交叉裂隙开度对滴状水流分流行为的影响

深入理解交叉裂隙渗流行为是预测裂隙网络渗流特性的关键。非饱和条件下交叉裂隙渗流与液体流态、交叉几何特征密切相关。针对低流量、低饱和度条件下的滴状渗流,开展了交叉裂隙液体分流模拟,发现了交叉处分流存在由液滴长度控制的主通道流动占优和支通道流动占优两种模式,并提出了关键液滴长度指标作为其临界条件。通过改变交叉裂隙主通道开度w_(1)和支通道开度w_(2),系统探究了交叉裂隙开度对分流模式的影响规律及机制。模拟结果表明关键液滴长度受到通道毛细力和通道过流能力的联合控制;当两者对分流作用效果相反时关键液滴长度随裂隙开度w_(1)呈非单调变化,而当两者作用效果一致时则随裂隙开度w_(1)呈单调变化。此外,存在一个相对稳定的最优开度比w_(2)/w_(1)范围使关键液滴长度最大。研究成果为预测低流量、低饱和度条件下裂隙岩体渗流结构提供了理论和数据支撑。

变开度岩体裂隙多相渗流实验与有效渗透率模型

岩体裂隙的有效渗透率是描述岩体非饱和或多相渗流的关键参数,而裂隙开度是影响有效渗透率的重要因素.通过自主研发的粗糙裂隙多相渗流可视化实验平台,针对天然岩体裂隙复制而成的裂隙模型开展变开度条件下的多相渗流可视化实验,研究开度变化对多相渗流流动结构以及有效渗透率的影响.研究表明:非湿润相流体运动通道,在低流量比条件下呈现出气泡流流动结构,而在高流量比条件下呈现较为稳定的通道流流动结构.随着开度的增加,非湿润相流动通道的分支变少、等效宽度增加,两相流体的有效渗透率均增大,流动结构趋于稳定.可视化结果还阐明了柱塞流流动结构下,两相流体交替占据裂隙空间的竞争机制:当非湿润相流体通道由连续转变为不连续时,裂隙进出口压差显著增加;反之,当该通道由不连续转变为连续时,压差显著减小.最后,基于分形理论以及渗透率统计建模方法,建立了考虑开度效应的岩体裂隙多相渗流有效渗透率理论模型,并通过实验测定的有效渗透率数据验证了该模型的正确性与有效性.

海底金属矿围岩裂隙倾角、开度对渗流特性的影响

为探究海底金属矿高承压围岩裂隙倾角、开度对渗流特性的影响,揭示海底金属矿高承压围岩裂隙倾角及开度对渗流速度、出口流量的影响特征,以海底金属矿三山岛新立矿区为工程背景,基于裂隙状态与渗流速度耦合理论建立围岩多裂隙渗流模型,应用COMSOL Multiphysics数值模拟软件,通过改变裂隙倾角和开度得到地下水在深井围岩裂隙中渗流速度、出口流量的变化情况。结果表明:裂隙倾角会对地下水渗流速度产生重要影响,多裂隙相交使地下水渗流速度发生突变,在模拟倾角范围内,裂隙倾斜角度越大,地下水出口渗流速度越小,出口流量越小,裂隙相交处渗流速度突变越明显。当裂隙开度处于0.5~2 mm时,裂隙相交处渗流速度发生明显突变,裂隙开度大小对渗流量影响显著。

裂隙位置和开度对岩体抗剪强度影响的试验研究

Jennings方法忽略了裂隙的位置和开度,直接按照裂隙连通率进行加权平均求得的岩体抗剪强度是不精确的。为了研究裂隙位置和开度对岩体抗剪强度的影响,以水泥浆为类岩石材料,浇筑裂隙岩体试件,在试件的不同位置预制不同开度的裂隙,在直剪仪上对裂隙岩体试件进行抗剪强度试验。试验结果表明:当裂隙开度一定,裂隙位于位置三(裂隙中心距剪刃50 mm)时,试件黏聚力最小,裂隙位于位置一(裂隙中心距剪刃10 mm)和位置五(裂隙中心距剪刃90 mm)时,试件黏聚力最大,裂隙位于位置二(裂隙中心距剪刃30 mm)和位置四(裂隙中心距剪刃70 mm)时,试件黏聚力位于两者之间;当裂隙位置一定时,1 mm开度的裂隙试件抗剪强度小于2 mm开度的试件;裂隙试件的内摩擦角受裂隙位置和开度影响不显著;裂隙扩展和剪断面破坏特征受裂隙开度影响显著,相同位置下,1 mm开度试件剪断后裂隙较平直,剪断面相对光滑,2 mm开度试件剪断后裂隙起伏度较大,剪断面凹凸不平。研究结果对加深裂隙岩体剪切破坏规律和破坏机制的认识以及现场裂隙岩体抗剪强度的合理取值,均具有一定的指导意义。

