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废弃油气藏气体能源存储过程中不同浸润界面类型的断层活化试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 75-89页

作者：胡明慧刘日成李树忱朱欣杰邱凯中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

通过开展干燥、湿润和原油3种类型岩石结构面卸载诱发滑移的三轴力学试验,探究界面类型对岩石结构面活化过程的影响机制,揭示活化过程中结构面微观特征和宏观特性之间的内在关系。试验结果表明,岩石结构面的活化分为3阶段:稳定阶段、活... 详细信息

通过开展干燥、湿润和原油3种类型岩石结构面卸载诱发滑移的三轴力学试验,探究界面类型对岩石结构面活化过程的影响机制,揭示活化过程中结构面微观特征和宏观特性之间的内在关系。试验结果表明,岩石结构面的活化分为3阶段:稳定阶段、活化阶段和动态滑移失稳阶段。岩石结构面剪断剥落的岩屑随剪切滑动而产生层理状积聚,滑动面边缘损伤程度大于滑动面内部损伤程度。干燥界面试样试验后结构面的JRC降低了62%,大于湿润界面(33.6%)和原油界面(30.5%)试样。在干燥界面状态下,结构面上的微凸体自锁能力强,稳滑时的平均速率较低(0.13μm/s),黏滑时表面微凸体以脆性破坏为主,具有突发性,平均滑移速率为9.7μm/s,是稳滑时平均速率的74倍;在湿润界面状态下,水的存在促进了黏滑,黏滑时表面微凸体以延性破坏为主,速率的迁跃具有明显的爬坡和回落特征,剪切滑移期间产生的岩屑和水混合,增大了岩石上下表面接触面积,提高了分子间吸附力,强化了岩石结构面的摩擦强度;在原油界面状态下,岩石表面会附着一层胶质原油层,作为延性断层泥充填了岩石结构面上的凹凸空间,劣化了表面微凸体的硬度,降低了岩石结构面的摩擦强度。原油条件下结构面摩擦强化效果弱,自锁能力差,容易发生动态滑动。界面类型控制着摩擦因数增长幅度和动态滑移的起始速率,干燥、湿润和原油类型的岩石结构面在活化期间摩擦因数分别增长了5%,11.2%和0.7%,动态滑移的起始速率分别为1.1,0.27和0.023 mm/s。研究结果可为评价油气藏不同界面类型结构面的断层不稳定性提供理论依据,并对深入了解注采扰动诱发断层活化具有重要意义。

关键词：岩石力学界面类型摩擦强度滑移速率

卸载速率对卸载诱发注浆加固节理岩体滑移行为影响的试验研究

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岩土力学 2024年

作者：卢英瑞冯现大刘日成李树忱胡明慧董峰吉济南大学土木建筑学院中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室

为研究卸载速率对水泥注浆加固节理花岗岩卸载诱发滑移行为的影响，利用TATW-2000岩石三轴试验系统对接近临界应力状态下的注浆加固节理花岗岩进行了恒轴压分级卸围压的诱发滑移试验，卸载速率分别为0.1、0.5、1、5和 10 MPa·min-1。... 详细信息

为研究卸载速率对水泥注浆加固节理花岗岩卸载诱发滑移行为的影响，利用TATW-2000岩石三轴试验系统对接近临界应力状态下的注浆加固节理花岗岩进行了恒轴压分级卸围压的诱发滑移试验，卸载速率分别为0.1、0.5、1、5和 10 MPa·min-1。研究表明：（1）在剪切滑移过程中，岩-浆黏结界面会相互磨损，花岗岩会在水泥断面表面留下大量微划痕。随着卸载速率升高，JRC值分别为17.52、16.25、15.65、12.82、10.72，这表明卸载速率越大，水泥断面表面的微划痕越小。（2）各围压卸载期内的平均剪切滑移速率随卸载速率变化关系符合幂函数关系，平均剪切滑移速率随卸载速率的升高而升高，但升高速率逐渐减小。在应力-应变滞后效应的影响下，各围压保持期内的平均剪切滑移速率也随卸载速率的增加而增加。卸载速率为0.5、1、5、和10 MPa·min-1时，围压保持期的平均剪切滑移速率远小于围压卸载期的平均剪切滑移速率，卸载速率为0.1 MPa·min-1时，围压卸载期和围压保持期的平均剪切滑移速率相对差距较小。（3）动态滑移的平均剪切滑移速率比蠕变滑移的平均剪切滑移速率高一个数量级。蠕变滑移和动态滑移的平均剪切滑移速率随卸载速率的升高而升高，持续时间随卸载速率的升高而减小。（4）卸载速率小于1 MPa·min-1时，试样发生失稳滑移时对应的围压与卸载速率呈正相关，卸载速率大于1 MPa·min-1时呈负相关。

