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充填双裂隙砂岩力学特性及裂隙演化规律研究

有色金属科学与工程 2024年第4期15卷 577-587,632页

作者：周春煦冯红春周文正江苏航运职业技术学院船舶与海洋工程系江苏南通226010 长江勘测规划设计研究有限责任公司武汉430010 东南大学土木工程学院南京210096

本文开展三轴压缩不同岩桥参数条件下充填双裂隙红砂岩力学实验,分析了不同岩桥长度、岩桥倾角及充填物类型对砂岩特征应力和裂隙扩展贯穿模式的影响规律,揭示了充填双裂隙砂岩试件破坏模式及内部裂隙发育差异性机理。研究表明:当岩桥... 详细信息

本文开展三轴压缩不同岩桥参数条件下充填双裂隙红砂岩力学实验,分析了不同岩桥长度、岩桥倾角及充填物类型对砂岩特征应力和裂隙扩展贯穿模式的影响规律,揭示了充填双裂隙砂岩试件破坏模式及内部裂隙发育差异性机理。研究表明:当岩桥长度减小,而岩桥倾角增大时,不同充填物类型条件下充填双裂隙试件特征应力均逐渐减弱。且不同岩桥参数条件下,未充填双裂隙试件弱化程度均大于泥充填双裂隙试件,更大于砂充填双裂隙试件。充填试件贯穿上下端部主裂隙少于未充填试件,但分支数量更多。外载荷会导致泥、砂充填物分层,其层间裂隙最大宽度为50μm。砂晶体颗粒是导致砂充填试件力学特性强于泥充填试件的主要原因。

关键词：充填裂隙岩桥参数特征应力破坏模式裂隙扩展

掘进应力路径下充填和非充填裂隙岩石的破裂特征研究

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Journal of Central South University 2023年第1期30卷 175-188页

作者：崔家庆冯国瑞李竹韩艳娜宋诚 College of Mining Engineering Taiyuan University of TechnologyTaiyuan 030024China Shanxi Province Research Centre of Green Mining Engineering Technology Taiyuan 030024China

充填裂隙岩体在超前注浆巷道开挖后起主要承载作用。本文通过对开挖过程的数值模拟获得掘进应力路径,分别在常规压缩及掘进应力路径下对含充填裂隙岩石进行加载;同时采用数字图像相关法及声发射设备对岩石破裂过程进行监测。结果表明掘... 详细信息

充填裂隙岩体在超前注浆巷道开挖后起主要承载作用。本文通过对开挖过程的数值模拟获得掘进应力路径,分别在常规压缩及掘进应力路径下对含充填裂隙岩石进行加载;同时采用数字图像相关法及声发射设备对岩石破裂过程进行监测。结果表明掘进应力路径对含充填裂隙岩石有三种影响:1)压密;2)裂隙附近的强度异化;3)裂隙尖端形成预裂。压密导致树脂充填试件起裂角减小。裂隙附近强度的异化导致在未充填试件裂隙靠近长边的区域拉伸和压缩变形交替出现,水泥充填试件由突然变形转为渐进变形,树脂充填试件则相反。预裂减弱了未充填试件的强度,改变了水泥充填试件剪切裂纹的传播方向。

关键词：掘进应力路径充填裂隙注浆裂隙发展

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膨胀性充填裂隙峰前本构关系实验研究

岩土力学 2011年第10期32卷 2998-3002页

作者：陈金刚徐平张李亚帮郑州大学工程力学系郑州450001 郑州大学水利与环境学院郑州450001 郑州大学土木工程学院郑州450001

以钠基膨润土为充填介质,水泥砂浆为裂隙壁制作充填裂隙,采用法向压缩、侧向约束的方式,对不同宽度和不同含水率条件下膨胀性充填裂隙的本构关系进行了探讨,获得了大量应力、应变实验数据。研究表明,膨胀性充填裂隙峰前本构关系可划分为... 详细信息

以钠基膨润土为充填介质,水泥砂浆为裂隙壁制作充填裂隙,采用法向压缩、侧向约束的方式,对不同宽度和不同含水率条件下膨胀性充填裂隙的本构关系进行了探讨,获得了大量应力、应变实验数据。研究表明,膨胀性充填裂隙峰前本构关系可划分为3个阶段:流变阶段、压密阶段和弹性阶段。实验开始时,充填裂隙即进入流变状态,也就是说应力基本保持不变,而应变持续增加,随着有限变形及法向应力的增加,充填裂隙整体强度增大,逐渐表现出弹性特征。根据实验数据和特征,提出倒圣维南体(inverted Saint-Venant body)力学模型,建立了膨胀性充填裂隙本构方程,并分析了其内在作用机制。

