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离散裂隙网络对岩石力学性质和声发射特性影响的颗粒流分析

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岩土力学 2022年第S1期43卷 542-552页

作者：胡训健卞康刘建谢正勇陈明李冰洋岑越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湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 湖北省路桥集团天夏建设有限公司湖北武汉430058

基于颗粒流软件平台,采用图像处理技术和Monte Carlo法,生成离散裂隙网络。结合等效晶质模型进行花岗岩细观结构的数值建模,从细观角度阐述了离散裂隙网络对岩石强度与变形性质、声发射特性的影响。主要结论如下:(1)裂隙平均长度和密度... 详细信息

基于颗粒流软件平台,采用图像处理技术和Monte Carlo法,生成离散裂隙网络。结合等效晶质模型进行花岗岩细观结构的数值建模,从细观角度阐述了离散裂隙网络对岩石强度与变形性质、声发射特性的影响。主要结论如下:(1)裂隙平均长度和密度影响着岩石的力学性质,岩石的单轴压缩强度、弹性模量随裂隙密度的增加而减小。(2)单轴压缩下岩石破坏时均是晶间-拉裂纹和晶内-拉裂纹为主。(3)离散裂隙网络与岩石的声发射事件密切相关。随着裂隙密度的增加,声发射b值和分形维数D值均呈下降趋势。当b值和D值急剧下降时,预示着岩石失稳破坏。(4)离散裂隙网络对声发射事件的破裂强度有一定的影响。在离散裂隙网络附近易产生破裂强度大的声发射事件。综上所述,基于离散裂隙网络和等效晶质模型联合建模获得的细观角度上岩石破裂机制和声发射现象等结论,可有效弥补现有室内试验中研究手段的不足,并对野外具有更为复杂的裂隙网络的岩体稳定性评价与工程施工提供有力支撑。

关键词：离散裂隙网络等效晶质模型声发射花岗岩颗粒流模拟

基于离散裂隙网络的岩体各向异性莫尔-库仑表征方法研究

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岩石力学与工程学报 2023年第S1期42卷 3266-3280页

作者：王培涛刘操马驰任奋华蔡美峰北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京100011 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

结构面的空间分布及几何粗糙度对岩体的各向异性力学特性影响显著,是影响工程稳定性的重要因素。通过建立粗糙裂隙网络数值模型,分别开展不同加载角度、不同双轴围压下的节理岩体数值试验研究,分析不同尺寸、几何类型条件下岩体的破坏... 详细信息

结构面的空间分布及几何粗糙度对岩体的各向异性力学特性影响显著,是影响工程稳定性的重要因素。通过建立粗糙裂隙网络数值模型,分别开展不同加载角度、不同双轴围压下的节理岩体数值试验研究,分析不同尺寸、几何类型条件下岩体的破坏模式和声发射特性;基于最小二乘原理分析各向异性莫尔圆分布特征。结果表明:粗糙节理网络模型与直线型节理网络模型在破坏模式、声发射模拟、尺寸效应方面均表现出显著的差异性,节理岩体抗压强度、抗剪强度参数呈现出的一定的各向异性,不同加载方向条件下,节理岩体的峰值强度、莫尔圆形态与抗剪指标均呈现显著变化,节理几何形态对岩体的强度和破坏模式影响显著。研究结果对岩体的各向异性抗剪力学特性的分析具有重要参考价值。

关键词：岩石力学离散裂隙网络分形莫尔-库仑准则各向异性抗剪强度

离散裂隙网络模拟在地下硐室稳定性中的应用——以甘肃北山地下实验室为例

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科学技术与工程 2022年第21期22卷 9281-9287页

作者：纪景仁王驹唐振平李亚伟凌辉南华大学资源环境与安全工程学院衡阳421001 南华大学稀有金属矿产开发与废物地质处置技术湖南省重点实验室衡阳421001 核工业北京地质研究院中核高放废物地质处置评价技术重点实验室北京100029 国家原子能机构高放废物地质处置创新中心北京100029

