基于Weierstrass-Mandelbrot函数的岩体裂隙映射重构

重构岩体裂隙对精准构建裂隙岩体模型以及准确获取其力学性质具有重要意义。鉴于此,为使重构裂隙与天然状态相吻合,提出了D-n_(max)阈值公式,修正了用于岩体裂隙模拟的Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数。通过二值化灰度图像对Barton10条剖面线进行数字化,经试错法及综合分析法,以等差方式确定10个粗糙度水平的Hurst值。通过对10条剖面线进行傅里叶变换得到了幅值特征新参数Spp,结合起伏角标准差σ_i线性构建新裂隙粗糙度系数(joint roughness coefficient,简称JRC)计算公式。采用二分法获得目标JRC值对应W-M函数的最佳尺度常数G值,建立了JRC与W-M函数的映射关系。W-M函数考虑了随机项,实现了重构裂隙的差异化。对重构裂隙进行粗糙度定量化研究和室内试验,验证了新参数Spp、新JRC计算公式及映射关系的有效性。所作研究为拓展岩体裂隙获取方法提供了新的思路,为裂隙岩体力学性质研究奠定了基础。

裂隙岩体渗透系数确定方法研究

裂隙岩体渗透系数以及渗透主方向的确定对研究岩体渗透性大小及各向异性具有重要意义。高放废物地质处置库介质岩体的渗透性能将直接影响其使用安全性。本文运用离散裂隙网络模拟的方法对我国高放废物处置库甘肃北山预选区3#钻孔附近裂隙岩体进行了渗透性质分析。通过对3#钻孔171.5~178.0m段压水试验数据的反演,标定了离散裂隙网络渗流模型中的裂隙渗透参数（导水系数T）。利用标定的离散裂隙网络模型对场区裂隙岩体进行了渗流模拟,确定了该区域裂隙岩体的渗流表征单元体（REV）的尺寸大小以及渗透主值和主渗透方向。运用离散裂隙网络模型计算得出的渗透主值的几何均值与现场压水试验计算结果较接近,证明了计算结果的有效性。

裂隙面摩擦系数变化对大理岩单轴抗压强度的影响

通过剪切试验,研究饱水岩石裂隙面摩擦系数的变化,结果表明,饱水岩石的孔隙水在裂隙表面覆盖一层水膜,当裂隙出现相对滑动趋势时,水膜造成裂隙面摩擦系数降低;基于室内试验结果,运用离散元软件FLAC模拟并分析裂隙面水膜对裂隙周边应力分布的影响,结果显示,由于裂隙面摩擦系数降低,饱水岩石内裂隙的拉应力集中效应更明显;运用颗粒流软件PFC模拟单一裂隙岩石试样的单轴压缩试验,结果表明,孔隙水膜是饱水岩石单轴压缩强度降低的重要原因之一,并使饱水岩石的破坏模式由贯通性的剪切破坏面变为非贯通性的张拉破坏面。

岩石龟裂系数法在火山岩裂缝储集层预测中的应用

本文针对辽河东部凹陷油燕沟中生界火山岩的具体特征,采用纵波波速的比值——“龟裂系数”裂缝分析法[1,2,3],研究了火山岩裂隙发育程度。综合龟裂系数裂缝分析及其他方法发现,该区中生界火山岩有效储集层的测井相特征主要表现为低密度、低中子、高声波时差和高伽马值等特征。此法的关键在于根据不同火山岩的岩性,选用合适的岩石骨架参数,在此基础上利用测井约束地震反演计算火山岩的层速度,进而计算出龟裂系数,然后根据已钻至火山岩井孔的测井相特征编制出火山岩预测厚度图。

中国北方岩溶区含水岩溶裂隙介质的序列指示模拟研究

针对当前岩溶学研究领域中空隙位置定量预测和数学描述的难题 ,选择研究程度高、资料丰富、具有典型代表性的山东济南泉域的含水岩溶裂隙介质 ,运用序列指示条件模拟方法研究空隙间的连通性能 ,预测岩溶裂隙密集带和强径流带的位置 .研究表明 ,它既可给出其模拟数值的波动区间 ,且不同分位数值模拟图均能明显一致地指示出岩溶裂隙密集带和强径流带位置 ,尤其是当样本点较少时 ,也可获得几乎与样本点较多时的一致成果 ,从而为该方法的推广应用提供了广阔的领域 .

