基于混合物理论的饱和孔隙-裂隙岩体本构模型

考虑饱和孔隙-裂隙岩体中固相材料应变与固相材料压力间的关系,完善模型力学参数的取值理论依据,建立新的本构模型.在混合物理论框架内,依据变形特征将固相体应变分解为裂隙骨架体应变、孔隙骨架体应变、岩块材料体应变.假定应变仅取决于能量方程中的共轭应力,基于自由能势函数构建饱和孔隙-裂隙岩体本构模型,根据模型力学含义推导模型力学参数取值方法.结合达西定律建立流固耦合控制方程.一维固结算例分析表明,相比其他方法确定的参数,所提方法确定参数计算的初始超孔压偏低、初始沉降偏大,孔隙超孔压消散滞后于裂隙超孔压.参数敏感性分析表明,增大渗透系数比会显著提高岩体固结速率,增大形状系数对裂隙超孔压消散和岩体沉降影响较小.

基于分形理论的岩体粗糙裂隙中溶质运移预测模型研究

为研究裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响,以及粗糙度对水动力弥散系数D_(L)和溶质运移速度V_(t)的控制作用,基于分形理论计算了不同裂隙的粗糙度和定水头下的水力开度,讨论了裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响以及不同分形维数裂隙的渗流量和流速。通过耦合Navier-Stokes方程和对流−扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)获得了裂隙中溶质运移穿透曲线,利用ADE经典解析解耦合直接模拟的穿透曲线,得到了水动力弥散系数D_(L)和溶质运移速度V_(t),讨论了D_(L)和V_(t)对溶质的控制作用及其与粗糙度的相关性,建立了基于分形理论的粗糙裂隙中溶质运移预测模型,并将该模型与直接模拟和基于几何特征的预测模型进行了对比验证。研究结果表明:分形维数D和幅度参数K_(v)表征裂隙面粗糙度的效果较好,D_(L)和V_(t)与分形参数DK_(v)的相关性较高,所建立模型对于岩体粗糙裂隙中的溶质运移模拟具有很好的适用性和准确性。

基于孔裂隙理论的岩石物理实验研究与理论应用

地下地质构造中含有一系列不同尺度的孔隙和裂缝,相比于裂隙,孔隙不易发生形变而裂隙在压力作用下易于变形闭合,这一特性显著影响着岩石中弹性波的传播。在此背景下,提出的新理论模型,就裂隙对弹性介质的影响进行了分析,引入了“挤喷流”(squirt flow)效应的贡献.

利用Hudson裂隙模型分析井径变化对声波测井响应的影响

裂隙性介质因其复杂的结构和可观的藏储量一直是资源勘查领域的重点研究对象。基于Hudson裂隙理论对裂隙介质中不同裂隙参数(数密度、角度、纵横比)下变化井径的井场响应进行数值模拟,得到如下结果:在裂隙数密度较小的情况下,纵波、横波以及斯通利波幅度对井径变化响应较敏感;在裂隙角度较大的情况下,斯通利波幅度对井径变化响应较敏感;在裂隙角度较小的情况下,横波幅度对井径变化响应较敏感;在裂隙纵横比较小的情况下,纵波、横波以及斯通利波幅度对井径变化响应较敏感;在频率-波数二维谱中,随着井径的增大,波动激发强度峰值所在的频率带以及波动的首次激发频率都向低频区域移动。由此认为:弹性波在裂隙性介质中传播时在受井径变化的影响下产生规律性响应,应用Hudson裂隙理论模拟裂隙介质的井场响应可以系统地分析裂隙参数和井径变化对声波传播规律的影响,进而指导实地裂隙储层声波测井勘探工作。

基于薄板理论的覆岩导水裂隙带高度研究

导水裂隙带发育高度对于煤矿防治水工作具有重要意义。为了掌握孙疃煤矿Ⅱ1022工作面开采后煤层顶板垮落带和裂隙带发育范围、发育规模及其空间展布特征,确定垮落带、裂隙带与顶板含水层之间的关系,利用薄板理论与关键层理论对此进行理论分析,得到了关键层薄板挠度的表达式,预计导水裂隙带的发育高度为55.48 m,同时通过井下仰孔注水漏失现场实测得到导水裂隙带高度为56.8~61.4 m,实测结果与理论预计导水裂隙带高度基本一致,验证了理论分析的合理性,为实际生产提供了理论指导。

基于分形理论的采动裂隙时空演化规律研究

为掌握采动影响区覆岩裂隙时空演化规律,进行采动条件下裂隙场演化实验室相似模拟实验,采用数理统计方法对裂隙场分布进行定性分析,利用分形理论定量描述裂隙时空演化规律。研究结果表明:采动影响覆岩裂隙场划分为4个区域,即离层低角度裂隙区,采空区中部垮落及断裂带中角度区,裂隙扩展高角度区,中、高角度过渡区;引入分形理论,对采动影响覆岩裂隙演化的几个重要阶段的变化趋势和程度进行定量描述;通过分析裂隙张开的程度得出中、高角度过渡区是瓦斯抽采工程措施实施的主要区域。

