真三向应力作用下深部储层砂岩渗透率各向异性实验研究

渗透率各向异性是沉积岩层理结构中一个非常典型的现象,一方面它由原生沉积结构决定,即原生各向异性,另一方面它受到总应力和孔隙压力影响,即诱发各向异性.为研究真三向应力条件下储层砂岩渗透率原生与诱发各向异性,以中国东北部S6储气库储层砂岩为研究对象,采用东北大学自主研制的硬岩真三轴应力-渗流耦合装置对储层砂岩进行渗流实验,通过稳态法完成同一砂岩3个相互垂直方向的渗透率测试.实验结果表明:储层砂岩在施加的应力和孔隙压力范围内,平行层理方向的渗透率k x为100.94~113.98 m D,k y为98.34~111.41 mD,垂直层理方向的渗透率k z为54.98~63.29 mD;储层砂岩3个正交方向渗透率均随主应力增加而减少,随孔隙压力加载而递增;与气体渗流方向垂直的应力对渗透率的影响大于与气体渗流方向平行的应力对渗透率的影响;当外部应力方向都垂直于气体渗流方向时,与层理垂直的应力对渗透率的影响大于与层理平行的应力对渗透率的影响;孔隙压力对储层砂岩渗透率的线弹性响应并不是各向同性的,孔隙压力对水平层理方向所产生的渗透率增量超过了垂直层理方向.研究结论为地下储气库储层砂岩渗透率准确预测提供了参考依据,为地下储气库的运行和管理提供了新的岩石物性资料.

深埋TBM隧洞岩性界面区围岩破坏特征与支护技术研究

为保证深埋TBM隧洞岩性界面区域的安全、高效施工,综合应用现场调查、微震监测等手段开展顺隧洞轴向岩性界面区域的围岩破坏特征、微震活动特征研究,并在此基础上开展岩性界面区域破坏围岩支护技术研究。研究结果表明:1)由于岩性界面区域应力集中,开挖卸荷后围岩更容易破坏,且隧洞围岩南硬北软的特征导致不同类型的破坏以蚀变带为界分布在隧洞两侧,破坏分布具有明显的区域性;2)岩爆、结构型塌方破坏与微震活动具有良好的空间相关性;3)当岩爆等级较低时,以结构型塌方为主体进行支护,随着岩爆等级升高,支护及防控的主体逐渐过渡为岩爆。

某深埋TBM隧洞围岩地质变化区破坏特征与类型判别方法

某深埋TBM隧洞地质变化区开挖过程中岩爆和塌方交替发生,导致工期严重延误,严重威胁现场人员及施工安全。通过现场地质踏勘、微震监测和结构面统计,研究现场工程地质灾害与围岩岩性、地质条件的关系,建立基于岩性、地质及微震活动特征的地质灾害类型判别方法。结果表明,该隧洞破坏类型与围岩岩性有显著相关性,黑云母花岗岩洞段岩爆风险最高,混合花岗岩洞段次之,钾长石花岗岩与黑云母花岗岩围岩蚀变的洞段易发生塌方;岩性变化的交界面位置,破坏规模明显增大;破坏类型还与结构面密度相关,随着结构面密度减小,破坏类型由塌方转变为中等岩爆,进一步等级降低为轻微岩爆;微震特征分析表明,岩爆区域微震活动远大于塌方区域微震活动。当微震活动较低时,围岩破坏以塌方为主;当微震事件数>15,微震释放能>1000 J,围岩破坏以岩爆为主;当微震事件数>20,微震释放能>20000 J时,围岩可能发生中等岩爆。现场应用表明,该方法可准确预测掌子面前方潜在破坏类型,为类似工程灾害交替发生洞段的安全、高效施工提供参考。