膨胀土裂隙的量化指标与强度性质研究

利用远距光学显微镜对重塑膨胀土中在自然风干条件下的裂隙发展变化进行了动态的、定量的观测,对不同裂隙发育程度的膨胀土进行了不排水、不排气的非饱和三轴多级剪切试验。试验结果表明,裂隙图像的灰度熵可以很好地表征裂隙的发育发展程度,适合作为膨胀土裂隙发育程度的度量指标。环境温度较高、湿度较低有利于膨胀土中裂隙的发育发展。膨胀土中裂隙发展是一个长期的、渐进的过程,初期裂隙发展速度较快,后期大大减缓。裂隙膨胀土的强度指标与饱和度和裂隙度呈线性关系,土体裂隙不发育时,饱和度是影响强度的主导因素,而饱和度较低时,裂隙对膨胀土强度的影响占主导地位。

低频振动激励含瓦斯煤孔裂隙变化特征研究

为了探明低频振动激励对煤体孔裂隙特征的改造机制,采用工业显微CT扫描和低场核磁共振设备开展低频振动前后煤体孔裂隙扫描实验,测试不同振动激励频率下煤体的孔裂隙特征参数。研究结果表明:低频振动激励前后煤体的裂隙度和孔隙度均呈现上升趋势,煤岩内部裂隙发育特征呈现一致性,振动激励的改造效果集中在对大尺寸裂隙的改造,即对原生孔缝发育的改造效果更好;低频振动激励能增加煤体内部结构的复杂性与非均质性,能有效促进孔裂隙的发育;低频振动激励对煤体孔隙改造作用集中在煤体的中孔与大孔,且当激振频率处在共振频带时,上述规律均显著增强。研究结果可为含瓦斯煤的孔裂隙改造提供参考。

覆盖型岩溶潜蚀塌陷临界裂隙开度模型试验研究

通过模型试验和理论分析,研究了裂隙开度对覆盖型岩溶潜蚀塌陷的影响及其变化规律。结果表明,临界裂隙开度是覆盖型潜蚀塌陷的关键控制因素,受覆盖层土质、密实度、临界水力梯度等因素的影响,初步提出了临界裂隙开度的估算方法。

裂隙数量和开度对低强度岩体力学特性及破坏模式的影响

采用MTS815电液伺服控制试验机对不同裂隙数量和不同裂隙开度条件下的低强度岩体试件进行常规单轴压缩试验,基于试验结果,详细分析了每种类型裂隙试件的应力-应变曲线、强度、变形参数及破坏模式。研究结果表明:(1)裂隙数量可使试件应力-应变曲线的峰后破坏阶段由快速下跌转变为台阶式下跌,最后变为水平延伸式缓慢下跌,呈近似塑性流动变形破坏,相对而言裂隙开度对试件应力-应变曲线的影响则非常小;(2)受结构效应的影响,试件峰值强度只在水平和倾斜裂隙条件下才随裂隙数量的增加呈明显减小趋势,而裂隙开度对试件峰值强度的影响较小,且存在最弱影响开度值;(3)裂隙数量对不同裂隙倾角条件下试件的变形特征均有较大影响,而裂隙开度只对倾斜裂隙试件的变形特征影响较为明显;(4)裂隙数量对倾斜和垂直裂隙试件破坏模式的影响要比水平裂隙试件的明显,但影响规律不明确。裂隙开度可以完全改变垂直裂隙试件的破坏模式,使其由纯拉伸破坏向单一剪切破坏转变,但对水平和倾斜裂隙试件的破坏模式基本没有什么影响。