裂隙岩体的损伤断裂理论与应用

本文将损伤力学和断裂力学结合起来，分析岩体中裂隙系统的损伤和断裂特性。定义了岩体宏观损伤张量和岩体损伤应变。建立了岩体的等效连续损伤断裂本构模型。讨论了在压应力作用下的裂隙闭合效应。提出了裂隙岩体损伤断裂复合强度理论。利用损伤断裂模型对一地下洞室的分步开挖进行了数值模拟分析，获得了与现场实测数据比较吻合的结果。

裂隙岩体一般块体理论初步

本文在前人工作的基础上提出了一种通用方法解决任意大小裂隙、任意形状工程岩体的岩石块体识别及稳定性计算问题。在这一方法中裂隙既可以是实测裂隙也可以是通过随机模拟方法生成的随机裂隙,工程岩体可以是任意由多面体组合成的形状,如复杂边坡或地下洞室,而且岩体和裂隙面可以是非均质的。这一通用过程被称为一般块体理论。它克服了关键块体理论(或楔形体法)中存在的弱点:即把裂隙假设为无限大的不连续面,因此无法预测岩石块体的数量和位置,而且一般只能识别出简单形状的凸形体。它在块体识别的同时将复杂的块体分解为几个简单的凸形块体,从而使复杂块体的几何描述、体积及重力计算、力学分析、可视化表示等一系列问题大大简化。在对一公路边坡的裂隙进行了详细观测之后,利用本文的方法进行了块体识别和稳定性分析,对本文的研究进行初步的验证。

钻孔与岩体裂隙斜交渗流场井流理论与示踪方法研究

本文论述了钻孔揭露裂隙岩体与裂隙斜交情况下通过示踪方法测定裂隙渗透性及其参数， 将稀释测井与示踪测井方法相结合建立了井流理论． 推导了双井系统中单裂隙岩体的渗透系数、等效水力隙宽、静水头、影响半径及水力坡度等的计算公式， 并将此研究成果应用于大坝的渗流场探测之中．

熵权属性测度理论在导水裂隙带高度预测中的应用

确定导水裂隙带高度是水下开采防水煤岩柱尺寸设计的关键。结合导水裂隙带形成机理和分布形态,选取采场采深、采厚、煤层倾角、覆岩单轴抗压强度和工作面斜长五个主要影响因素作为导水裂隙带高度的判别指标。利用24组样本数据,构建导水裂隙带高度的熵权属性测度预测模型。为检验模型的有效性,将其用于预测丁集煤矿1262(1)工作面导水裂隙带高度,结果为66.03m,与采用Midas/GTS-Flac3D耦合模拟得出64.63m的结论非常接近。研究结果表明,熵权属性测度模型预测的相对误差较小,可以在工程实际中推广应用。

SKS波对地壳裂隙各向异性的响应--理论地震图研究

穿透含裂隙、裂缝地壳8s视周期的SV波的理论地震图研究表明,当地壳平均裂隙密度高于0.01即横波各向异性高于1%时,非对称面内不同方位的SKS波均发生分裂;地震图中直接的记录显示是切向T分量上出现SKS波的振动,其振幅随地壳平均裂隙密度的增大而增强,甚至能与径向R分量上的振幅相当.局限于上地壳的强裂缝各向异性同样能引起SKS分裂.长周期SKS波分裂对地壳内裂隙、裂缝的分布缺乏分辨率.直立平行排列裂隙、裂缝使得SKS分裂T分量记录特征具有方位对称性,这来自于HTI介质中快、慢波偏振和到时差随方位变化的对称性;而倾斜裂隙、裂缝使得该方位对称性丧失.对实际观测SKS分裂的偏振解释需要考虑地壳裂隙各向异性,特别是断裂附近的强裂缝各向异性.

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。

基于格子Boltzmann理论的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性

通过格子Boltzmann方法对裂隙岩体水沙两相流动规律进行理论分析,建立裂隙岩体水沙两相流动的格子Boltzmann模型,推导了水沙两相的基本守恒方程并建立了水沙两相流动系统的控制方程,基于浸入边界法,利用欧拉点和拉格朗日点处理水沙两相界面。通过数值模拟裂隙溃沙情况,分析了沙粒进入裂隙前后的流动形态,研究了颗粒粒径和裂隙宽度对溃沙速度的影响。借助单裂隙下的研究结果,建立上覆厚松散沙层矿井开采模型,分析裂隙发育下突水溃沙情况,发现在初始阶段,沙粒的溃入会堵塞裂隙,抑制裂隙的发育;随着水压的持续施加,大量水沙混合物开始涌入裂隙,岩体孔隙压力增大,导致裂隙迅速发育扩展,甚至会造成顶板垮落,加剧突水溃沙灾害。