深埋引水隧洞安全监测数据分析

安全监测在地下引水隧洞工程施工过程中发挥着重要作用,监测数据可真实反映开挖施工过程中围岩变形过程和应力变化情况。东疆调水工程KSVII标地下隧洞埋深超深,开挖过程中施工支洞与上游主平洞、下游主平洞相互交叉,且交叉段洞室跨度较大,地质条件差,围岩应力结构复杂。为了分析调水工程深埋引水隧洞围岩变形、应力分布规律和发展特征,通过安装埋设监测仪器及时获取安全监测数据资料,在监测数据资料分析的基础上,分析围岩变形和应力变化情况,结果表明:围岩位移变形与围岩内部应力变化趋势基本吻合,监测仪器数值受开挖施工影响,围岩应力释放,围岩结构发生蠕变影响仪器测值变化速率持续增加;随着洞室全断面开挖完成,围岩应力重新调整,逐步向临空面释放,导致后续监测过程中监测值出现不同程度的增加或波动,待围岩应力调整完成后,监测值逐渐趋于稳定;开挖施工过程中应减少对围岩的扰动,同时及时支护,以便保障工程施工安全。研究成果可有效的指导现场开挖施工,保障工程施工安全。

基于地下水化学特征的水封油库水幕系统有效性评价

水幕系统有效性是地下水封油库安全稳定运行的重要基础条件,然而目前评价水幕系统有效性的方法并不高效便捷。以我国首个大型地下水封油库工程为背景,采集油库运行期现场水样和岩样进行水质检测分析和电镜扫描试验,获取库址区地下水水化学类型和岩石的矿物成分组成特征。采用数理统计方法,基于地下水水化学特征获得了不同部位地下水之间的水力联系,开展水幕系统有效性评价。研究表明:油库运行初期库址区地下水主要为HCO^(3)—Na•Ca型水,围岩中的钾长石、钠长石和钙长石发生水化学反应,地下水中的K^(+)、Na^(+)、Ca^(2+)和HCO_(3)^(-)浓度总体呈上升趋势,pH值总体呈下降趋势;Cl^(-)浓度低于造成钢筋腐蚀的浓度,地下水对洞库支护系统无明显腐蚀作用;洞库周边监测孔地下水与水幕供水的水化学特征相似,说明水幕系统与油库围岩之间存在较好的水力联系,形成良好的水封效果。该研究可为判断地下水封油库运行情况提供重要依据,并为评价水幕系统有效性提供了一种科学方法。

某双管同沟敷设管线阴极保护系统干扰防护数值模拟研究

为明确同沟敷设管道阴极保护系统相互干扰规律及干扰防护措施,以新疆油田某双管同沟敷设管道(D219和D457)为模型,设置D219管道的涂层破损率为0.1%,D457管道的涂层破损率为0.1%、0.5%、1.0%,采用数值模拟方法对不同阴极保护设计及阴极保护干扰防护措施的有效性及适用性进行评估。结果表明:采用浅埋阳极单独阴极保护的同沟敷设管道存在阴极保护系统相互干扰,随着干扰管道D457防腐层破损率的增加,其对并行管道D219的干扰程度增强,施加均压线措施可有效降低干扰;采用浅埋阳极联合阴极保护+均压线措施可消除同沟敷设管道阴极保护系统的相互干扰,当双管同沟管道防腐层破损率相差较大(D2190.1%,D4571.0%)时,改善效果较为显著;对于采用深井阳极联合阴极保护的同沟敷设管道,当D457防腐层破损率较大(1.0%)、土壤电阻率较高(50Ω·m)时,其阴极保护效果较差,采用均压线+牺牲阳极措施对阴极保护效果的改善作用不明显,而增大深井阳极输出电流联合均压线措施可显著改善同沟敷设管道的阴极保护效果。

某深埋凝灰质砂岩隧洞破坏特征及微震演化规律

某深埋凝灰质砂岩隧洞,采用敞开式TBM掘进,地质条件复杂,掘进过程中发生塌方、岩爆等不同类型破坏,存在安全风险,影响施工进度。为指导现场施工与支护措施,提高施工效率,连续开展微震监测,以现场地质踏勘资料为基础,结合微震监测信息分析不同类型破坏特征,总结微震活动时空演化规律。结果表明:该隧洞中松弛掉块分布范围广,塌方发生位置较集中,部分塌方与松弛掉块交替发生,轻微岩爆呈零星散发的特点;地质特征与破坏特征存在相关性,结构面越发育破坏规模越大,塌方风险越高;不同类型破坏分布与微震活动时空演化规律一致性较好,现场破坏规模与微震事件数和微震释放能均呈正相关关系;通过对微震监测信息分析,可以判识、预测该隧洞破坏规模和类型,为施工提供指导。