关键词：岩石力学卸载诱发滑移卸载速率节理岩体剪切滑移速率

岩石节理双向动态循环剪切试验系统研制与应用

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：张强谷邱鑫李涛刘日成李树忱尹乾徐鼎平中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室中国矿业大学力学与土木工程学院中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室

为深入探究复杂工程环境下岩石剪切力学行为和破坏机制，自主设计研制了一套岩石双向动态循环剪切试验系统。该试验系统主要由主机加载系统、伺服油源系统、伺服控制系统、剪切工装系统和变形测量系统五部分组成。该试验系统的主要创新... 详细信息

为深入探究复杂工程环境下岩石剪切力学行为和破坏机制，自主设计研制了一套岩石双向动态循环剪切试验系统。该试验系统主要由主机加载系统、伺服油源系统、伺服控制系统、剪切工装系统和变形测量系统五部分组成。该试验系统的主要创新性如下：(1)可在法向和剪切方向以0.001～10Hz频率进行动态加载，同时实现切向位移、切向荷载、法向位移和法向荷载的混合加卸载控制，并通过双向剪切的方法确保试样法向中心恒定；(2)试验过程可采用载荷、油缸位移、变形传感器进行多速率多目标组合控制，以实现切向和法向方向上的动静态加载；(3)可实现恒定应力、恒定位移、恒定刚度、动载加载和自定义荷载形式等多个可控边界条件；(4)可对长×宽×高=200 mm×100 mm×100 mm或400 mm×200 mm×200 mm的大尺寸试样进行试验探究；(5)可同时探究剪切、锚固等多种工况组合下的耦合机理。通过该试验系统开展不同应力边界条件下的岩石剪切试验，验证该试验系统的可靠性与准确性。试验结果表明：所研制的岩石双向动态循环剪切试验系统能够满足岩石剪切力学行为的科研需求，系统操作方便，试验过程高效稳定，加载精度与试验数据精度高。该试验系统可为深部煤炭资源开采、巷(隧)道开挖建设、放射性核废料处置、震区边坡稳定性分析和地下能源封存等重大工程领域的研究提供重要平台。

关键词：岩石力学剪切试验边界条件动态加载试验系统研制

不同钻进参数下反井钻机扩孔钻进速率与岩渣特征试验研究

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建井技术 2024年第3期45卷 68-73,67页

作者：宋朝阳崔泽升刘志强李树忱刘日成万泽恩煤炭科学研究总院北京100013 北京中煤矿山工程有限公司北京100013 矿山深井建设技术国家工程研究中心北京100013 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

通过不同钻进参数下反井钻机扩孔钻进斜井的现场工程测试与室内岩渣筛分试验,分析了不同钻进参数下扩孔钻头破岩钻进速率及其岩渣特征。结果表明:在单轴平均抗压强度41.6 MPa的砂岩地层中,获得了斜井反井钻机扩孔钻压、转速、扭矩等钻... 详细信息

通过不同钻进参数下反井钻机扩孔钻进斜井的现场工程测试与室内岩渣筛分试验,分析了不同钻进参数下扩孔钻头破岩钻进速率及其岩渣特征。结果表明:在单轴平均抗压强度41.6 MPa的砂岩地层中,获得了斜井反井钻机扩孔钻压、转速、扭矩等钻进参数与钻进效率之间相关关系;在试验范围内随钻压增加,扩孔钻进速率不断提高;在钻压为14 MPa、转速为9 r/min时,获得的最大扩孔钻进速率为1.41 m/h;在相同转速条件下,随着钻压增加,扭矩也同步升高,而扭矩与钻进速率之间呈线性正相关关系;通过筛分岩渣分析,扩孔钻头破岩形成的岩渣形态分为40.00 mm的大块板状或肋条状4类,岩渣粒度在10.00~20.00 mm范围内占比相对较高。研究成果可为快速判识反井钻机扩孔钻进效果和围岩稳定状态提供理论支撑。

关键词：反井钻机钻井机械破岩扩孔钻进钻进参数岩渣

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高温热处理砂岩Ⅰ-Ⅲ混合断裂特性试验研究

采矿与安全工程学报 2023年第6期40卷 1281-1289页

作者：李卫苏海健蔚立元刘日成陈广印中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏东徐州221116 山东能源集团鲁西矿业有限公司山东菏泽274700