基于孔扩张理论的裂隙岩体冻胀力特性研究

为了研究我国西部地区立井井筒建设采用冻结法施工的过程中,含裂隙岩体地层的冻结对冻结壁和井壁的安全与稳定的影响,基于岩土介质孔扩张理论,建立了裂隙岩体在冻结作用下冻胀力的平面应变力学模型,并将理论分析结果与已有研究结果和光弹模型试验进行对比分析。结果表明:裂隙岩体中冻胀力的理论计算主要取决于裂隙岩体、水冰介质的物理力学特性以及裂隙体积与水冰介质膨胀耦合关系;冻结过程中水冰介质的等效膨胀系数不同时,裂隙壁处产生的冻胀力以及裂隙岩体中径向应力的大小不同;通过对比分析,验证了作者求解方法的有效性,在光弹模型试验中显示出在距离裂隙较近的位置裂隙岩体中应力较大。

裂隙岩体爆破理论研究进展

节理裂隙对岩体爆破效果有很大的影响。本文从裂隙岩体爆破、冲击荷载作用下岩石特性、岩体爆破数值模拟等方面论述、评价了岩体爆破理论的研究现状。在其基础上对节理岩体的质量综合评价、力学模型的研究、数值模拟的研究、理论与试验相结合等方面的发展趋势提出了几点看法。

分形理论在裂隙储层气水渗流模型中的应用

为研究储气库裂隙介质分形特点以及储层运行压力变化对储气库稳定性的影响,引入分形维数改进储层裂缝与孔隙系统中的气水相对渗流模型;基于有限元软件COMSOL模拟裂隙储层天然气注采渗流过程,研究含气饱和度、分形维数、裂隙尺寸比对储气库储层运行压力的影响。结果表明:储层介质中分形维数对气水两相相对渗透率的影响相反,储层运行压力与裂隙介质分形维数之间呈负相关关系;采用的计算模型考虑了裂隙储层的分形特点及气水边界条件,计算精度提高了3%。

裂隙岩体水流-传热模型的理论计算和参数分析

在前期选用中国高放射核废物处置库重要预选场区——甘肃北山地区的花岗岩,设计制作裂隙岩体水流-传热试验装置,在进行模型试验的基础上,给出了试验模型的理论计算方法,对试验结果进行了验证,并分析了试验参数的敏感性。研究结果表明,理论计算得到的裂隙水温度时间变化规律和模型稳态温度分布与试验数据基本一致;垂直裂隙的出水温度对不同参数的敏感程度与具体的参数值有关,其中热源温度、岩石的热传导系数、水流速度、垂直裂隙的开度等均属于高敏感参数;邻近热源的垂直裂隙对模型温度分布起控制作用,明确其结构和水流特征对研究裂隙岩体内的热量运移和温度分布具有十分重要的意义。

裂隙岩体的爆破理论

介绍了国外裂隙岩体爆破理论研究的最新成果。

基于嵌套思路的饱和孔隙-裂隙介质本构理论

为了指导本构建模工作,需要建立饱和孔隙-裂隙介质的一般本构理论框架.首先,从混合物理论和嵌套思路出发,获得饱和孔隙-裂隙介质的能量平衡方程.其次,根据热力学功共轭特性确定了饱和孔隙-裂隙介质本构方程的应变状态变量和应力状态变量.再次,根据热力学局部平衡假定,获得饱和孔隙-裂隙介质的自由能势函数一般本构方程.最后,从一般自由能势函数本构方程出发,获得孔隙骨架和裂隙骨架变形相互耦合的各向同性线弹性方程.当孔隙骨架和裂隙骨架变形解耦时,该方程能够退化到Khalili线弹性方程.研究表明,在小应变情况下固相应变可分解为裂隙骨架应变、孔隙骨架应变与固相材料体应变之和;当混合物均匀化响应原理成立和流相材料本构模型与单相一致时,裂隙骨架应变、孔隙骨架应变、固相材料体应变、裂隙流相材料体应变和孔隙流相材料体应变分别唯一决定裂隙介质有效应力、孔隙介质有效应力、固相材料真实压力、裂隙孔压和孔隙孔压;当自由能函数是状态变量的二次函数时,可获得线弹性本构模型.

基于混沌-分形理论的煤矿采动裂隙发育规律研究

以贵州某矿为研究对象,用混沌-分形理论对该矿裂隙规律进行分析研究。从能量的角度解释首先产生的是横向离层裂隙。从下层岩层到上层岩层,裂隙数量减少,两邻边呈锐角发育。最后对裂隙进行分形计算,运用数学拟合裂隙数与推进距离的关系得出纵截面岩体裂隙分形维数值在0~2变化,基于分形维数对煤与瓦斯突出机理进行分析,预测出当纵截面岩体裂隙分形维数无限趋近于2时,易产生煤与瓦斯突出。