深埋TBM隧洞围岩时滞型片帮破坏特征与影响因素研究

深部工程硬岩表现出强时效性,时滞型片帮等时效灾害时有发生。为保证隧洞的长期稳定性,文章采用现场调查、微震监测方法对时滞型片帮的破坏特征、微震活动特征开展研究。结果表明:①时滞型片帮集中于洞周应力集中处;②高应力作用下围岩的持续破坏是造成时滞型片帮的直接原因,附近的结构面会增加这一破坏风险;③及时锚喷支护有助于降低围岩时滞型片帮的风险。研究成果可为TBM隧洞时滞型片帮的预测与控制提供参考。

TBM隧洞岩爆监测预警与控制技术研究

针对某TBM隧洞出现的岩爆问题,采用岩爆微震监测预警技术,进行岩爆风险区域和等级预警,并指导支护与施工。应用效果表明:利用微震监测技术对岩爆等级和发生区域进行预测是可靠的,可为支护措施的设计与优化提供良好的指导作用,以保障岩爆段的安全高效施工。研究成果可为相似情况下TBM隧道岩爆监测、预警与控制提供参考。

深埋TBM隧洞结构面对岩爆的作用机制研究

通过分析某深埋TBM隧洞应变-结构面滑移型岩爆的地质条件及微震活动特征,揭示了结构面对岩爆的作用机制。结果表明:结构面特征是决定岩爆作用机制的关键因素,不仅控制爆坑所在的边界和深度,其周围岩体也呈现明显的块状、片状特征;根据微震活动的时空演化特征可将该岩爆孕育过程划分为破裂萌生-结构面局部错动阶段、破裂缓慢孕育阶段、破裂快速孕育阶段、破裂贯通-结构面滑移阶段和破裂衰减阶段;应变-结构面滑移型岩爆的主要影响因素为岩体质量的变化和结构面的不利产状。本文研究成果不仅揭示了深埋TBM隧洞结构面对岩爆的作用机制,还可为应变-结构面滑移型岩爆的监测、预警和控制提供参考。

深埋TBM隧洞时滞型岩爆微震活动演化规律研究

为揭示深埋TBM隧洞施工过程中时滞型岩爆的孕育机理,基于微震监测技术,研究深埋TBM隧洞典型时滞型岩爆孕育过程微震活动演化规律。结果表明:TBM隧洞时滞型岩爆有时空滞后性;掌子面开挖时,微震活动呈“活跃期”特征,无岩爆发生;掌子面远离过程中,微震活动呈“平静期”特征;在外界轻微扰动下时滞型岩爆发生。研究成果可为TBM隧洞时滞型岩爆机理和防控方法研究提供依据。

爆破扰动下TBM隧洞时滞型岩爆特征及影响机制研究

时滞型岩爆的发生通常具有很强的随机性,会对施工安全造成巨大的威胁,而开挖扰动、爆破扰动等均会对潜在时滞型岩爆区产生不同程度的影响。依托某隧道掘进机(TBM)引水隧洞,采用理论分析和对比分析法研究了拆机洞爆破开挖期间K54+000—K54+700段发生的5次时滞型岩爆,发现:(1)强烈岩爆和中等岩爆区位于缓倾断层附近,围岩发育短小隐节理和含充填的细密节理,轻微岩爆距断层远或位于正断层附近,除含充填的细密节理外,均至少发育1条含充填物的倾向SW的陡倾结构面;(2)TBM法开挖隧洞时滞型岩爆滞后爆破时间更长,滞后工作面距离更远,且爆破对TBM隧洞的扰动作用相对较小;(3)爆破扰动使得潜在时滞型岩爆区围岩失稳变得容易,从而加速了时滞型岩爆的进程。研究成果可为TBM隧洞时滞型岩爆的预警与防控提供参考。