关键词：膨胀性介质充填裂隙本构关系单轴压缩倒圣维南体

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脆-塑性充填裂隙渗流应力特性

采矿与安全工程学报 2016年第6期33卷 1103-1109页

作者：陈金刚张泷樊军委郑州大学力学与工程科学学院河南郑州450001 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室河南焦作454003

采用花岗岩作为裂隙壁,脆-塑性材料(砂岩、不同配比水泥砂浆、橡皮和陶泥)为充填介质,利用自制渗流应力装置,在侧限约束条件下,开展了脆-塑性充填裂隙的渗流应力特性实验。研究结果表明,充填物脆-塑性的变化对裂隙渗流应力特性产生显著... 详细信息

采用花岗岩作为裂隙壁,脆-塑性材料(砂岩、不同配比水泥砂浆、橡皮和陶泥)为充填介质,利用自制渗流应力装置,在侧限约束条件下,开展了脆-塑性充填裂隙的渗流应力特性实验。研究结果表明,充填物脆-塑性的变化对裂隙渗流应力特性产生显著影响。对于脆性充填裂隙,加载初期,高流量较长时间保持稳定,当应力增大到充填介质的峰值应力后,渗流量呈现近直角突降,随着应力继续增大,流量缓慢下降并最终保持较低水平。随应力逐渐增大,弹塑性充填裂隙初始段高流量持续较短,随后迅速降低直至最低水平。塑性充填裂隙渗流量持续快速降低至较低水平,基本未见高流量持续现象。最后,根据脆-塑性充填裂隙渗流应力的典型特点,建立了脆-塑性充填裂隙渗流应力特性的数学模型和概化模型。

关键词：脆-塑性介质充填裂隙渗流应力数学模型概化模型

基于自然电位的充填裂隙溶质运移特征试验研究

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工程科学与技术 2020年第4期52卷 89-96页

作者：姜春露汪根强郑刘根徐康程桦安徽大学资源与环境工程学院安徽合肥230601 安徽省矿山生态修复工程实验室安徽合肥230601

为精细描述充填裂隙溶质运移过程及其特征,设计加工了充填裂隙溶质运移试验模型,开展了不同流速条件下溶质运移试验,研究了充填裂隙溶质运移特征,结合不同测点自然电位(SP)实时动态监测数据,研究充填裂隙内部溶质运移过程。结果表明:1)... 详细信息

为精细描述充填裂隙溶质运移过程及其特征,设计加工了充填裂隙溶质运移试验模型,开展了不同流速条件下溶质运移试验,研究了充填裂隙溶质运移特征,结合不同测点自然电位(SP)实时动态监测数据,研究充填裂隙内部溶质运移过程。结果表明:1)在试验流速0.0733~0.9630 mm/s范围内,充填裂隙渗透系数为1.85 mm/s,与充填多孔介质渗透系数1.79 mm/s较为接近,水流符合达西定律。2)试验过程中,水流实际平均流速为0.247、0.431、0.661 mm/s时,取样口处溶质峰值浓度分别为5.14、5.50、5.78 g/L,溶质初始到达和峰值到达时间均减少,其中初始到达时间分别为4640、2640、1560 s,峰值到达时间分别为5480、3360、2040 s。3)3种水流实际流速条件下,溶质运移过程中SP响应呈现出相似特征,沿水流方向从1^#到6^#测量电极处峰值SP绝对值逐渐减小,且峰值前SP响应曲线陡峭程度逐渐降低;此外,溶质弥散前锋与溶质弥散峰值浓度点随水流动均呈匀速运移状态,其中溶质弥散前锋相应的平均流速分别为0.214、0.396、0.685 mm/s,溶质弥散峰值相应的平均流速为0.189、0.347、0.571 mm/s。4)基于峰值SP计算的水流实际平均流速与采用溶质峰值浓度计算结果基本一致,但基于峰值SP计算结果更接近实际平均流速(流量计算结果),准确度提高1.5%;随着流速不断增加,采用峰值SP计算的宏观平均流速误差降低9.9%。5)试验发现,与峰值SP值相比,采用初始SP值计算的充填裂隙水流宏观平均流速更接近由流量数据计算的水流宏观平均流速。

