富水破碎岩体注浆加固材料试验研究与应用

针对富水破碎地层注浆治理过程中传统水泥类材料难以实现注浆加固和堵水同步进行的难题,以硫铝酸盐水泥熟料和钢渣微粉为主要原材,成功制备了一种水泥基复合注浆材料(CGM)。通过与传统水泥材料进行性能对比试验,采用扫描电镜和X射线测试手段,分析了CGM材料制备工艺、组分含量和浆液制备条件对材料性能的作用规律,并检验了CGM材料的工程适用性。结果表明:CGM材料宜采用混合粉磨制备工艺,可显著提高其水化活性,且粉磨时间应不超过45 min。钢渣微粉含量越高,水灰比越大,结石体强度越低,凝结时间越长,水灰比超过1.2:1时,结石体后期会出现干缩。与传统水泥材料相比,CGM材料浆液凝结时间与黏度的环境敏感度低,具有显著的工程适用性和性能优越性。

富水破碎岩体注浆加固模拟试验及应用研究

设计了一套适用于富水破碎岩体的注浆加固模拟试验装置。选用PO42.5水泥、SAC42.5水泥和自主研发材料对富水破碎灰岩体进行了注浆加固试验。在分析加固结石体的单轴压缩试验结果的基础上,研究了注浆压力、注浆材料和破碎岩体间泥质充填物对注浆加固效果的影响和作用规律。采用极差分析法确定了影响注浆加固效果的主控因素及各因素间相互作用关系。验证了自主研发材料用于富水破碎岩体注浆加固治理的效果显著优于传统水泥材料。将上述试验结论成功用于指导工程实践,取得了良好的注浆治理效果。

非均布荷载作用下煤岩力学强度特性试验研究

考虑不同初始垂向应力、不同初始水平应力及不同应力转移速度条件,借助于自主研发的采动应力试验系统,研究了非均布荷载作用下煤岩体的力学强度特性。研究结果表明:煤岩外部损伤残余块体对煤岩内部力学承载能力具有强化作用,当初始垂向应力、初始水平应力、应力转移速度一定时,煤岩内部力学承载能力近似为煤岩外部力学承载能力的2倍;伴随初始垂向应力的增加,煤岩整体后期力学承载能力不断降低,且处于不同初始垂向应力范围,煤岩内、外部后期力学强度递减特征不同,当处于较小初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量大于煤岩内部,当处于较大初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量小于煤岩内部;初始水平应力越大,煤岩体的力学承载能力越高,且无论较小还是较大初始水平应力范围,煤岩内部后期力学强度增量总大于煤岩外部;伴随应力转移速度的增加,煤岩峰值强度不断升高,应力转移速度对煤岩内部区域力学性质的影响相对较大。

含喉部裂隙介质CO_2反应迁移的格子Boltzmann模拟研究

CO_2地质封存是目前最经济、最可靠的CO_2减排技术之一,对CO_2反应迁移规律的研究具有重要的理论价值。采用Dardis多孔介质模型与已有的CO_2反应迁移模型耦合,对含喉部裂隙的复杂介质中反应迁移规律进行模拟研究。速度场的模拟结果表明,裂隙内的速度明显高于基质速度,在喉部中心线位置处速度达到最大值。溶解反应主要集中于入口段及裂隙的上、下边缘附近;受喉部的影响,喉部下游的裂隙边缘几乎不发生溶解反应。反应物H^+在裂隙及喉部中的浓度明显高于在基质中的浓度;而生成物Ca^(2+)的高浓度区则出现在下游基质区中。针对不同喉部位置的情况进行对比,分析其对反应率及组分浓度的影响规律。最后对含突扩孔的裂隙介质进行了模拟,发现其提高了裂隙内的速度及组分迁移,这与喉部裂隙介质内的规律正好相反。上述结果较好地说明了本模型具有模拟研究复杂裂隙介质内的CO_2反应迁移规律的能力。

