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微波加热煤岩裂隙变形的电-热-固耦合模型

中国矿业 2015年第7期24卷 133-136页

作者：管伟明张紫昭新疆大学地质与矿业工程学院新疆乌鲁木齐830000 煤炭资源与安全开采国家重点实验室(中国矿业大学) 江苏徐州221008

为研究不同加热方式下煤岩内部裂隙在热力耦合作用下的变形特征,建立了微波和常规加热两种数值模型,考查了不同温度场分布特征下裂隙周边应力应变场的变化过程。研究结果表明:微波加热,温度场分布具有内高外低的特征,此时裂隙周边分布... 详细信息

为研究不同加热方式下煤岩内部裂隙在热力耦合作用下的变形特征,建立了微波和常规加热两种数值模型,考查了不同温度场分布特征下裂隙周边应力应变场的变化过程。研究结果表明:微波加热,温度场分布具有内高外低的特征,此时裂隙周边分布的应力多为压应力,且数值较大,裂隙边界位移表现为向内收缩;常规加热,温度场分布具有外高内低的特性,此时裂隙周边分布应力多为拉应力,但量值较低,裂隙边界位移表现为向外扩张;热源越靠近裂隙压应力越明显,反之拉应力明显。

关键词：微波加热裂隙变形温度场电热固耦合煤岩

法向荷载作用下干燥与饱和岩石裂隙变形与声发射特性研究

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法向荷载作用下干燥与饱和岩石裂隙变形与声发射特性研究

作者：叶鹏进绍兴文理学院

学位级别：硕士

近几十年来全球变暖日益加剧,以可再生能源替代部分化石燃料的使用,减少温室气体排放,是缓减全球变暖的有效措施。地热能相较于其他可再生能源,具备连续性好、资源量巨大、零排放、地理分布广泛等优点,具有巨大的发展潜力。而地热储层... 详细信息

近几十年来全球变暖日益加剧,以可再生能源替代部分化石燃料的使用,减少温室气体排放,是缓减全球变暖的有效措施。地热能相较于其他可再生能源,具备连续性好、资源量巨大、零排放、地理分布广泛等优点,具有巨大的发展潜力。而地热储层中的岩体裂隙网络处于复杂的地质环境中,定量描述岩石裂隙在各种条件下的变形破坏行为是进行各类与岩石裂隙力学行为相关研究的基础,有助于解决在地热能开采中遇到的各类相关问题,同时对其他各种深部资源开发、水利水电和隧道等工程具有重要的理论意义。目前,对岩石裂隙受压变形已经开展了大量的研究,且已有较为丰硕的科研成果。但关于岩石裂隙受压变形破坏特征的研究缺乏宏观应力-位移关系与细观接触变形破坏相结合的深入探讨,同时较少考虑岩石干湿状态造成的影响,且少有研究应用弹塑性接触模型。本研究通过单轴压缩试验和弹塑性接触数值计算研究了两种不同岩性的岩石裂隙在干燥与饱和状态下的受压变形破坏行为,并对试验过程中的声发射信号进行了采集分析,综合分析数据得到的主要结论如下:（1）基于裂隙面接触的弹塑性数值计算与试验结果的法向应力-法向位移曲线有较高匹配度,法向位移与法向应力呈非线性增长关系。同时,试验测量得到的破坏区域位置、数值计算得到的破坏区域位置与声发射定位点三者之间基本一致,表明研究采用的计算和测量手段具有较高的精度。（2）塑性变形均值增量与应力呈负相关,且其减小的幅度随着应力的增大而变小,表明破坏主要发生在加载初期较尖锐的接触体上,随着接触面积的增大,应力从集中变得分散,破坏量逐步趋于稳定。通过拟合,建立了两者之间的公式,阐明了裂隙力学和几何特征对塑形破坏的控制作用。（3）在本研究涉及的应力范围内,纵波波速和法向应力呈近似线性增长关系。花岗岩纵波波速的离散性较红砂岩更小,岩样饱和后会进一步降低纵波波速的离散性。错位裂隙一定程度上降低了岩样的纵波波速及其提高量,削弱了含水率对纵波波速离散性的降低效果。（4）因岩石构造、孔隙率、矿物的组成及性质等因素的不同,花岗岩相较于红砂岩受水软化作用的影响更小。水的存在不但改变了岩石的各项力学性质,同时导致了声发射响应减弱。（5）干燥与饱和状态下各岩石的声发射特征虽存在差异,但整体规律基本一致。花岗岩的声发射振铃计数、累计计数、信号幅值均高于红砂岩,且振铃计数与数值计算得到的塑形变形量有较好的对应关系。红砂岩试样声发射振铃计数的峰值虽不如花岗岩明显,但变化趋势具有与花岗岩相同的规律。