以甘肃北山地下实验室为研究对象,开展了离散裂隙网络-离散元(discrete fracture network-discrete element method, DFN-DEM)耦合方法在花岗岩地下硐室围岩稳定性分析方面的探索研究。选取地下实验室工程勘察范围内代表性勘察钻孔和地... 详细信息

以甘肃北山地下实验室为研究对象,开展了离散裂隙网络-离散元(discrete fracture network-discrete element method, DFN-DEM)耦合方法在花岗岩地下硐室围岩稳定性分析方面的探索研究。选取地下实验室工程勘察范围内代表性勘察钻孔和地表露头裂隙数据进行统计分析,利用三维离散单元软件3DEC构建离散裂隙网络(discrete fracture network, DFN)和等效岩体模型,模拟分析了地下实验室-560 m水平试验巷道的硐室的稳定性。结果表明:硐室开挖引起硐室围岩应力重分布,裂隙与硐室开挖面相交部位发生应力集中现象,硐室围岩出现位移变形;在现有条件下,硐室围岩变形量较小,应力集中程度不高,地下硐室稳定性较好。

关键词：高放废物地质处置地下实验室离散裂隙网络等效岩体稳定性

基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法

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地质科技通报 2023年第4期42卷 55-64页

作者：赵敬波刘健周志超季瑞利张明付馨雨核工业北京地质研究院国家原子能机构高放废物地质处置创新中心北京100029

裂隙水表现为强烈的非均匀性和各向异性,而离散裂隙网络模拟方法是目前国际上公认描述裂隙水流动规律最为合理、有效的方法之一。以我国高放废物地质处置地下实验室花岗岩场址为研究对象,借助高性能数值计算服务器集群及并行程序,提出... 详细信息

裂隙水表现为强烈的非均匀性和各向异性,而离散裂隙网络模拟方法是目前国际上公认描述裂隙水流动规律最为合理、有效的方法之一。以我国高放废物地质处置地下实验室花岗岩场址为研究对象,借助高性能数值计算服务器集群及并行程序,提出了场址岩体离散裂隙网络渗流并行模拟方法。结果表明,该方法可实现千万级别模型网络单元离散裂隙网络渗流精细化模拟,提升了程序处理复杂问题的计算效率及能力;建立了离散裂隙网络模型结构优化与实际情景条件下边界参数赋值方法,保障了场址水文地质评价过程中不同尺度模型水位信息的有效传递;模拟区域地下水位沿着裂隙呈网状结构分布,呈现从南向北流动的趋势,连通裂隙间的水位呈现从高到低的连续变化,非连通裂隙的水位是非连续的;地下水是沿着导水裂隙流动,裂隙网络的连通性及渗透性对地下水流动特性影响明显。离散裂隙网络渗流并行数值模拟可以更为精细反映裂隙地下水动力场特征,进一步提升裂隙介质渗流模拟预测能力,这对深化裂隙水流动规律的认识具有重要意义。

关键词：裂隙岩体离散裂隙网络并行模拟高放废物地质处置

离散裂隙网络模拟在北山地下实验室深部硐室稳定性评价的应用研究

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离散裂隙网络模拟在北山地下实验室深部硐室稳定性评价的应用研究

作者：纪景仁南华大学

学位级别：硕士

2021年6月,我国首座高放废物地质处置地下实验室——北山地下实验室开工建设,标志着我国高放废物处置正式迈入了地下实验室研发阶段。北山地下实验室场址围岩以花岗岩为主,岩体中的节理裂隙作为岩体力学性质的薄弱面,其几何形态和组合... 详细信息

