据条件适当提高泵注排量和压裂液黏度,来提高储层体积压裂形成复杂缝网的可能性;多簇压裂裂缝存在竞争扩展现象,射孔簇间距越小,缝间干扰越严重;增大泵注排量并结合暂堵技术,可促进多裂缝均衡扩展。研究成果可为须家河组致密砂岩压裂改造提供一定的理论支撑。

小东沟金矿岩石力学试验与岩体稳定性分级研究

岩体稳定性分级对于巷道合理支护参数的选取至关重要。支护强度不足会威胁工人生命安全,而支护强度过高则导致成本增加。以小东沟金矿为工程背景,制备了51个岩石样品,进行了单轴压缩试验、抗拉强度试验和三轴压缩试验。试验得出小东沟金矿上盘围岩和矿体强度较高,下盘围岩强度较低,平均单轴抗压强度分别为126.58MPa、86.56MPa、71.14MPa。利用Sha-peMetrix3D系统获取了岩体结构面信息,构建了岩体结构面三维图像,分析了节理裂隙的倾向、倾角、间距、迹长等分布规律,得出了小东沟金矿优势节理面。结合Q分级、RMR分级和BQ分级法对小东沟金矿岩体进行了质量评价,结果表明:小东沟金矿6中段和7中段岩体稳定性为Ⅲ~Ⅳ级,稳定性特点为一般~较差。研究结果可为巷道分级支护方法选择和支护参数优化提供基础数据,为矿山安全开采提供保障。

石油工程中的岩石力学问题探究——评《石油工程岩石力学基础(第二版·富媒体)》

石油是当今世界的主要能源材料之一,被广泛用于汽车、飞机、船舶等交通工具的燃料生产过程中,也是化工产品、塑料、合成纤维等的重要原料,被应用于日常生活中的各个领域。在石油工程中,岩石力学问题的研究是一个至关重要的领域。地下岩石的性质和行为直接影响着钻井、井壁稳定、油气流动等关键工程操作,对石油勘探、开采和生产具有重要影响,因此对岩石力学的深入研究成为确保石油工程安全、高效和可持续发展的重要前提。

黔西南金矿砂岩动静组合加载岩石力学特性研究

为探究巷道开挖后围岩不同深度切向应力不同程度的增加对围岩动力学性能的影响,采用改进的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统,对黔西南金矿砂岩试件在0,10,20,30,40MPa的轴压下进行动静组合加载试验,旨在分析砂岩在不同轴压下的力学行为、变形特征与能量演化规律。研究发现:动静组合加载试样应力-应变曲线分为压密阶段、弹性阶段、塑性破坏和峰后阶段;轴压使得峰值应变逐渐增加,极限应变逐渐降低;动态弹性模量、动态抗压强度、应变率及各能量的演化规律均呈现以10MPa为转折点的变化规律。