关键词：岩石裂隙法向应力声发射裂隙变形弹塑性接触

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蒙华铁路高家山危岩特征成因及裂隙变形分析

铁道勘察 2021年第1期47卷 46-50页

作者：沈波中国铁路设计集团有限公司天津300251

为研究蒙华铁路高家山隧道洞口危岩的稳定性,利用不连续介质二维离散程序进行模拟分析,选取洞口典型危岩块体,对组成危岩体的泥岩、砂岩按照岩体质量分级进行物理力学参数赋值,得出在初始应力平衡条件下,边坡体仅出现少量裂隙,而在风化... 详细信息

为研究蒙华铁路高家山隧道洞口危岩的稳定性,利用不连续介质二维离散程序进行模拟分析,选取洞口典型危岩块体,对组成危岩体的泥岩、砂岩按照岩体质量分级进行物理力学参数赋值,得出在初始应力平衡条件下,边坡体仅出现少量裂隙,而在风化卸荷作用下,边坡体表层20 m范围内出现朝临空方向变形的应力张拉区,特别是在泥岩附近的陡崖与陡坡过渡带,出现数条位移显著的裂缝,发育深度为25~40 m,位移从4 mm增加到22 mm,变形方向从指向坡外向下为主转变为水平,最终表现为坡体岩块侧面崩塌坠落。研究表明,泥岩风化岩腔是形成裂隙直至最后导致危岩崩塌的主要原因,研究成果可为科学有效地治理该危岩提供依据。

关键词：铁路隧道危岩成因特征分析砂岩泥岩裂隙变形

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岩石裂隙压剪变形破坏与非线性渗流特性

工程科学与技术 2021年第6期53卷 103-112页

作者：李博汪佳飞刘日成伍法权绍兴文理学院土木工程学院浙江绍兴312000 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

探索岩体中流体的流动机理对解决隧道开挖和地下工程施工过程中的突涌水问题具有重要意义,定量描述岩石单裂隙受压剪共同作用下的渗流特性是理解裂隙渗流机理的基础,但已有研究尚未建立应力、位移、开度、惯性系数等关键控制参数之间的... 详细信息

探索岩体中流体的流动机理对解决隧道开挖和地下工程施工过程中的突涌水问题具有重要意义,定量描述岩石单裂隙受压剪共同作用下的渗流特性是理解裂隙渗流机理的基础,但已有研究尚未建立应力、位移、开度、惯性系数等关键控制参数之间的定量关系。本文制作了含单裂隙的花岗岩试样,采用固定剪切位移后逐渐增加法向应力的方式开展变水头渗流试验,得到裂隙渗透率的演化规律;通过高精度3维轮廓仪获取裂隙表面的形貌数据,在自主开发的基于接触力学变分原理框架的裂隙受压变形计算程序的基础上,表征不同剪切错位和不同应力条件下裂隙面的变形特性和内部空腔结构演化规律;提取裂隙开度分布数据,在COMSOL软件中求解Navier–Stocks方程,实施不同剪切位移和受压状态下的裂隙非线性渗流数值模拟;定量分析剪切位移、法向应力、空腔几何特征与非线性渗流控制参数之间的关系。结果表明:试验得到的裂隙表面破坏区域与数值模拟结果基本吻合,验证了裂隙变形计算程序的可靠性。法向应力、剪切位移分别与力学开度呈幂函数递减和指数函数递增的关系,且剪切位移的增加会导致裂隙内的接触面更集中。Forchheimer方程中的惯性系数B和临界水力梯度J_(c)可以定量刻画裂隙的非线性渗流特性,B和J_(c)与剪切位移之间呈幂函数递减关系,且随着剪切位移的增大,J_(c)和B的增加速率和波动范围逐渐降低:当剪切位移从2 mm增加到8 mm时,J_(c)的波动范围从6.10×10^(–3)减少到1.20×10^(–3),降低了80.32%;B的波动范围从2.97×10^(14) Pa·s^(2)·m^(–7)减少到2.43×10^(13) Pa·s^(2)·m^(–7),降低了91.28%。裂隙开度的相对标准偏差RSD与惯性系数B和临界水力梯度J_(c)之间均存在相似的幂函数关系,并据此建立了计算渗流从线性转换为非线性临界点的预测公式。

关键词：单裂隙法向应力剪切位移裂隙变形非线性渗流

基于浆-岩耦合效应的单裂隙注浆扩散规律研究

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能源技术与管理 2023年第3期48卷 39-41,50页

