Fracture evolution characteristics of sandstone containing double fissures and a single circular hole under uniaxial compression

The uniaxial compression experiments on the sandstone samples containing double fissures and a single circular hole were carried out by using electro-hydraulic servo universal testing machine to investigate the effect of rock bridge angle β and fissure angle α on mechanical properties and evolution characteristics of cracks.The results show that the peak strength,peak strain and elastic modulus of defected specimens decrease comparing with those for intact sample,and show a decreased trend firstly and then increase with β changing from 0° to 90°.The peak strength and elastic modulus achieve the minimum value as the rock bridge angle is 60°,while the peak strain reaches the minimum value with the rock bridge angle of 45°.The crack initiation of tested rock samples occurs firstly in stress concentration areas at tips of prefabricated fissures under uniaxial compression,and then propagates constantly and coalescences with the prefabricated hole.Some secondary cracks initiate and propagate as well until buckling failure happens.The rock bridge angle has a great influence on crack initiation,coalescence,final failure mode,crack initiation stress and transfixion stress.The peak strength varies significantly,while the elastic modulus and peak strain change slightly,and the failure modes are also different due to the influence of fissure angle.

跨地裂缝三孔斜交箱涵结构受力性能和变形规律研究

以西安站改扩建项目为工程背景,完成足尺三孔斜交箱涵结构受力性能数值模拟研究,分析荷载与地裂缝协同作用下结构的受力过程与可能破坏形态,开展缩尺比例为1∶15的三孔斜交箱涵缩尺模型静载试验,与有限元结果进行对比分析,明确变形缝斜交和板墙开洞等复杂条件下箱涵结构的裂缝发展、位移变形和应力分布规律,验证了数值分析的可行性,并提出设计建议。结果表明:足尺数值模型与缩尺试验模型的应力路径和裂缝分布吻合较好;最不利工况下,箱涵顶板混凝土开裂部位较多,纵向挠度变形较小;斜交变形缝处,钝角较锐角处更易产生应力集中现象,各部位易出现应力集中的顺序依次为跨中、钝角、锐角和板墙隅角;采用平行于变形缝的斜向布筋方式可降低因钢筋截断而产生的应力集中,优化传力路径;建议在顶板洞口横向位置处增设暗梁,洞角布置斜向钢筋,降低洞口周围的局部集中应力。

煤层群叠加开采覆岩裂隙演化及卸压瓦斯抽采研究

针对采动裂隙带卸压瓦斯抽采效果不佳导致的工作面上隅角瓦斯超限的问题。以赵家寨煤矿11210工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验方法,研究了煤层群叠加开采对上覆岩层采动裂隙的演化特征,并通过现场验证确定了瓦斯抽采的最优层位。结果表明:煤层群叠加开采过程中,在卸压区域外,形成了较大的应力集中,在卸压保护范围内,应力集中现象不明显,且应力峰值小于二1煤层原始应力;煤层群叠加开采引起了采场上覆岩层的叠加卸压,使上覆岩层的位移场发生了叠加变化,岩层最大下沉量进一步增加;煤层群叠加开采结束后,采空区上覆岩层中部岩层被压实,两端岩层裂隙较为发育,形成了一定范围的裂隙发育区。通过现场试验,确定了裂隙带定向长钻孔合理层位的选择,并在现场进行钻孔监测,验证了物理相似模拟结果的合理性。

缓倾斜煤层高位定向长钻孔抽采卸压瓦斯技术研究

为探究缓斜煤层覆岩采动裂隙时空演化及卸压瓦斯富集区的变化特征,采用物理相似模拟和现场监测方法,分析采动覆岩裂隙演化和裂隙分布特征;研究卸压瓦斯富集区演化特征,确定高位定向钻孔的合理布置参数方案,并进行效果检验。结果表明:试验工作面沿煤层走向垮落带高度13 m,裂隙带高度68.5 m,沿工作面倾向裂隙网络受煤层倾角影响,工作面断裂角为54°~59°,裂隙发育的开度自工作面向上逐渐增大,瓦斯运移通道呈现出明显的非对称性特征;高位定向钻孔全生命周期瓦斯抽采过程依据其抽采体积分数可分为抽采初期、抽采中期和抽采末期3个阶段,其中抽采初期抽采体积分数偏低,抽采中期为钻孔抽采生命周期内的高效抽采阶段,进入抽采末期抽采体积分数呈现急剧下降的趋势;高位定向长钻孔抽采技术实施后,工作面上隅角、回风巷瓦斯体积分数均小于0.8%,瓦斯抽采效果良好,高位钻孔的布置方式较为合理。