关键词：充填裂隙溶质运移自然电位平均流速示踪试验

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充填裂隙水力特性研究述评

人民黄河 2011年第3期33卷 134-136页

作者：陈金刚张莉红张俊萌高峰郑州大学工程力学系河南郑州450001 郑州大学土木工程学院河南郑州450001

从理论研究、试验模拟和数值模拟3个方面总结和讨论了充填裂隙的水力特性。研究表明:充填裂隙水力特性与充填介质物理性质密切相关;变异性充填介质对裂隙水力特性的影响尚未引起足够的重视;可以采用数值模拟方法对充填裂隙水力特性开展... 详细信息

从理论研究、试验模拟和数值模拟3个方面总结和讨论了充填裂隙的水力特性。研究表明:充填裂隙水力特性与充填介质物理性质密切相关;变异性充填介质对裂隙水力特性的影响尚未引起足够的重视;可以采用数值模拟方法对充填裂隙水力特性开展进一步的研究和探讨。

关键词：充填裂隙水力特性数值模拟

充填裂隙结构特征对煤岩体内气体流动特性的影响

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充填裂隙结构特征对煤岩体内气体流动特性的影响

作者：任建业太原理工大学

学位级别：硕士

煤层气、页岩气、地热等重要的地下资源开采都依赖储层中高度发育的裂缝系统。在煤层气开采工业中,煤岩体中的裂缝系统是瓦斯运移的主要通道,其结构特征对瓦斯等气体的流动特性起主导作用,然而,瓦斯等气体在煤岩体中运移的过程属于“黑... 详细信息

煤层气、页岩气、地热等重要的地下资源开采都依赖储层中高度发育的裂缝系统。在煤层气开采工业中,煤岩体中的裂缝系统是瓦斯运移的主要通道,其结构特征对瓦斯等气体的流动特性起主导作用,然而,瓦斯等气体在煤岩体中运移的过程属于“黑箱问题”,以致煤层气开采过程中存在大量难以解释的可变性。因此,科学地认识充填裂隙结构特征与煤岩体内气体流动特性的联动关系对指导煤层气安全、高效开采以及工程建设的安全稳定性具有重要的意义。为了解裂隙结构特征对充填型裂隙煤岩体内气体流动特性的影响,本文采用室内试验和数值模拟相结合的方法开展研究。首先,依据W-M分形函数结合3D打印技术制作不同分形维数、开度的人工裂隙插片,利用浇筑和充填方法制作含不同分形维数、不同裂隙开度的充填型裂隙煤岩体试件,并通过HADP-ⅠⅠ型地层流固耦合体综合评价系统选用氮气进行室内渗流试验;其次,利用万能试验机劈裂煤岩体试件获取类天然破断裂隙,借助三维扫描仪和Rhino逆向建模软件实现对充填型破断煤岩体的三维重构,进行数值模拟和室内渗流试验,并对比分析恒定围压和渗透压下人工裂隙与类天然破断裂隙对充填型裂隙煤岩体内气体流动特性的影响;最后,利用浇筑和充填方法制作含不同倾角、连通性的充填型裂隙煤岩体试件,进行数值模拟和室内渗流试验。论文的主要研究成果如下:(1)通过开展不同围压、渗透压条件下含不同分形维数、裂隙开度的充填型裂隙煤岩体渗流试验,分析了围压和渗透压恒定条件下,分形维数、裂隙开度对充填型煤岩体渗透率、裂隙内气体非线性流动规律的影响;建立了可定量表征充填型裂隙煤岩体相对渗流能力的渗透率系数与裂隙分形维数、裂隙开度的经验关系式,并总结出各个因素对充填型裂隙煤岩体渗透率影响的主次关系。(2)利用充填型破断煤岩体三维重构的数字模型进行数值模拟,得到了各充填型破断煤岩体内气体流动规律;针对劈裂后的破断煤岩体进行充填并进行室内渗流试验,得到了各试件渗透率随围压及渗透压的变化规律,并进一步验证关于渗透率系数与分形维数、裂隙开度的双参数经验关系式。(3)通过渗透率测试试验分析围压加、卸载过程中含不同裂隙倾角、连通性的充填型裂隙煤岩体渗透率的变化规律;借助数值模拟分析了气体在含不同倾角、连通性的充填型裂隙煤岩体试件内的流动特性,并解释了裂隙倾角、裂隙连通性对充填型裂隙煤岩渗透性的影响规律。