三轴压应力-化学溶液渗透作用下单裂隙花岗岩裂隙开度演化

为研究单裂隙花岗岩在应力–化学溶液渗透条件下的开度演化规律,开展单裂隙花岗岩在恒定三轴压应力及化学溶液渗透作用下的试验。对试验过程中渗透溶液离子浓度进行分析,结果表明,压应力作用下,裂隙接触面矿物溶解、自由面矿物溶解以及矿物沉淀3个过程影响裂隙开度的演化规律。通过裂隙面三维扫描数据获取裂隙开度变化与接触面积率的关系,并基于此在已有研究基础上分别建立酸性溶液和碱性溶液渗透作用下花岗岩裂隙开度演化模型。模拟结果表明,模型计算结果与试验结果符合较好,能够很好地描述裂隙在化学溶液渗透和应力作用下的演化规律;酸性溶液渗透作用下,接触面矿物溶解过程的强弱控制着裂隙开度的演化,而碱性溶液渗透作用下,矿物的沉淀过程也发挥着重要作用。

煤岩体裂隙集度演化理论模型

为了描述煤岩体内裂隙演化对其宏观力学特性的影响,引入了裂隙集度参量,从热力学平衡方程出发,推导出裂隙集度演化方程;根据岩石试件单轴压缩的全程应力应变实验结果,给出了单轴压缩下的裂隙集度演化方程和考虑裂隙集度对煤岩体力学性质影响的非线性弹性裂隙演化本构方程;通过单轴压缩煤岩试样实验数据值与理论值对比,两者吻合度相当高,证明了理论分析及其理论模型的正确性。

覆盖型岩溶潜蚀塌陷裂隙开度与透水率定量关系

在既有研究的基础上,假设覆盖型岩溶路基潜蚀塌陷管道模型,根据压水试验透水率公式和水力学管道流Poiseulle方程,提出了裂隙岩体透水率与裂隙开度的关系公式,建立了透水率与裂隙开度的定量联系,并结合经验结果对理论公式的适用性、局限性进行了探讨。研究结果表明:裂隙岩体透水率与裂隙开度等效半径四次方成正比,与裂隙延伸长度成反比;透水率与裂隙开度的理论关系与既有规范的经验结果有较好的一致性。

考虑倾角与开度的薄基岩裂隙溃沙特性研究

顶板溃沙是我国西部矿区浅埋煤层开采过程中面临的安全威胁之一。利用自行研制的裂隙溃沙试验系统,开展无水条件下风积沙溃沙过程的模拟试验,研究沙层厚度、裂隙倾角和裂隙开度对溃沙速率的影响,获得不同影响因素与裂隙中风积沙流动速率之间的定量关系。研究发现,沙层厚度的变化对溃沙速率几乎没有影响;裂隙倾角的变化对溃沙速率有明显的影响,在裂隙开度一定的情况下溃沙速率随着裂隙倾角的增大而增大,两者之间呈对数关系;裂隙开度对溃沙速率的影响较为显著,裂隙倾角一定时溃沙速率随着裂隙开度的增大而快速递增,两者之间符合指数关系;裂隙开度对溃沙速率的影响权重最大,而沙层厚度的影响权重可以忽略。该研究成果可为西部煤矿溃沙灾害的防治提供理论依据和科学指导。

准静态孔缝介质广义裂隙弱度研究

基于地震低频条件下的等效介质理论,联合应用线性滑移模型和各向异性流体充填理论研究包含一组平行裂缝的含流体孔隙介质。由于不能简单地用法向和切向附加弱度表示Gurevich准静态孔缝介质模型中的裂缝,其柔度矩阵也无法用各向同性背景岩石的柔度加上法向和切向柔度来表示,因此本文提出用广义裂隙弱度表征Gurevich准静态等效介质中的含流体裂缝。广义裂隙弱度是各向同性背景介质岩石、裂隙和充填物的物性参数的函数,分析裂隙密度、充填流体和等径孔隙度对广义裂隙弱度的影响,为广义裂隙弱度指示裂隙发育程度和裂隙中流体的存在提供理论依据。同时,为了从地震数据中获取广义裂隙弱度信息,研究了基于Born近似的由广义裂隙弱度表达的反射系数公式,并进行了广义裂隙弱度反演敏感性研究。结果表明,广义裂隙弱度是更具有普遍意义的表征含流体裂隙的特征参数,可用于实现准静态孔缝模型地震数据的定量解释。

裂隙开度的压力溶解对双重孔隙介质热-水-应力耦合影响的有限元分析

为了考虑应力拉压和压力(化学)溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型中裂隙开度的计算模型作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库算例,就岩体裂隙开度变化的3种工况,分析了岩体中的温度、孔(裂)隙水压力、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示:3种工况的计算域中温度场基本相同;孔(裂)隙水渗流场形态相似,但其量值有一定差别;工况1的裂隙开度在应力和压力(化学)溶解的共同作用下闭合量最大,负孔(裂)隙水压力增值最高;核废物的释热效应明显地改变了岩体自重应力场的水平分量,但对其垂直分量影响较小。

基于单裂隙开度算法的溶质运移研究

鉴于变异函数的优点,引用了L.Smith自回归过程随机模拟开度的方法,使研究区域的开度满足对数正态分布.利用对数正态分布密度函数的两个参量形成不同的开度,在此基础上从流量、纵向弥散系数及滞留时间三方面来研究开度对水流和溶质运移的影响.