2021年6月,我国首座高放废物地质处置地下实验室——北山地下实验室开工建设,标志着我国高放废物处置正式迈入了地下实验室研发阶段。北山地下实验室场址围岩以花岗岩为主,岩体中的节理裂隙作为岩体力学性质的薄弱面,其几何形态和组合特征对地下硐室围岩的稳定性具有重要的影响。本文以北山地下实验室花岗岩围岩为研究对象,分析岩体裂隙产状、迹长、密度等参数的分布规律,得到的岩体裂隙各参数数据;利用离散裂隙网络-离散元(discrete fracture network-discrete element method,DFN-DEM)耦合方法,构建体现北山真实岩体裂隙分布状态的等效岩体,并依据北山地下实验室场址地区岩体及岩体裂隙的物理力学参数对该等效岩体进行赋值,进行迭代模拟运算,对拟建于地下560 m深度的硐室稳定性开展模拟研究。主要结论如下:(1)利用离散裂隙网络-离散元(DFN-DEM)耦合对裂隙围岩进行数值模拟的方法,为北山地下实验室地下硐室稳定性的预测分析提供了一种简单快速有效的手段,其可为今后高放废物地质处置地下实验室的建设和运行安全提供参考和依据。(2)场址地区地表裂隙可分为4个岩体裂隙优势组,各优势组倾向、倾角均符合正态分布函数规律;裂隙大小,即裂隙圆盘直径,分布规律符合对数正态分布函数特征;岩体裂隙线密度,即裂隙间距,符合负指数分布规律,并依据数理统计与空间几何手段,计算得出岩体裂隙面密度与体密度。(3)在现有条件下,采用离散裂隙网络-离散元(DFN-DEM)耦合方法对地下实验室深部硐室稳定性的模拟分析,反映出拟建于地下实验室560 m深度的硐室围岩出现位移变形,但变形量较小;硐室开挖引起硐室围岩应力重分布,裂隙与硐室开挖面相交部位发生应力集中现象;硐室与硐室交错处,可能会形成不稳定块体,在实际工程建设中需重点防护。

关键词：高放废物地质处置北山地下实验室离散裂隙网络等效岩体稳定性分析

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含离散裂隙网络的页岩储层水力裂缝扩展研究

含离散裂隙网络的页岩储层水力裂缝扩展研究

作者：张洁中南大学

学位级别：硕士

页岩气作为一种非常规的天然气能源在我国储量巨大,具有较大的开采潜力,但页岩储层低渗透性、低孔隙度的特点使得水力压裂改造成为必要的增产措施,离散裂隙网络对水力压裂效果的影响不可忽视。本文基于颗粒流离散元,以湖南省常德地区的... 详细信息

页岩气作为一种非常规的天然气能源在我国储量巨大,具有较大的开采潜力,但页岩储层低渗透性、低孔隙度的特点使得水力压裂改造成为必要的增产措施,离散裂隙网络对水力压裂效果的影响不可忽视。本文基于颗粒流离散元,以湖南省常德地区的下寒武纪牛蹄塘组页岩为研究对象,基于页岩样品的宏观力学参数,探究了颗粒流离散元中宏细观参数之间的关联,建立了相应的定量关系式。在此基础上研究了离散裂隙网络中天然裂缝数量、倾角对页岩的力学性质及破坏形态的影响,开展了地应力及天然裂缝性质共同影响下水力裂缝与天然裂缝交互形式的研究,探究了不同地应力状态、离散裂隙网络密度及注液速率下水力裂缝扩展情况。本文主要研究结果表明:(1)在平直节理模型中,单轴抗压强度主要受平直节理抗拉强度和粘聚力/抗拉强度影响,弹性模量主要受平直节理模量及刚度比影响,泊松比的主要影响因素是平直节理刚度比,抗拉强度则主要受平直节理抗拉强度影响。根据所得的拟合公式及室内试验结果,能快速计算出平直节理模型的细观参数,且与室内试验结果吻合度高,参数标定的效率大大地得到了提高。(2)随着天然裂缝倾角的增大,抗压强度先减小后增大,弹性模量和抗拉强度呈“指数”形式增大;随着天然裂缝数量的增加,弹性模量呈线性下降,抗压强度和抗拉强度则表现为“缓下降”的下降趋势;弹性模量受离散裂隙网络影响较小;平直裂缝对抗拉强度的影响最大,抗压强度次之;斜裂缝对抗拉强度及抗拉强度的影响大致相同,天然裂缝数量较少时对抗压强度影响较大,随着数量的增加,对抗压强度和抗拉强度的影响趋于一致;离散裂隙网络对破坏形态的影响主要取决于倾角,随着倾角的增大,破坏形态依次为劈裂状—碎块状—劈裂/碎块状—劈裂状。(3)在地应力差及天然裂缝偏转角较低时,水力裂缝无法穿过或只能交叉穿过天然裂缝,但随着地应力差及天然裂缝偏转角的增大,水力裂缝更容易直接穿过天然裂缝。在相同的条件下,水力裂缝更容易直接穿过胶结强度较高的天然裂缝。(4)离散裂隙网络主要影响储层内部的地应力分布,从而对水力裂缝扩展造成影响,离散裂隙网络密度越大,水力裂缝扩展的路径更加复杂。在天然裂缝密集区域,较大的注液速率有助于更大体积水力裂缝网络的形成,远场微裂纹的增加也增加了潜在水力裂缝网络形成的可能性。图42幅,表13个,参考文献111篇