聚合物凝胶堵漏剂配方及其在高原铁路超深水平孔中的应用进展

高原铁路横穿藏东南缘,区域岩性复杂多变,岩体强度以及完整程度差异极大,致使线路勘察异常艰难。在开展的超深水平定向孔钻探勘察中,孔内漏失、掉块严重,严重影响钻探进度。分析认为,漏失通道大,水泥浆、PAM+SZ803高分子堵漏剂等传统堵漏材料径向渗透力弱、凝结性差和提下钻时的抽汲作用等多因素,共同导致掉块卡钻、坍塌埋钻、漏失、钻孔弯曲等井下复杂现象发生。为解决水平孔超深部裂缝性漏失问题,利用聚合物凝胶自由交联作用机理,合成一种新型聚合物凝胶堵漏剂。通过实验测试配方中交联剂、延缓剂(GH-8)、羧甲基纤维素的含量以及温度对成胶黏度、成胶时间影响,当聚乙烯醇3%、硼砂2%,羧甲基纤维素0.3%、GH-80.6%,交联温度30~45℃时,成胶时间74~91 min,成胶黏度247400~254400 mPa·s,符合生产需求。承压封堵模拟实验研究表明,加入3%木屑后承压能力还可提高47%,漏失量减少30%以上。生产试验表明,本凝胶堵漏剂配方可有效解决裂缝性漏失问题,护壁效果明显,具有很好的推广应用前景。

煤矿火烧岩爆破破碎机理及爆破参数优化

针对煤矿火烧岩台阶爆破效果不理想问题,通过理论分析、数值模拟、实验室实验与现场试验相结合的方法,以大南湖二号露天煤矿为例,研究火烧岩的物理力学特性、爆破破碎机理以及影响爆破的因素,优化爆破参数。研究表明:岩体在高温作用后强度变低、易破碎、裂隙极发育。爆破时,若裂隙方向与应力波传播方向平行,会产生应力集中现象;若裂隙方向与应力波传播方向不平行,则在裂隙处会发生应力波反射与折射现象,缩短应力波作用时间,加剧炮孔周围岩体的破碎程度。采用泥浆护孔能够提高火烧岩台阶的成孔率,结合火烧岩爆破破碎机理优化爆破方案,通过现场爆破试验,验证了优化后爆破参数的适用性。

块煤开采的工艺参数及工程应用研究

针对大硬度厚度以及裂隙不发育煤层开采时块煤率低以及能耗较大的问题,以23101工作面实践生产为例,对其基本地质条件分析的基础上,通过数值模拟仿真手段确定了适用于23101工作面的最佳压裂处理方式为双排孔压裂;根据现场条件和理论计算得出最佳开采工艺为双向割煤端头斜切进刀方式,对应开采工艺的块煤率指标从37%提升至75.8%。

顶板硬覆岩可控冲击波定向预裂效果评价

为防范唐口矿采空区上覆硬岩悬顶产生的安全隐患,采用可控冲击波预裂断顶工艺技术弱化岩层,及时主动塌落顶板,实现灾害绿色治理,预裂效果评价采用窥视法和示踪剂追踪法,观察、比较裂隙发育情况,评价技术效果。窥视法通过钻设穿层钻孔,利用高清摄像设备观察裂纹的发展状况,直观评估预裂效果;示踪剂追踪法是在水中加入特定的化学物质,通过追踪化学物质的流动分布,分析裂纹的扩展范围。试验结果表明,两种方法可以实时监控裂纹的发展情况,根据裂纹发展的即时数据调整冲击次数、作用点位和点距;应用可控冲击波预裂技术,裂隙明显发育,裂隙连通性好,有效促进顶板坍塌,降低顶板事故风险,实现煤矿安全生产。

单轴压缩下含孔洞裂隙砂岩力学特性试验分析

利用岩石力学伺服试验机与岩石声发射仪,对含孔洞裂隙砂岩(尺寸为60 mm×120 mm×30 mm)的力学特性进行单轴压缩试验。基于试验结果,首先分析含孔洞裂隙砂岩岩样的强度和变形特性,结果表明,含孔洞裂隙砂岩岩样的力学参数均显著低于完整岩样,但降低幅度与孔洞直径及缺陷对称分布密切相关,随着孔洞直径的增加,含单孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈衰减趋势,而不对称分布的孔洞裂隙砂岩岩样的力学参数均低于对称分布;然后基于含孔洞裂隙砂岩加载过程中的声发射特征,揭示声发射分布显著受孔洞裂隙等缺陷分布的影响,这主要是由于含不同孔洞裂隙砂岩中裂纹扩展模式存在着显著差异;最后通过照相量测技术,探讨含不同孔洞裂隙砂岩的裂纹扩展特征,分析含缺陷砂岩裂纹扩展过程及其对宏观应力–应变曲线的影响规律。