关键词：充填裂隙几何特征分形维数渗透率流动特性煤岩体

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充填裂隙渗透破坏及自然电位响应试验研究

充填裂隙渗透破坏及自然电位响应试验研究

作者：徐康安徽大学

学位级别：硕士

充填裂隙渗透破坏是环境地质工程领域重要研究内容,可能导致地面塌陷、坝基失稳、边坡破坏、工程水害等严重的环境地质问题。本文利用自然电位(SP)在监测地下水流运移的技术优势,针对充填裂隙渗透破坏及信息识别问题,设计加工充填裂隙... 详细信息

充填裂隙渗透破坏是环境地质工程领域重要研究内容,可能导致地面塌陷、坝基失稳、边坡破坏、工程水害等严重的环境地质问题。本文利用自然电位(SP)在监测地下水流运移的技术优势,针对充填裂隙渗透破坏及信息识别问题,设计加工充填裂隙渗流模型,开展充填裂隙渗透破坏试验,研究不同充填介质颗粒组成、水流方向和裂隙宽度条件时充填裂隙渗透破坏特征;实时监测渗透破坏试验过程中SP变化数据,阐明自然电位响应特征,探讨充填裂隙渗透破坏过程中临界水力梯度、充填物不均匀系数与SP之间的关联关系。主要研究内容与成果如下:(1)充填裂隙宏观渗透破坏特征:(1)渗透破坏发生发展过程分为无显著渗透破坏现象、有显著渗透破坏现象、渗流通道的产生及向上游发生发展、填充物完全破坏四个阶段。(2)临界水力梯度J、颗粒流失总量、临界渗流量q与充填介质的不均匀系数Cu呈负线性相关关系。渗流角度θ由0°(水平)变为90°(垂直),颗粒流失总量、临界渗流量q与渗流角度θ呈负相关关系,临界水力梯度J与渗流角度θ呈正相关关系;充填裂隙隙宽越大,临界水力梯度J、颗粒流失总量、临界渗流量q越小。(2)充填裂隙渗透破坏SP响应特征:(1)接近临界渗透破坏时,距进水口越近,SP波动幅度越大;靠近进水端1#电极SP最早响应,2#-4#电极随后依次响应,各监测电极均发生相应最大幅度的波动,沿渗流方向自然电位差(ΔSP)依次降低。充填裂隙隙宽越大,临界ΔSP越小;渗流角度θ由0°(水平)变为90°(垂直),临界ΔSP减小。(2)发生临界渗透破坏时,监测电极最大ΔSP随充填物不均匀系数Cu呈指数函数降低;各监测点平均水力梯度J与临界ΔSP符合正线性函数关系;各监测点临界ΔSP与水流渗流方向直线距离L呈指数函数关系。(3)利用各监测点临界ΔSP与渗流直线距离L函数关系计算裂隙内部其它点处ΔSP,再通过该点的临界ΔSP计算充填裂隙内部所求点处临界平均水力梯度。由实际观测值与计算值比较可知,根据ΔSP计算裂隙内各点处平均水力梯度相对误差较小。

关键词：充填裂隙渗透破坏自然电位临界水力梯度

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脆-塑性充填裂隙差异的渗流应力模型

科学技术与工程 2019年第13期19卷 228-234页

作者：陈金刚郑战士张泷王佳琪郑州大学力学与工程科学学院郑州450001

为了研究不同属性介质(脆-塑性)非完全充填裂隙的渗流应力特性,采用花岗岩作为裂隙壁,利用自制渗流应力装置,通过轴向压缩、侧向约束的实验方式,进行了渗流应力实验,得出了相应的渗流应力曲线。结果表明:充填物的脆-塑性变化对裂隙渗流... 详细信息

为了研究不同属性介质(脆-塑性)非完全充填裂隙的渗流应力特性,采用花岗岩作为裂隙壁,利用自制渗流应力装置,通过轴向压缩、侧向约束的实验方式,进行了渗流应力实验,得出了相应的渗流应力曲线。结果表明:充填物的脆-塑性变化对裂隙渗流应力特性产生显著影响。脆性充填裂隙渗流应力曲线表现出平衡、失稳和稳定三个阶段;弹塑性充填裂隙表现为失稳和稳定两个阶段;塑性充填裂隙表现出急剧下降一个阶段。根据实验数据的整理与分析,得到差异充填(脆-塑性)裂隙的渗流规律;并建立了相应的数学模型。

关键词：脆-塑性充填裂隙渗流应力数学模型