基于颗粒离散元法岩石压缩过程破裂机制宏细观研究

为了研究岩石在压缩荷载作用下的破裂机制,基于颗粒离散元法,对岩石压缩荷载作用下内部颗粒组分的宏细观力学响应进行研究,得到岩石压缩破坏过程中颗粒旋转弧度、颗粒间接触力、颗粒竖向位移以及细观裂纹的演化过程。研究结果表明:岩石宏观破裂过程是在外部荷载作用下,内部组分之间相互作用导致的岩石试件由静态到动态、由局部到整体、由细观到宏观的不断演化的过程,并最终形成宏观上的破裂带。研究结果从细观层面揭示岩石的破裂机制,对岩体工程稳定性的评价、地质灾害发生的预测等具有参考价值。

交叉裂隙水力学开度的计算及非线性水力特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,得到了不同进口与出口组合时的流量和压力变化的关系曲线。同时结合串联裂隙水力学开度的计算公式,利用最小二乘法求解超静定方程组,计算交叉裂隙中每个裂隙单元的水力学开度。通过拓扑得到裂隙交叉点的几何尺寸,并求解Navier-Stokes方程,研究裂隙交叉对其水力特性的影响。结果表明,通过室内试验和串联裂隙水力学开度计算公式相结合的方法,可以准确计算每个裂隙单元的水力学开度。当雷诺数Re较小时,交叉点内部的流体成稳态层流流动;当雷诺数较大(比如Re≥100)时,可以观测到明显的漩涡,说明流体的惯性力远大于黏性力,经典的立方定律不再适用。对于1个进口2个出口的情况,出口的流量分配比率与雷诺数成二次函数关系,随着雷诺数的增大,流量分配比率的非线性越来越明显,其最大分配比率变化超过15%。出口的水力学开度e与初始水力学开度(即力学开度E0)的比值e/E0和雷诺数Re也具有二次函数关系。当Re<1时,e=E0呈线性关系;当1<Re<10时,e/E0具有较弱的非线性;当雷诺数Re>10时,e/E0呈现出较强的非线性;利用该关系式可以得到修正的立方定律,从而进一步求解交叉裂隙的水力特性问题。

基于CT三维重建与逆向工程技术的煤体数字模型的建立

为了建立能够表征煤体真实孔隙结构的数字模型,进而进行数值模拟研究,通过μCT225k VFCB高精度CT系统扫描得到了大柳塔煤矿长焰煤CT数据,可观测到的最小孔隙直径为1.94μm。使用基于Matlab语言的三维重建程序结合逆向工程技术,提出了一种将煤体CT三维数据转换为CAD数字模型的方法。以Ansys建立的煤体有限元模型为例,对煤体瓦斯渗流进行了模拟,分析了煤体孔隙内的速度及压力分布规律,并计算了沿X、Y、Z方向的渗透系数。计算结果表明:在微观尺度下(<100μm)煤体渗透系数呈现各向异性,其受煤体结构的影响较明显。提出的基于CT三维重建结合逆向工程技术构建的煤体CAD数字模型不仅可进行有限元分析,同时也可以被EDEM等离散元分析软件所使用,拓宽了煤体CT三维数据的应用范围,丰富了煤体在微观尺度上的研究方法。

基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法的岩体裂隙网络渗流特性研究

岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应是影响岩体裂隙网络等效渗透性的重要因素。首先回顾了单裂隙中裂隙粗糙度和流体惯性效应对其过流能力的影响;然后基于逆Broyden秩1拟牛顿迭代法求解控制裂隙内流体流动的非线性方程组,研究岩体裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络（DFN）等效渗透性的影响;最后,基于两种不同边界条件,对离散裂隙网络模型内流体的流动特性进行了探讨。结果表明,当水力梯度较小（〈0.5）时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响很小;当水力梯度较大（〉0.5）时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络渗透性的影响随水力梯度的变化而显著变化;在两种边界条件下,当水力梯度在0.1～10.0之间时,裂隙粗糙度和流体惯性效应对离散裂隙网络过流能力的最大影响分别为18.1%和27.5%。所以,当水力梯度较大时,需要在离散裂隙网络模型的渗流计算中考虑裂隙粗糙度和流体惯性效应的影响。