“以缝代井列”——排水孔幕模拟方法探讨

在单个排水孔模拟方法即“以管代孔”法的基础上 ,将岩体中排水井列概化为一条等效窄缝 ,依据流量和水头等价原则 ,确定出等效窄缝的各向异性渗透系数与排水孔间距和岩体排水量之间的对应关系 ,进而提出了“以缝代井列”模拟岩体排水孔幕的新方法。该方法将等效窄缝作为岩体中一级导水结构单元 ,能模拟不同条件下的排水效果 ,既能反映实际条件 ,又便于工程应用 。

塔河油田南部奥陶系储层类型及测井识别特征

目的确定塔河油田南部地区奥陶系储层类型及测井识别特征,以指导油气勘探与开发。方法以岩心观察、铸体薄片观察、生产测试资料为基础,通过测井响应特征进行综合分析。结果研究区奥陶系碳酸盐岩3类储集空间类型分别为孔洞、裂缝、孔隙,4类储层组合类型分别为裂缝-孔洞型、孔洞-裂缝型、裂缝型和裂隙-溶孔型,不同的储层类型具有不同的测井识别特征。结论储层总体表现为如下测井识别特征:深浅测向电阻率缩小,并显示明显正幅度差,密度减小,中子孔隙度、声波时差增大。

金湖凹陷含油玄武岩中孔洞缝的特征及其含油性

以苏北盆地金湖凹陷闵桥地区含油玄武岩为实例,从总结玄武岩中孔洞缝成因、形态组合特征及充填特征入手,系统讨论了孔洞缝及组合的含油性,进而探讨了孔洞缝充填矿物的颜色、类型与含油性之间的关系。孔洞缝组合的含油性受控于含油玄武岩的岩流单元相带和岩相构造类型,古风化剥蚀面含油最丰富,岩流单元上部相带及淬碎角砾岩相含油较稳定,而岩流单元中下部相带含油较贫乏。孔洞缝充填的方式与含油性无关,但充填矿物的颜色、类型与含油性之间存在着对应关系,并服从于岩流单元相带和储油岩相构造类型。

裂隙含水层水平孔注浆“三时段”浆液扩散机理研究及应用

邯邢矿区是典型的华北型煤田大水矿区,其深部的大采深高承压水矿井采用地面区域超前治理奥灰水害系列技术,其中多分支近水平定向钻探及注浆是实现区域超前治理水害的关键技术。此前对注浆浆液扩散机理研究很多,但都是以垂向注浆孔及水平裂隙建立水动力学与岩石力学研究模型。地面区域治理奥灰水害是水平注浆孔高压注浆,为此开展了奥灰裂隙岩体高承压水的水平注浆孔浆液扩散机理研究,提出了注浆"三时段"的划分,并给出水动力学表达式;分析了垂向裂隙面上浆液圆环扩散形态;建立了垂向裂隙中浆水分区水动力学模型,推导出浆液扩散半径与注浆压力间关系;在有可注性差的上边界条件下,对浆液扩散形变问题给出数值模拟方法;为水平孔注浆初设及注浆参数优化提供了理论和技术指导,在邯邢矿区应用效果明显。

黄土台缘滑坡地表水入渗问题分析

黄土塬区提灌工程保证了农业生产,却造成了地下水位大幅抬升,使得近年来黄土台缘滑坡不断发生。黄土滑坡一个普遍特征就是后缘发育地裂缝以及落水洞,使地表水(灌溉水以及降雨)直接灌入坡体,诱发了大量黄土滑坡。因此,地表水入渗对于黄土滑坡机理研究以及滑坡防治具有重要意义。文章基于对陕西泾阳南塬黄土滑坡的现场调查,对黄土台缘滑坡地表水入渗工程地质问题进行了初步分析,包括:①地表水入渗与落水洞形成机制;②地表水入渗途径及其与黄土滑坡发育过程的关系;③降雨因素对于黄土滑坡的影响程度。

岩溶裂隙水探查方法优化与工程治理研究

在岩溶裂隙涌水治理中,含水构造的三维空间展布规律、水力连通关系难以探明是制约治理工期和经济成本的关键因素。为解决地质雷达探测在岩溶富水区域存在的受干扰强、多解性、信号失真等难题,基于概率学理论,提出了雷达测线布置的网格法;基于电磁波传播理论,研究了电磁波在含水构造界面上的反射和折射能量分配规律,分析了含水薄层对雷达低频反射信号的作用机制,讨论了在岩溶裂隙富水区雷达探测含水裂隙的判识标准。结合湖北沪蓉西高速公路恩利段齐岳山隧道底板岩溶裂隙涌水工程治理实例,阐述了地质雷达探测在探明含水裂隙空间展布规律和最佳注浆孔的确定中的应用。研究成果的应用产生了良好的生态、安全和经济效益,对类似工程具有一定的借鉴作用。