煤炭地下气化等工程均涉及显著的高温热效应,导致地下煤岩体的强度、变形和断裂特性变得异常复杂。采用预制裂隙圆盘三点弯曲加载方法,对25~800℃高温热处理砂岩试样的Ⅰ-Ⅲ混合断裂特性进行了试验研究,探讨了温度对有效断裂韧度、断裂... 详细信息

煤炭地下气化等工程均涉及显著的高温热效应,导致地下煤岩体的强度、变形和断裂特性变得异常复杂。采用预制裂隙圆盘三点弯曲加载方法,对25~800℃高温热处理砂岩试样的Ⅰ-Ⅲ混合断裂特性进行了试验研究,探讨了温度对有效断裂韧度、断裂能以及微观结构的影响。研究结果表明:砂岩的有效断裂韧度随断裂混合系数Me13的增大而线性增大,相同条件下Ⅰ型断裂韧度最大,而Ⅲ型断裂韧度最小;随着温度的逐渐升高(25~800℃范围内),有效断裂韧度和断裂能均呈现先缓慢增大,400℃以后急剧减小的趋势,这主要与石英的相变有关;400℃热处理后砂岩微观形态以沿晶裂纹为主,而800℃时由于矿物相变和分解,形成了较多的穿晶裂纹;砂岩的Ⅲ型和Ⅰ型断裂韧度总体服从线性规律,即K_(ⅢC)=0.65K_(ⅠC),同时,Ⅲ型和Ⅰ型断裂韧度与抗拉强度均呈现较好的正相关性。

关键词：岩石力学 Ⅰ-Ⅲ混合断裂高温断裂韧度抗拉强度

化学腐蚀下节理花岗岩法向刚度演变规律试验研究

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岩土力学 2023年第9期44卷 2509-2524页

作者：刘尚刘日成李树忱蔚立元胡明慧中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

通过开展侧限条件下完整试样及不吻合节理试样法向荷载压缩试验,研究了节理花岗岩法向应力及法向闭合的变化特征,揭示了不同化学溶液酸碱值pH(1、3、7、12)和不同腐蚀时间t(10、30、100 d)条件下含不同初始开度b的节理试样法向刚度演变... 详细信息

通过开展侧限条件下完整试样及不吻合节理试样法向荷载压缩试验,研究了节理花岗岩法向应力及法向闭合的变化特征,揭示了不同化学溶液酸碱值pH(1、3、7、12)和不同腐蚀时间t(10、30、100 d)条件下含不同初始开度b的节理试样法向刚度演变规律。试验结果表明:不吻合节理试样的应力随应变变化特征不同于完整试样及吻合节理试样,由于节理表面微凸体的崩解,在应力-应变曲线整体增长过程中产生了局部应力降现象。不吻合节理法向闭合曲线呈现非线性的特点,法向位移增加速率随法向应力先增大后减小;相同法向应力下,试样法向位移及节理闭合速率随初始开度的增大而变大。通过引入经典节理闭合模型,分析得出节理试样法向刚度同时受初始开度、pH值及腐蚀天数的影响,其中受初始开度的大小影响最为明显。当pH=1、t=10 d时,法向位移从1~3 mm,b=1.65 mm的试样法向应力较b=3.4 mm的试样提高46.26%~149.46%;节理法向应力及刚度随着酸性溶液pH值的减小而减小;随腐蚀时间增加,不同化学溶液下的部分节理法向刚度先减小后增大。

关键词：岩石力学粗糙节理法向闭合化学腐蚀初始开度法向刚度

循环剪切作用下三维粗糙裂隙非线性渗流特性数值模拟研究

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岩土力学 2023年第9期44卷 2757-2766页

作者：蔚立元杨瀚清王晓琳刘日成王蓥森中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪... 详细信息

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪切位移和循环次数下接触面积和开度分布情况,发现当循环次数一定时,随着剪切位移的增加,原本吻合的上下表面发生错动,平均开度和各向异性增大,接触面积减小;剪切位移一定时,随着循环次数的增加,上下表面起伏在剪应力作用下被磨平,接触面积增大,平均开度减小。将模型导入数值模拟软件进行计算得到流量数据,结果表明,水力梯度随流量变化规律符合Forchheimer定律。循环1次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了88.3%,非线性Fochheimer系数减小了95.2%;循环2次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了95.4%,非线性Fochheimer系数减小了99.7%,两系数减小的幅度随循环次数增大而增大。进一步分析发现,剪切位移的增加对裂隙渗透性有促进作用,循环次数增加对渗透性起抑制作用。此外,归一化渗透系数随雷诺数变化规律与Zimmerman等提出的预测公式相吻合,且本研究数值模拟计算结果与其公式的拟合系数趋近1,公式中的Fochheimer系数β随剪切位移增大而减小,随循环次数增大而增大。