充填节理加锚剪切强度特征及变形规律研究

基于含充填节理室内剪切试验数据,利用PFC2D探讨了含充填及加锚节理的数值实现方法,建立了不同粗糙度形态的含充填节理及其加锚计算模型,对比研究了含充填节理面在加锚和无锚状态下的强度特征及其应力应变曲线特性.研究结果表明:以室内含充填节理剪切试验结果为参数标定基础,获得准确细观参数,并可应用于后续含充填节理的加锚剪切模拟,且效果较好;加锚情况下含充填节理的剪切强度相比不加锚情况具有一定程度的提高,且达到峰值强度时的应变量明显增加,但锚杆对含充填节理面抗剪强度贡献量不同;同一充填厚度下,不同粗糙度的含充填节理面加锚剪切曲线可分为三种不同的曲线形式,其对应的锚杆贡献量不同;同一粗糙度下,不同充填厚度的节理面加锚剪切行为差异较大,且存在一个临界充填厚度,此厚度下的加锚充填强度最大,且不同粗糙度的加锚节理面临界充填厚度不同.

地铁运行下环境隔振措施研究

以青岛地铁为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D对地铁运营导致环境振动的传播规律进行了系统研究。重点从振动的传播路径、受振建筑物两方面提出连续屏障和砂垫层隔振两种措施,并采用FLAC3D模拟各自隔振效果。研究表明:对于连续屏障隔振,明沟的隔振效果优于有填充物屏障的隔振效果;振幅衰减系数变化规律表明充填物的弹性模量是影响屏障隔振效果的主控因素,屏障深度和厚度次之;砂垫层具有较好的隔振效果,且其厚度和弹性模量对隔振效果的影响都较显著。

急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面瓦斯涌出影响因素研究

急倾斜特厚煤层回采工作面瓦斯涌出问题已经严重影响到煤矿的安全生产。为研究急倾斜特厚煤层回采工作面各因素对瓦斯涌出量的影响,利用分源预测法构建了急倾斜特厚煤层回采工作面瓦斯涌出量预测模型,对采用水平分段综放开采的乌东煤矿+575 m水平45号煤层西翼回采工作面的瓦斯涌出源进行分析并预测工作面的瓦斯涌出量,采用修正的Morris筛选法对采用水平分段综放开采的乌东煤矿+575 m水平45号煤层西翼及43号煤层西翼回采工作面影响瓦斯涌出量的各个因素进行灵敏度分析,结果表明:乌东煤矿+575 m水平45号煤层回采工作面瓦斯涌出量预测模型的预测结果与实测结果具有较高一致性,其最大相对误差为5.43%,最小为0.18%,平均相对误差为3.23%,验证了预测模型的准确性;回采工作面的瓦斯涌出主要来自于开采分段与下部煤体,邻近煤层与上部老采空区的瓦斯涌出所占比重较少;+575 m水平43号煤层西翼回采工作面与+575 m水平45号煤层西翼回采工作面的灵敏度分析结果整体上具有一致性,工作面的丢煤瓦斯涌出系数、开采层瓦斯涌出、煤层的原始瓦斯含量、开采煤层瓦斯含量梯度均为高灵敏度参数,围岩瓦斯涌出系数和分层瓦斯涌出系数均为灵敏参数,采动影响破坏深度为中灵敏度参数,老采空区瓦斯涌出系数为不灵敏参数。

基于声发射参数及分形理论的岩石损伤模型

针对现有计算岩石损伤演化微观模型的复杂性以及宏观模型缺乏准确性等问题,提出一种宏观试验确定细观变量的方法建立了损伤模型。首先,分析了声发射振铃数与应力应变的关系,发现其与裂纹的扩展具有内在的联系,且随着荷载的增加呈幂函数式增加,由此提出了计算岩石微裂纹密度这一细观损伤变量的模型;其次,引进分形理论,分析岩石的分形维数与裂纹扩展的内在关系,发现分形维数与荷载也具有幂函数关系,证明声发射累计振铃计数可以表征岩石的损伤状态。最后,通过试验实例分析,该模型能够准确地计算岩石的裂纹密度,很好地模拟岩石的破坏过程,从而有效地计算岩石细观损伤演化方程。