双向压缩条件下闭合裂隙岩体断裂破坏机制及渗透压环境判定准则

在研究双向压缩条件下压剪复合型裂纹应力分布特征及断裂破坏机制基础上,考虑渗透压对初始裂隙面上有效正应力的影响,提出高低渗透压环境的判定准则,并基于滑动裂纹模型理论及最大周向拉应力破坏准则,得到不同渗透压环境下初始裂隙尖端微裂纹起裂特征与规律。研究结果表明:压剪复合应力条件下,初始裂隙尖端发育微裂纹的最优倾角与裂隙面摩擦系数直接相关,随裂隙面摩擦系数的增大,最优初始裂隙倾角由45°起逐渐增大;低渗透压条件下,渗流场的存在使裂纹面摩擦系数发生弱化,进而使得最优初始裂隙倾角向45°靠近,而渗透压直接降低裂隙面上有效正应力且与裂隙倾角无关,其仅仅影响裂隙体材料的初裂强度;高渗透压条件下,初始裂隙面由压剪复合应力状态转化为拉剪复合应力状态,并在拉剪复合应力场作用下,尖端微裂纹起裂角随KI/KII的不断增大,由70.5°逐渐趋近于0°。

巷道注浆加固合理滞后时间的确定

通过理论分析和试验研究,建立了巷道围岩裂隙系数与巷道轮廓位移量之间的相关关系。介绍了采用注浆锚杆兼作注浆滞后时间指示锚杆的方法和原理,分析了开始注浆时巷道围岩裂隙系数的合理取值范围,给出了确定巷道轮廓位移量的诺模图.

薄基岩厚松散含水层下综放开采安全性研究

为研究薄基岩厚松散层含水层下综放开采的安全性,通过对赵家寨煤矿12采区东翼松散层地质特征分析,将其分为“一隔三含”,并揭露其厚度和结构分布特征对煤炭开采的影响。采用经验公式计算不同采高下导水裂隙带高度,并建立UDEC数值模型模拟分析开采过程中上覆岩层变形破坏规律。基于导水裂隙带高度经验公式计算、数值模拟结果和相关实测资料,并结合12采区东翼的地质特征,引入“导水裂隙带高度调整系数n”概念,提出并验证该区域的导水裂隙带高度计算公式。结果表明,12采区东翼大部分区域可疏干新近系下部含水层后开采,研究内容可减小防水煤岩柱高度,提高煤炭采出率。

沁水盆地煤样静水压力下渗透率实验及模型分析

为研究沁水盆地煤样渗透率演化规律,构建了煤样渗透率测定的瞬态压力脉冲法实验装置,使用N2和CO2在实验室开展了3种试验条件的渗透率测定,应用Connell模型对实验结果进行分析,并讨论了模型预测值和实验值之间差别的原因。结果表明,(1)在恒定孔压变围压条件下渗透率随有效应力增大而减小;在等有效应力条件下,渗透率随孔压增大而减少;在恒定围压变孔压条件下,随孔压增大,渗透率呈先减小后变大的趋势。(2)运用Connell模型预测的恒定围压变孔压条件的渗透率值大于实验值,原因可能是由于裂隙压缩性系数和吸附应变系数存在估计误差。通过开展实验室渗透率实验和模型分析,对指导实验室内二氧化碳封存和气体驱替实验及其模拟研究具有借鉴意义。

重力相关运算法

重力相关运算法是在大量不同参数的模型中,找出与重力异常有最佳匹配的地质模型的一种运算方法。本文就这一方法的原理,相关运算的模型选择,方法的特点及其应用等方面作了较系统的介绍。

围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透特性试验研究

煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。①对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。②原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率Dk均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数cf整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样研究含瓦斯煤的渗流特征是可行的,而且在某些特定场合还具有一定的优越性,但同时也应该注意两种煤样渗透率对应力响应特征的细节差异,以及这些细节差异给试验结果的可靠性所带来的影响。