高压脉冲作用下岩石的击穿特性与物理力学参数关系试验研究

高压脉冲提供了一种非常具有应用前景的新型破岩技术。为了研究高压脉冲作用下岩石的击穿破裂特性,并掌握击穿场强与物理力学参数之间的关系,开展了不同岩性岩石的电击穿试验。借助扫描电子显微镜分析了高压脉冲击穿后岩石的微观破裂机制,比较了不同岩性岩石在刚好击穿时的破裂模式,研究了岩石物理力学参数对击穿场强的影响。微观分析结果表明:等离子体通道附近区域呈现高温灼烧特征,晶粒表面光滑且出现孔洞;冲击波作用下裂纹区主要为沿晶断裂和穿晶断裂;过渡区则表现出高温和冲击波共同作用的特征。此外,岩石的击穿场强与密度、波速、弹性模量之间的相关性较弱;而与抗压强度及抗拉强度之间具备一定的量化关系,击穿场强随着抗压强度和抗拉强度的增大呈指数型增长。

碳达峰-碳中和战略中的关键力学问题

气候变化是人类面临的全球性问题.随着温室气体排放的急剧增长,地球上的生命系统面临严峻挑战.基于推动可持续发展的内在需求与构建人类命运共同体的责任担当,我国2020年提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标.碳达峰-碳中和战略已成为我国中长期发展的重要框架.为了反映我国在该领域与力学相关研究的最新进展,《力学学报》组织了“碳达峰-碳中和战略中的关键力学问题”专刊.专刊收录了清洁能源开发利用、非常规能源开发利用、能源低碳化利用、低碳建筑与储能技术、地质系统固碳、相关力学基础理论与方法等方向17篇研究或综述论文,供读者参考.

隧洞式内衬储气库极限储存压力解析解

隧洞式内衬储气库是一种新型能源储存方法,有助于平衡供需,推动国家由化石能源向绿色能源的持续过渡,有利于国家“碳中和、碳达峰”目标的实现.本文采用极限平衡方法和弹塑性分析方法推导隧洞式内衬储气库极限储存压力的解析解.在极限平衡方法中,考虑上覆围岩自重、破裂面受力和极限储存压力,选用刚性锥模型,推导了上限压力表达式;在弹塑性分析方法中,根据围岩中应力分布规律和剪切、抗拉强度,推导获得了弹塑性条件下上限与下限压力表达式.最终综合考虑两方法求得的结果,确定极限储存压力解析解.结果表明:极限平衡方法求得上限压力与埋深呈二次函数关系,且随着侧压力系数的增大而增大;弹塑性分析方法确定的上限压力和下限压力与埋深呈线性关系,下限压力随着侧压力系数的增大而减小,且Ⅰ级围岩条件下的内衬储气库不用考虑下限压力.在侧压力系数λ=1.2时上限压力最大,因此应尽量在侧压力系数为1.2的围岩条件下修建隧洞式储气库.最后根据典型工况下上限和下限压力曲线给出内衬洞室推荐压力范围.

某深埋TBM引水隧洞不同围岩条件下岩爆破坏特征及支护方案研究

不同围岩条件下,深埋硬岩隧洞同一等级岩爆破坏特征有显著区别。以某深埋TBM引水隧洞工程为研究背景,分析了不同围岩中等岩爆破坏特征,基于声波测试、数值计算建立了不同围岩条件下深埋隧洞中等岩爆区防控方案。研究结果表明:该TBM隧洞以中等岩爆为主,Ⅲb类围岩中等岩爆平均深度为0.58 m,Ⅲa类围岩中等岩爆平均深度为0.45 m,Ⅱ类围岩中等岩爆深度为0.32 m。数值模拟与现场声波测试结果进一步表明,从Ⅱ类至Ⅲb类围岩,损伤区深度逐渐增大,最大主应力逐渐减小,但应力集中区距边墙距离及范围更大。建立的不同类别围岩中等岩爆区防控方案得到成功应用,现场安全通过岩爆区,且Ⅱ类、Ⅲa类和Ⅲb类围岩中等岩爆段平均日进尺分别提高了19.8%、18.8%和30.6%,施工效率大大提高。研究成果可为相同或相近TBM隧洞工程提供参考依据。