地应力对水力压裂效果的影响

针对地应力对深部裸眼井水力压裂效果的影响,基于ANSYS有限元分析软件和弹性力学的知识,建立了裸眼完井的2种有限元计算模型,并对其进行了基于弹性力学的理论计算。结果表明,随着地应力的增加,井筒附近的拉应力逐渐减小,从而导致水力压裂裂纹的起裂难度增加;地应力对水力压裂的裂纹影响还表现在起裂位置和裂纹发展方向上。

压力水浸泡下煤岩抗拉特性试验研究

基于自主研发的煤岩压力水浸泡试验装置,结合扫描电子显微镜和XTDIC三维全场应变测量系统,开展干燥及0,3和5 MPa压力水浸泡下(浸泡时长为10 d)4组煤样的巴西劈裂试验,研究压力水浸泡下煤岩抗拉特性。结果表明:随着浸水压力增大,煤样单轴抗拉强度和峰后轴向应力递减率均逐渐降低,同时煤样塑性破坏增强。加载初期,煤样最大主应变场分布几乎无规律可循,随着浸水压力增大,煤样应变等势线逐渐密集;煤样首先在原生宏观裂纹处产生应力集中,形成变形局部化带,随着轴向应力加载至应力峰值,煤样中部生成宏观主控裂纹,应变等势线梯度增大,并逐渐向主控宏观拉伸裂纹变形局部化带区域收缩靠拢;同时,煤样变形局部化带位移错动量演化与局部化带发育、扩展与贯通有关,应力峰值处变形局部化带位移错动量随着浸水压力增大而增大。浸水压力的增大加剧水-煤岩作用,破坏煤样初始储能结构,其峰前能量储存能力逐渐减小,对应至试验机加载到煤样上的机械能呈递减趋势,与干燥煤样相比,0,3和5MPa压力水浸泡下平均机械能分别减小了29.93%,44.90%和57.14%。随着浸水压力增大,煤样破裂断口形貌由相对平整向“蜂窝”状转变,测得其平均孔隙率、孔隙最大面积和概率熵逐渐增大,说明煤样内部损伤加剧,进而导致其单轴抗拉强度减小,抗拉特性劣化效应增强。上述研究成果对煤矿防隔水煤(岩)柱合理留设及其稳定性保障等具有重要的意义。

富水破碎岩体注浆加固实验与机制研究

采用模拟富水破碎岩体注浆的方法,开展普通硅酸水泥42.5#(PO.42.5)、硫铝酸盐水泥42.5#(SAC.42.5)和自主研发水泥基复合注浆材料(CGM)的注浆加固效果实验。通过对比破碎灰岩和破碎砂岩试样注浆后结石体的单轴压缩实验结果发现,岩体破碎程度越高,注浆后强度改善效果越明显,岩石孔隙率越大,注浆后韧性增强显著。CGM材料对应注浆加固结石体强度显著高于PO和SAC材料,对多孔隙砂岩的刚性改善效果最优,且结石体沿岩–浆界面产生滑移破坏的概率最小,SAC材料次之,PO材料最差。采用扫描电子显微镜测试手段,分析岩–浆界面过渡区域矿物种类及分布形态,揭示了不同水泥类材料注浆效果产生差异的原因,从微观角度确定了岩–浆界面的胶结类型主控因素为岩石的岩性,与水泥材料类型无关。对于致密度高的灰岩类岩石属于Ollivier-Grandet模型,对于多孔隙砂岩类岩石属于Zimbelinan模型。结合对岩–浆界面过渡区域X射线衍射分析和元素扫描分析结果,证明注浆不仅改善岩石的物理力学性能,还会引发岩石组分发生化学变化,在界面区域生成类岩石矿物,可提高岩–浆界面胶结强度。