基于损伤扩容理论的圆形隧洞围岩松动圈位移计算方法

为解决传统弹塑性力学理论在计算时未考虑实际围岩卸载时的扩容效应导致的位移设计值预测误差较大的问题,通过考虑不同应力状态下围岩损伤扩容系数的不同,建立圆形隧洞开挖松弛位移的分层总和法理论计算方法,提出以洞壁处围岩损伤扩容状态为控制值的围岩开挖位移预警值计算方法。结合分水江引水隧洞工程实例,对不同围岩级别、不同埋深、洞壁围岩的不同扩容效应(即不同支护状态)时圆形隧洞开挖后洞壁围岩位移变化规律进行分析,提出以圆形隧洞为基础的围岩预警值理论计算经验公式。由实际应用结果表明:考虑扩容效应的围压位移分层总和法计算值比弹塑性理论计算值大3倍以上,计算结果更符合实际情况。

深部煤系储层损伤扩容点的天然裂隙与围压效应及声发射识别

由于天然裂隙的不可重复性,创新采用数理统计方法结合单轴、三轴压缩和声发射试验研究了天然裂隙和围压作用对煤系非常规天然气储层损伤强度的影响及其综合效应特征,并分析了声发射识别对储层损伤扩容点的判别可靠性,结果表明:围压对损伤强度具有线性强化效应,天然裂隙对损伤强度具有先慢后快的非线性弱化效应;获得了体积应变和声发射2种方法下围压和天然裂隙对损伤强度的拟合方程,其中围压起主要作用,天然裂隙起次要作用;受天然裂隙影响,在侧向应变测量点初期激增时,声发射参数法更能反应储层整体情况,所得出的损伤扩容点更具有可靠性.

加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性。为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律。结果表明,不同加卸载方式显著影响着试样损伤程度,按严重程度排序依次是:路径1<路径2<路径3;试样的抗压强度随加卸载速率的增高而较快达到,损伤程度和渗透率增幅却随之增高;随着围压的增高,损伤的时间响应变慢,渗透率最终恢复程度降低,煤体的损伤、渗透特性具有显著的围压效应。能量累计量随时间的变化呈指数函数关系,损伤扩容后相对渗透率k/k_(0)呈幂函数关系。

基于盐岩损伤机理的深部巨厚盐层钻井液密度设计方法

为防止钻井过程中盐层蠕变发生塑性变形而导致卡钻等事故,传统的方法是建立蠕变本构方程及用实验确定蠕变参数,但是得到的控制盐层蠕变的钻井液密度不能很好地反映实际钻井情况。因而提出一种控制近井筒盐岩不产生扩容损伤变形的新方法,并利用该方法设计了深部巨厚盐层钻井液密度。通过室内试验分析了盐岩损伤变形过程中的声发射信号,确定了盐岩的扩容损伤边界。对于深部盐岩钻井工程中的井壁稳定性问题,根据八面体剪应力准则,井壁盐岩的应力状态控制在扩容损伤边界以内,设计了深部盐层安全钻井液密度窗口。与实际钻井对比分析表明,用该方法设计的钻井液密度窗口能够保证盐层安全钻井,且方法简单而有效,便于现场应用。

盐岩在围压卸荷作用下的扩容特征研究

通过试验模拟盐岩储气库建腔期腔体围岩围压动态降低过程,开展单轴压缩和三轴卸荷扩容试验,并分析温度对盐岩试件卸荷扩容特征的影响。试验结果表明:由于都是应力增加的过程,卸荷试验的扩容特征与常规单轴试验相比,在扩容阶段划分上具有一些共同点,都存在体积压缩段、稳定扩容段和加速扩容段。卸荷试验和单轴试验的压缩极限基本相同。但由于加载方式不同,卸荷试验的稳定扩容段在整体扩容中所占比例更小,扩容速率和扩容幅度也较单轴试验小。在相同的偏应力作用下,卸荷试验产生更大的扩容。温度升高能够促进盐岩的扩容,表现为加速扩容点前移、初始稳定扩容段缩短、加速扩容段变长、扩容速度加快、扩容幅度增大等。

盐岩地下储气库群间距数值计算分析

为确保储气库群的安全性及使用功能,各储存库之间应该保证有足够的距离。盐岩储库群地质条件及运行工况复杂,材料参数变异性强,随机特性对结构安全性影响较大。从稳定性和密闭性两方面出发,以莫尔–库仑准则和损伤扩容准则作为主要失效准则,建立两腔储库群数值计算模型,计算不同储库间距和运行内压下塑性区及损伤扩容区分布。采用响应面法,结合蒙特卡罗方法计算储库群腔周矿柱单元失效概率。结果表明,正常运行状态下,随储库间距减小,损伤扩容区范围明显增大,塑性区范围及腔周矿柱单元失效概率计算结果均明显增大,尤其在低压时更可能产生损伤连通区。对于运行过程中存在的注、采气不同步情况,随着储库间距的增大,压力差对腔周矿柱单元失效概率的影响逐渐减弱。根据稳定性和密闭性分析结果,建议储气库最小间距为2D。