各向异性煤层裂隙流体因子及地震波速度响应

煤层中瓦斯和水的赋存及运移与裂隙的密度、走向、填充物类型等因素密切相关,为了预防和控制矿井突水、瓦斯突出等灾害性事故,进行煤层裂隙的识别和预测研究,对煤矿开采的安全性评价有重要指示作用。基于裂隙等效模型理论,将Schoenberg线性滑动模型与煤层干裂隙(气充填)和饱水裂隙相结合,分析煤层缝隙中流体因子随不同充填物与裂隙弱度参数(裂隙密度、纵横比、体积模量、剪切模量、拉梅系数)的变化特征,并通过对含垂向裂隙的煤储层进行地震波各向异性速度的响应计算。从HTI型煤层理论模型的正演模拟结果可知,模型中裂隙流体因子与裂隙密度和几何形态呈正相关函数关系,而与充填流体体积模量呈负相关。HTI型煤层P波群、相速度对裂隙中的气、水都比较灵敏,SV波群、相速度对干裂隙(气充填)不敏感,SV波群速度对裂隙中的水很灵敏。通过HTI型煤层裂隙流体因子与各向异性速度等参数的响应分析实现煤层裂隙流体预测的可行性,为分析裂隙型煤层地震波传播特征打下基础,为煤层裂隙流体预测提供理论支持。

支承压力区裂隙闭合度变化对渗透率的影响

建立了裂隙闭合度力学模型,结合支承压力表达式,计算得出了裂隙闭合区域范围。分析了支承压力区裂隙闭合度的变化过程以及裂隙闭合度变化对渗透率的影响。结果表明:原岩应力大于某个值时,支承压力区裂隙经历了"完全闭合-部分张开-完全张开"的过程,渗透率经历了"缓慢增加-快速增加-突跳式增加"的过程;原岩应力小于某个值时,支承压力区裂隙经历了"完全张开-部分闭合-完全张开"的过程,渗透率经历了"缓慢增加-减小-突跳式增加"的过程。同时利用comsol数值模拟软件,模拟了支承压力区煤体渗透率的变化情况,数值模拟结果与理论计算结果一致。

岩体中节理裂隙面开度的测量方法

本文给出了单裂隙岩体的裂隙面平均开度和等效开度的实用测量方法 。

基于SEM图像的煤层气渗流裂隙开度影响的模拟研究

通过SEM技术获得煤真实裂隙结构,用以解决煤的非均匀性表征问题。基于裂隙结构特征,使用COMSOL求解Stokes方程来计算气体流动的动力特性,并建立气体渗透率的计算模型,同时定量化的研究了裂隙开度对渗透率的影响。结果表明:裂隙开度对煤层气渗透率的影响很大,同时当考虑Klinkenberg效应时,修正了其气体裂隙流动模型。

复合温度条件下石灰岩多场耦合裂隙渗透侵蚀试验研究

深部岩石工程处在高应力、高水压力、高地热等复杂地质环境中,这些因素相互作用将对岩石的渗透特性产生重要影响,进而影响深部岩石工程的安全和生产效率。通过开展不同温度（25℃~90℃）条件下的同一块石灰岩裂隙多场耦合渗透特性变化试验,得到了温度因素对石灰岩裂隙渗透特性的影响规律。试验结果表明：在恒定有效压力作用下,升温阶段的初始时刻有一个流量峰值过程,温度恒定时,流量缓慢减小并最终趋于稳定状态;温度升高使得岩石裂隙渗透率单调下降,裂隙开度进一步减小;此外,温度越高,初始阶段裂隙开度闭合速度快,趋于稳定开度值历时越短且最终稳定开度值越小。石灰岩的侵蚀溶解速度随温度的升高而加快,裂隙面溶解出的矿物质增多,因此,渗出液中各离子的浓度随温度的升高变大。