微生物浸铀应力场-渗流场-化学场-生物场耦合模型及工程应用探讨

为了研究微生物浸铀工艺过程中的微生物行为特征和工艺参数对铀地浸效果的影响,建立了同时考虑微生物生长的储层变形、物质运移传递和化学反应的微生物浸铀耦合模型,以新疆伊犁盆地某砂岩型铀矿为工程背景,采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件针对微生物浸铀过程进行了数值模拟。结果表明:微生物浸铀过程中浸出液铀浓度整体趋势为浸出开始后逐渐上升,400 d左右达到峰值,最后再缓慢下降;抽注单元尺度分析浸铀过程存在溶浸死角;抽注液流量越高,浸出液铀浓度所能达到的峰值也就越高;微生物数量与可逆解吸附速率和最大比生长速率呈正相关,与可逆吸附速率和比衰亡速率呈负相关;抽注液井附近由于流体压力的不同,渗透率的演化规律也不同。研究结果对于微生物浸铀工艺有一定的指导意义。

红砂岩受高压电脉冲击穿作用下的破裂行为试验研究

高压脉冲放电破岩具有绿色环保、能量可控的特色,是一种应用前景广阔的新兴岩石破碎技术。通过电击穿试验分析了高压脉冲作用下红砂岩的破裂机制,研究了不同试件尺寸和放电电压下红砂岩的破裂模式及破裂程度。结果表明:高温和冲击波是导致试件破裂的内在机制。高压电脉冲作用下,红砂岩在电极附近由于等离子通道贯通后的迅速膨胀作用形成击穿区,损伤最为严重。击穿区外侧受冲击波的影响出现径向裂纹,冲击波强度足够时可继续诱发试件边界附近出现剥落裂纹。击穿区、径向裂纹及剥落裂纹的形成与试件的尺寸和放电电压密切相关。采用裂纹密度和分形维数两个指标量化分析了高压脉冲作用后试件的破裂程度。随着试件尺寸增加,试件由块状破碎转变成穿孔破坏模式,试件的裂纹密度、裂纹的复杂程度以及分形维数呈现出降低趋势。随着放电电压的增加,试件由穿孔破坏模式转变成块状破碎,其裂纹密度、裂纹的复杂程度和分形维数呈现增加趋势。

多轴压缩条件下层状硬质片岩的力学特性研究

在深部工程中经常会遇到层状岩体,由于高应力的影响,在工程活动中发生因层状结构面诱发的岩体灾害问题。这与深部工程中的真三向高应力环境及层状结构面产状密切相关。为此,基于一种取自某深部金属矿山的层状硬质片岩,开展了考虑片理方位的真三轴压缩试验研究,获取了该片岩在两种片理加载方位下,不同应力差条件时,试样的变形、强度及破裂数据。结果表明,该硬质片岩的力学特性受片理加载方位和应力条件影响较大。具体表现在,当中间主应力σ_(2)平行片理走向时,试样的脆性更强,且最小主应力σ_(3)越小脆性越强。当σ_(2)垂直片理走向时试样的强度更高,但强度随σ_(3)增加而增加的敏感性较弱。当σ_(2)平行片理走向时,试样的破坏均以沿片理的剪切为主;而当σ_(2)垂直片理走向时,试样在低σ_(3)时,主要发生穿片理的拉破坏,高σ_(3)时,则转变为沿片理的剪切破坏。试验结果对陡倾层状硬质岩体工程的稳定性评价有一定的启示意义,即当片理走向与洞轴线的夹角较小时,浅层围岩片理面的法向应力释放程度较高,易发生受片理结构控制的脆性破坏;反之,夹角较大时,岩体的稳定性较强。

围岩参数不确定性对地下水封洞库稳定性的影响

为了分析库区围岩条件测量不确定性问题对围岩稳定性分析产生的影响,依托国内某地下水封洞库工程,采用ANSYS/FLAC3D建立洞库的三维数值计算模型,开展洞库稳定性数值模拟。将围岩的位移分布、应力分布和塑性区分布作为稳定性的评价指标,分析围岩物理力学参数(包括弹性模量、泊松比、密度、内摩擦角、黏聚力和抗拉强度)、地应力方向对洞库围岩稳定性的影响。通过改变围岩物理力学参数的大小和应力场方向,开展考虑围岩物理力学参数和主应力方向不确定性的地下水封洞库围岩稳定性研究。数值模拟结果表明,当围岩的物理力学参数下降10%时,围岩的位移显著增加,地应力方向改变10%时,围岩位移变化均会增加,说明围岩物理力学参数的变化对稳定性的影响更大,验证主洞室的走向应与地应力方向平行。