TBM掘进围岩挤压大变形机理与本构模型

通过对反映了TBM卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验结果分析,揭示了深部软弱地层TBM掘进围岩挤压大变形机理:挤压大变形主要由TBM开挖卸荷瞬时产生的峰前卸荷损伤扩容和峰后破裂碎胀造成的体积扩容组成,峰前岩石内部原生裂隙扩展和新裂隙萌生、扩展导致扩容变形,以及峰后裂隙汇聚贯通成宏观破裂面和多级次生破裂形成,破裂后块体间发生错动或翻转等相对运动引起峰后碎胀大变形,其中峰后的碎胀变形是构成大变形最主要的部分。获取了各特征应力(损伤扩容应力σ1cd、极限承载强度σ1m和线性应变软化应力σ1l)与围压σ3的相关关系,建立了各变形破坏阶段的临界准则;建立了卸荷损伤扩容阶段的损伤演化方程;基于三轴卸围压试验成果建立了弹性—卸荷屈服损伤扩容—峰后脆性跌落—线性应变软化—残余理想塑性5阶段挤压大变形本构关系。对挤压大变形本构模型在FLAC3D进行了数值实现,并验证了模型的合理性和数值实现程序的正确性。

水泥石气密封性实验研究

固井水泥在各种复杂载荷的共同作用下,易发生气密封失效,针对该问题,本研究开展了不同加载方式下水泥石的力学特性分析实验,结合渗透率和声发射监测,对复杂载荷条件下水泥石损伤及渗透性变化进行研究,并分析了它们对水泥环气密封性的影响。研究发现,当水泥石所受应力低于其扩容屈服应力时,水泥石被压缩,渗透率降低,气密封性增强;当水泥石所受应力超过其扩容屈服应力时,水泥石损伤严重,渗透率增大,气密封性下降。循环加载过程中,水泥石损伤、裂缝的出现和发展主要发生在首次循环加卸载过程中。

载荷方式对深部采动煤体损伤-渗透时效特性影响实验研究

根据煤体实际力学状态设定恒定围压增加轴压、恒定轴压卸除围压和同时增加轴压卸除围压等3种力学路径,开展加卸载煤体损伤-渗透同步实验,分析加卸载方式对采动煤体损伤-渗透时效特性的影响,并揭示采动煤体损伤-渗透特性差异的内在机制.研究结果表明:不同的力学路径使煤体表现出截然不同的变形与强度特征,在高围压作用下试样的变形特性逐渐从脆性向塑性转变;受加卸载方式的影响,3种力学路径下的试样分别发生主剪切破坏、拉剪破坏和X型共轭剪切破坏;不同的力学路径对试样造成不同程度的损伤扩容和渗透率变化,且具有明显的时效特性,按响应速度排序依次是:同时增加轴压卸除围压>恒定轴压卸除围压>恒定围压增加轴压;煤体损伤、渗透具有协同演化特性,但渗透率变化相对于损伤扩容具有滞后性;差应力比是导致加卸载煤体损伤-渗透特性差异的本质原因,承受较大差应力比的深部采动煤体极易诱发煤岩瓦斯动力灾害,为避免动力灾害发生,需采取相应措施减小采动煤体所受的差应力比.研究结果对于揭示煤岩瓦斯动力灾害机理、实现深部煤炭精准开采与动力灾害防治具有指导作用.

地下盐穴储气库周期注采运行稳定性评价

地下盐穴储气库库容量大、运行时间长、注采运行频繁,针对储气库周期注采运行稳定性的分析至关重要。以中国某地下盐穴储气库为例,根据实际注采运行数据,利用Flac3D有限差分软件模拟注采运行过程,通过分析盐岩扩容损伤、塑性区分布、水平位移、体积收缩率,得到了盐岩性质、矿柱稳定性、注采气对腔体稳定性的影响。结果表明:在7年的周期注采后,盐腔周围未发生扩容损伤破坏,安全系数大于5;两腔之间矿柱塑性区未发生连通,矿柱稳定;盐腔体积收缩率最大为1.78%,腔体的年体积收缩率符合安全标准,储气库处于稳定状态。