非平衡解吸状态下页岩气储层渗透率演化机制

为了研究非平衡解吸状态下储层压力和气体解吸对煤系页岩气储层渗透率的影响机制,考虑气体在基质中的动力学扩散作用,提出了非平衡解吸状态下储层基质和裂隙的有效应力−渗透率模型,建立了储层在非平衡解吸状态和单轴应变条件下的渗透率模型。结合储层渗透率和岩样渗透率的现场和室内试验研究,分析了渗透率模型的有效性。结果表明,非平衡解吸状态下的渗透率模型能较好地拟合渗透率试验值。非平衡解吸状态下,孔隙体积模量越小,基质渗透率反弹越急剧;裂隙压缩系数越大,裂隙渗透率下降越急剧。研究了各参数对储层渗透率的影响机制,结果表明,当裂隙压力降至特定值时,随着基质压力的减小,基质渗透率先下降然后反弹,裂隙渗透率逐渐增大;当基质压力降至特定值时,随着裂隙压力的减小,基质渗透率逐渐增大,裂隙渗透率逐渐减小。

保德与韩城地区不同尺度煤样渗透率的应力敏感性试验

选取鄂尔多斯盆地东缘保德与韩城地区的煤样进行不同应力条件下的应力敏感性试验,探讨煤岩尺度对煤的应力敏感性的影响规律。结果表明:小尺度煤样的应力敏感性比大尺度煤样变化更为显著,渗透率变化也更大;经历有效应力的一次升降之后,煤样渗透率均有不同程度的损失,尺度较小的煤样渗透率恢复率要低于大尺度煤样;在有效应力变化率相同时,小尺度煤样的裂隙体积变形大于大尺度煤样,其压缩系数也远高于后者;尺度效应在中低阶煤储层中较中高煤阶储层更为明显;保德区块原生结构煤发育,开发过程中煤层应力敏感性较弱,煤层气产气效果好;韩城区块糜棱煤发育,开发过程中煤层渗透率敏感性增强,煤层气产气效果低;相比于煤样尺度来说,煤阶对煤样的应力敏感性影响小得多。

煤系气储层渗透率解析模型研究进展

渗透率是评价煤系气商业开采的重要参数之一,为了准确评价煤系气商业开采的可行性,基于天然裂缝性储层的几何模型,以及渗透率和孔隙率的立方关系、渗透率和有效应力之间的指数关系,调研分析了煤系气储层渗透率解析模型的研究现状。对影响煤系气储层渗透率的各个因素进行了分析,结果表明:气体在基质中的动力学扩散作用导致基质压力和裂隙压力不相等;面割理和端割理张开度的差异导致渗透率出现各向异性;储层为非连续介质,弹性模量随有效应力的变化而变化;有效应力系数和裂隙压缩系数对渗透率有明显的影响。基于分析结果,提出了弹性模量、有效应力系数及裂隙压缩系数的测试方法。

长壁采空区采动孔隙的采厚效应研究

针对长壁采空区空隙分布存在的问题,通过相似模拟实验、理论分析,得到了采厚分别为6、8、12 m时,长壁老采空区压缩区和拉伸区采动孔隙分布的采厚效应,当采厚由6 m增长到8 m再增长到12 m,压缩区垮落带采动裂隙碎胀系数及孔隙率随采厚增加先增大后减小,但总体上采动裂隙碎胀系数趋于1.1,孔隙率趋于0.1。压缩区断裂带孔隙率接近0.05;拉伸区不仅存在裂隙,还存在孔洞,切眼及停采线处的孔洞,随采厚增加,孔洞体积出现先增加后减少的现象。断裂角延伸带,随采厚增加,孔洞数目增加,孔隙率明显增加。关键层下离层空间只有当采厚达到一定厚度,导水断裂带发育到关键层下并且停滞才会在此形成离层孔洞。最后推导出了长壁老采空区拉伸区孔隙率或空隙体积与煤层采高、距煤层高度、综合碎胀系数、关键层的挠度相关。

Method of lines for functionally gradient materials

The method of lines(MOL) for solving the problems of functionally gradient materials(FGMs) was studied. Navier’s equations for FGMs were derived, and were semi-discretized into a system of ordinary differential (equations(ODEs)) defined on discrete lines with the finite difference. By solving the system of ODEs, the solutions to the problem can be obtained. An example of three-point bending was given to demonstrate the application of MOL for a crack problem in the FGM. The computational results show that the more accurate results can be obtained with less computational time and resources. The obvious difficulties of numerical method for crack problems in FGMs, such as the effect of material nonhomogeneity and the existence of high gradient stress and strain near a crack tip, can be overcome without additional consideration if this method is adopted.