关键词：颗粒流离散元离散裂隙网络力学特性水力压裂水力裂缝扩展

裂隙介质氡大尺度迁移的分形离散裂隙网络模型及应用研究

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裂隙介质氡大尺度迁移的分形离散裂隙网络模型及应用研究

作者：李策南华大学

学位级别：硕士

地下岩体介质内部存在大量空间结构复杂且不均匀的裂隙,裂隙之间相互连通构成裂隙网络。大量源自地表深处的氡通过裂隙网络长距离迁移到达地表,成为地下工程及资源开采等行业工作环境氡浓度异常的主要原因,使这些领域的氡防护工作面临... 详细信息

地下岩体介质内部存在大量空间结构复杂且不均匀的裂隙,裂隙之间相互连通构成裂隙网络。大量源自地表深处的氡通过裂隙网络长距离迁移到达地表,成为地下工程及资源开采等行业工作环境氡浓度异常的主要原因,使这些领域的氡防护工作面临重大挑战。因此,开展岩体介质氡大尺度迁移研究,对相关领域氡污染及防护工作具有重要的理论和现实意义。但由于氡的半衰期只有3.8天,根据传统均匀介质氡迁移理论,岩体中氡的迁移距离不超过10m。因此,非常有必要建立反映岩体介质非均匀性、各项异性的氡大尺度迁移的理论模型。本研究通过理论分析、数学建模及试验验证等研究方法,建立了裂隙介质氡大尺度迁移的理论体系,并对影响流体流动的裂隙粗糙特性进行分析,取得的主要结论和成果如下:(1)结合分形理论和离散裂隙网络(DFN)模型,建立了能够反映天然裂隙不均匀性与各向异性特征的裂隙介质模型,其中裂隙位置与裂隙长度根据双幂律一阶模型确定,使用多级联乘方法获得裂隙中心位置,von Mises-Fisher分布函数确定裂隙方向,裂隙开度由对数正态分布方法获得,利用椭圆模型表示裂隙的空间几何形状。(2)建立了裂隙介质氡大尺度迁移的平衡方程,并利用有限元(FEM)方法进行数值求解。利用天然岩体裂隙参数建立了三维分形DFN模型,详细介绍了生成模型的参数拟合方法。对模型氡析出率进行求解,同时研究了模型的裂隙强度和尺度效应。拟合得到不同分形维数模型的表征单元体(REV)。(3)为研究裂隙微观几何形貌,引入了裂隙粗糙度及其特征参数裂隙粗糙度系数的概念。利用光学三维扫描系统提取了裂隙试样表面形貌与几何特征参数,通过(5表征法和点对关联函数方法分别计算了试样的和分形维数),并对其相关关系进行研究。通过拟合得到,)可以作为的预测参数。对不同采样间距下的计算结果分析表明,不同采样间距可以获得不同的裂隙几何特征,当利用某一采样间距获得的结果与裂隙面整体几何特征一致时,即可得到最佳采样间距。(4)利用天然露头的分形DFN模型研究了对氡大尺度迁移的影响。模拟结果表明裂隙介质氡析出率与呈负相关关系,对以水为介质的氡大尺度迁移有较大影响,模型及裂隙尺寸越大,对氡迁移的影响就越高。