关键词：循环剪切剪切渗流雷诺数归一化渗透系数

卸载速率对卸载诱发页岩滑移行为影响的试验研究

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岩石力学与工程学报 2023年第8期42卷 1959-1972页

作者：季浩奇刘日成蔚立元李树忱王晓琳中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

为研究卸载速率对卸载诱发页岩滑移行为的影响,利用MTS815岩石力学试验系统对接近临界应力状态下的含节理页岩进行恒轴压分级卸围压的诱发滑移试验,卸载速率分别为0.01,0.1,1和10 MPa/min。试验结果表明:(1)锯切节理面在滑移试验后表面... 详细信息

为研究卸载速率对卸载诱发页岩滑移行为的影响,利用MTS815岩石力学试验系统对接近临界应力状态下的含节理页岩进行恒轴压分级卸围压的诱发滑移试验,卸载速率分别为0.01,0.1,1和10 MPa/min。试验结果表明:(1)锯切节理面在滑移试验后表面的微凸体平均高度出现降低且粗糙度变大。随着卸载速率的增加,试样的表面粗糙度系数(JRC)分别上升了22.68%,44.82%,38.49%和49.89%。(2)试样滑移速度随着围压卸载速率的增加而增加,且在相同卸载速率下试样的准静态滑移平均速度比蠕变滑移平均速度大2个数量级。蠕变滑移平均速度分别为4.87×10^(-6),2.52×10^(-5),3.99×10^(-4)和3.29×10^(-3)mm/s,相应的准静态滑移平均速度分别为7.39×10-4,5.98×10^(-3),2.8×10^(-2)和1.2×10^(-1)mm/s。(3)试样在0.1 MPa/min卸载速率下发生滑移时的围压卸载量最小且摩擦强化效果最弱。在0.01 MPa/min卸载速率下试样的摩擦强度在长期的蠕变滑移中得到强化,在动态滑移中表现出摩擦弱化特征。试样在1和10 MPa/min的卸载速率下在较短时间内发生滑移,且试样在动态滑移中表现出摩擦强化特征。(4)根据试验结果分析卸载速率在0.1~1 MPa/min之间存在临界值,当试样在临界卸载速率下发生滑移时,围压卸载量最小,使得节理面上积聚的应变能较小,能量在滑移释放时主要作用于微凸体以突破互锁效应,因此滑移释放的能量最小且产生最小的剪切位移,这对岩体工程的安全保障具有重要意义。

关键词：岩石力学卸载诱发滑移卸载速率节理粗糙度摩擦因数

高温–水冷却花岗岩动态压缩力学特性的应变率效应研究

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岩石力学与工程学报 2022年第S1期41卷 2615-2625页

作者：蔚立元武东阳张涛苏海健刘日成吴梁瑞中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

为探究高温–水冷却花岗岩的应变率效应,使用MXQ1700箱式气氛炉制备200℃,400℃,600℃,800℃和1000℃共5种高温花岗岩试样并用水冷却,随后利用分离式霍普金森压杆系统对常温试样和高温–水冷却花岗岩试样进行4种不同冲击速率的动态压缩... 详细信息

为探究高温–水冷却花岗岩的应变率效应,使用MXQ1700箱式气氛炉制备200℃,400℃,600℃,800℃和1000℃共5种高温花岗岩试样并用水冷却,随后利用分离式霍普金森压杆系统对常温试样和高温–水冷却花岗岩试样进行4种不同冲击速率的动态压缩试验(冲击气压分别为0.30,0.40,0.50和0.60MPa)。此外,还通过压汞和扫描电镜试验获得高温–水冷却花岗岩试样的孔径分布、孔隙率和微观形貌。微观结果表明:试样内部损伤以400℃为界可分为两个阶段,400℃之前,高温–水冷却花岗岩试样内部以微孔和小孔为主,孔隙率低于2.20%,损伤较小,当温度超过400℃后,内部中孔比例快速增加,孔隙率上升,损伤随温度升高而加剧。应变率效应方面:在相同温度条件下,高温–水冷却花岗岩试样的动态峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,而弹性模量的应变率效应不明显;花岗岩试样破碎程度随损伤的增加而加剧,且分形维数随着应变率的增大而增加;分析内部损伤和外界冲击速度对花岗岩试样应变率的影响,并获得应变率随内部损伤和冲击速度变化的拟合公式。

关键词：岩石力学高温–水冷却霍普金森压杆系统动态力学性能应变率效应