不同角度预制裂隙条件下双孔爆破裂纹扩展规律

隧道等地下工程爆破施工中,节理、裂隙等缺陷的存在往往对最终的爆破效果起到至关重要的作用,尤其倾斜缺陷存在时,超欠挖现象十分突出。基于含倾斜缺陷模型裂纹动态扩展的复杂性,采用新型数字激光动焦散线试验系统,在双孔同时起爆条件下,研究不同倾斜角度预制裂隙条件下爆生裂纹的扩展规律。研究结果表明:爆生主裂纹与衍生裂纹分别相向扩展,最终二者非直接相遇,而是以“勾连”形式贯通;裂纹扩展前期,爆生裂纹尖端同时受到压缩波及剪切波的作用,剪切波开始作用时间晚于压缩波,裂纹尖端主要以压缩波产生的拉应力作用而扩展,同一时刻爆生裂纹尖端应力强度因子KⅠ大于KⅡ;裂纹尖端的裂纹扩展速度、应力强度因子及能量释放率等特征量整体呈先增大后减小的趋势。裂纹扩展后期,裂纹尖端主要受爆生气体的准静压作用,特征量呈振荡式变化;在一定范围内,随着预制裂隙倾斜角度的增加,特征量峰值更高,爆生主裂纹和衍生裂纹扩展的时间更长,扩展的距离更远;随着预制裂隙倾斜角度的增大,爆生主裂纹与衍生裂纹尖端之间最终围成的破坏面积更大,爆炸荷载与预制裂隙相互作用更加明显。本试验的研究成果为分析介质存在节理、裂隙等缺陷时,爆破裂纹扩展的物理过程提供了参考。

三软煤层坚硬老顶深孔预裂爆破试验

深孔预裂爆破技术是巷道开展切顶卸压进行围岩灾害控制的重要手段,爆破参数的合理设计对于取得良好的预裂效果至关重要,以桑树坪二号井3309工作面运输平巷坚硬老顶为研究对象,基于对老顶深孔预裂爆破机制理论研究,通过经验公式计算求解,结合现场深孔爆破试验及爆后孔壁窥视结果分析,最终通过一系列试验确定爆破参数设计孔径为75 mm,深度为15 m,装药长度为2 m(质量6.8 kg),封孔长度为10 m,炮眼间距为0.6 m,单次循环爆破6个炮眼时,炸药爆破能量利用率更高,可在相邻空孔孔壁观察到明显的变形破坏、形成贯穿性裂隙等,预裂效果基本满足巷道顶板超前卸压工程实施需求。研究结果表明:顶板深孔预裂爆破裂隙区相互贯通时可取得最佳的预裂效果,试验中选取装药量越大,炮眼间距越小,导向空孔布置合理,则爆破预裂效果愈加明显。研究成果可为类似条件下坚硬老顶深孔预裂爆破技术研究提供参考依据。

非等值冒落采空区“三带”考察及其模拟验证

为提高高位裂隙钻孔抽采采空区瓦斯的效果,必须掌握采空区"三带"特征。在理论分析的基础上,现场考察黄陵2号煤矿107工作面冒落带分布,结果表明:冒落带呈拱形分布,并且沿采空区横向对称,最大冒落高度为19 m。通过Fluent数值模拟方法,得出采空区瓦斯抽采的最佳区域,验证了现场考察冒落带非等值高度的正确性。这表明,在分析采空区"三带"特征时,应考虑冒落高度的非等值性,进而通过理论分析、现场考察、数值模拟等手段得出采空区抽采的最佳区域。

大孔径射孔造缝技术及应用

论述了一种大孔径射孔造逢新技术的设计、研究及应用 ,该技术特别适用于稠油常规开采。本文对其作用原理、结构及技术特点进行了阐述 ,并给出了在数口油井中实际应用的数据对比。实验结果表明应用该技术可使油井增产。

页岩薄片孔缝分割的自动阈值生成方法

随着页岩气勘探开发领域的快速发展,页岩储层的微观结构表征及分析技术显得愈发重要。其中基于阈值分割法获取页岩孔隙结构参数是目前页岩微观结构表征的一种重要手段。现有的阈值分割方法主要有最大类间方差法、最大熵阈值分割法等,它们在各种图像分割任务上都取得了不错的成绩。然而,在页岩孔隙分割问题上,它们均存在耗时较长且不能有效分离薄片扫描电镜图像中的孔隙和基质等元素的问题。页岩薄片孔缝分割的自动阈值生成方法能根据页岩薄片的不同特点,自适应地快速生成对应图像的最佳灰度阈值,自动识别页岩孔隙和基质等地质元素。在足206井的页岩扫描电镜图像上进行了实验,与传统方法进行对比,实验结果表明,页岩薄片孔缝分割的自动阈值生成方法能准确实现孔隙和基质等元素的分离,在各类图像上都能高效地自动生成最佳灰度阈值,为页岩微观图像孔隙结构定量分析提供可靠基础。