关键词：裂隙介质氡迁移分形理论离散裂隙网络裂隙粗糙度系数

基于离散裂隙网络模型的节理岩体渗透张量及特性分析

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岩土力学 2013年第S2期34卷 448-455页

作者：王培涛杨天鸿于庆磊刘洪磊夏冬张鹏海东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室沈阳110819 东北大学资源与土木工程学院沈阳110819

节理岩体几何结构非常复杂,研究其渗流特性对于指导含水岩层稳定性分析具有重要价值。应用离散裂隙网络模型DFN方法,基于VC++6.0软件平台,建立了平面渗流分析方法,分析了节理岩体不同几何分布情况下的渗透率张量特征,通过定义渗流定向... 详细信息

节理岩体几何结构非常复杂,研究其渗流特性对于指导含水岩层稳定性分析具有重要价值。应用离散裂隙网络模型DFN方法,基于VC++6.0软件平台,建立了平面渗流分析方法,分析了节理岩体不同几何分布情况下的渗透率张量特征,通过定义渗流定向性系数对岩体渗流的定向性特征进行了定量分析。结果表明:单组节理岩体渗流具有明显的各向异性特征,渗流定向性随着节理角度变化显著;节理随着节理贯通性增加,节理渗透率呈现对数增加趋势;两组节理情况下,各向异性特征随着节理组间夹角变化;两组节理岩体渗流特征研究中,正交分布下,岩体仍存在各向异性,但渗流定向性系数较低;当节理倾角服从正态分布时,随着节理倾角标准差增大,渗透率增加;两组节理夹角不同时,节理渗透主方向倾角随着夹角增大而相应增大,基本沿两组节理夹角方向的角平分线方向。

关键词：节理岩体渗透张量离散裂隙网络定向性系数各向异性

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离散裂隙网络对页岩气井产能影响的数值模拟

煤田地质与勘探 2017年第6期45卷 66-71页

作者：刘嘉陈俊芮福鑫宁雪王建国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 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

页岩作为典型的非常规储层,基质孔隙小,渗透率极低,水平井多级水力压裂为其商业开发的主要手段。准确模拟页岩气产能,应同时考虑水力裂隙和天然裂隙的渗流。基于离散裂隙模型和等效连续模型建立页岩气渗流数学模型,利用有限元分析方法... 详细信息

页岩作为典型的非常规储层,基质孔隙小,渗透率极低,水平井多级水力压裂为其商业开发的主要手段。准确模拟页岩气产能,应同时考虑水力裂隙和天然裂隙的渗流。基于离散裂隙模型和等效连续模型建立页岩气渗流数学模型,利用有限元分析方法进行数值求解,研究不同走向裂隙组对页岩气井产能的影响。研究认为,页岩基质为气体的生产提供了主要气源,天然裂隙作为渗流的主要通道,将气体输送到水力裂缝,进而到达井筒。模拟结果表征,离散裂隙的渗流特征对于页岩气井的产能有重要影响。根据页岩储层的天然裂隙走向,可以优化相应的水平井方位。对于二维离散裂隙网络模型,水平井沿着2个裂隙组夹角的平分线更有利于生产。

关键词：页岩气离散裂隙网络等效连续模型裂隙走向