作者：王东亮晋能控股煤业集团浙能麻家梁煤业公司山西朔州036002

为研究幂律流体浆液在裂隙内的扩散规律,对岩体裂隙一些基本假设进行简化,建立水平单裂隙注浆理论模型;基于本构方程和运动方程,推导出幂律流体浆液扩散方程;运用数值模拟软件,基于“浆-岩耦合效应”建立水平单裂隙注浆模型;基于单一变... 详细信息

为研究幂律流体浆液在裂隙内的扩散规律,对岩体裂隙一些基本假设进行简化,建立水平单裂隙注浆理论模型;基于本构方程和运动方程,推导出幂律流体浆液扩散方程;运用数值模拟软件,基于“浆-岩耦合效应”建立水平单裂隙注浆模型;基于单一变量原则建立不同工况,研究了各注浆参数对浆液扩散和裂隙变形的影响,并将数值模拟结果与数学计算结果进行对比,两者浆液压力损失随扩散距离的变化趋势基本一致。研究表明:幂律流体浆液压力损失与流变系数和浆液流速成正比,与裂隙开度成反比;裂隙变形量与裂隙开度和浆液流速均成正比。

关键词：幂律流体裂隙注浆浆液压力裂隙变形

法向应力和水压力作用下岩石单裂隙水力耦合模型

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岩石力学与工程学报 2011年第S2期30卷 3796-3803页

作者：谢妮徐礼华邵建富冯夏庭武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 里尔科技大学里尔力学实验室法国里尔59650 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

为突出孔隙水压力对裂隙变形及其水力传导性能的影响,以经典的Biot孔隙弹性模型为基础,通过把裂隙视为一系列空隙的联合体,将广义的Biot有效应力系数扩展到岩石裂隙上。模型通过有效应力系数的引进,建立饱和裂隙在法向应力和孔隙水压力... 详细信息

为突出孔隙水压力对裂隙变形及其水力传导性能的影响,以经典的Biot孔隙弹性模型为基础,通过把裂隙视为一系列空隙的联合体,将广义的Biot有效应力系数扩展到岩石裂隙上。模型通过有效应力系数的引进,建立饱和裂隙在法向应力和孔隙水压力共同作用下的非线性本构方程,同时通过裂隙渗流的"立方定理"得到渗流流速与裂隙变形的关系以及裂隙法向应力作用下的水力耦合模型。模型中包含的4个参数均有其物理意义,并且可以通过裂隙力学压缩试验和渗流试验结果确定。与经典的太沙基有效应力原理不同,该模型中Biot有效应力系数是裂隙位移的函数,强调了不同位移状态下水压力作用效果的不同,突出了孔隙水压力与裂隙变形之间的相互影响。最后,针对不同孔隙水压力下裂隙渗流流速随法向应力变化的试验数据,用该模型对试验结果进行预测,初步证实该模型的准确性和适用性。

关键词：岩石力学水力耦合水压力广义Biot系数裂隙变形

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三向应力条件下煤体渗透率演化模型研究

煤炭学报 2018年第7期43卷 1930-1937页

作者：荣腾龙周宏伟王路军任伟光姬森浩中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083

为了掌握三向应力条件下煤体渗透率的变化规律,基于捆绑的火柴棍模型,采用弹性理论分析了煤体基质和裂隙变形对渗透率的影响,建立了两种三向应力条件下煤体渗透率的动态演化模型——指数型和立方型,两种模型均突破以往较多模型采用的单... 详细信息

为了掌握三向应力条件下煤体渗透率的变化规律,基于捆绑的火柴棍模型,采用弹性理论分析了煤体基质和裂隙变形对渗透率的影响,建立了两种三向应力条件下煤体渗透率的动态演化模型——指数型和立方型,两种模型均突破以往较多模型采用的单轴应变假设,考虑了三向受力条件下煤体的横向应变不为0以及轴向荷载增加的情况。在分别改变轴压围压组合值、气体压力条件下,将理论模型与室内试验结果进行对比分析,结果表明:煤体渗透率随着载荷水平的升高而减小、随着气体压力的升高而增大;两种条件下指数型渗透率模型对煤体渗透率演化过程的定量描述均优于立方型。

关键词：煤体渗透率模型三向应力裂隙变形指数型立方型

三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型研究

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岩石力学与工程学报 2021年第8期40卷 1536-1546页

作者：白鑫王登科田富超张东明李豪君任发科南华大学资源环境与安全工程学院湖南衡阳421001 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室辽宁沈阳113122 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 太原理工大学安全工程技术与装备研究院山西太原030024

为研究低渗煤岩在应力加卸载作用下损伤破坏过程渗透性变化规律,基于“立方体”结构模型,综合考虑三轴应力加卸载煤岩损伤、有效应力及吸附/解吸作用引起的煤岩割理与基质变形,建立三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型,并基于试验... 详细信息

为研究低渗煤岩在应力加卸载作用下损伤破坏过程渗透性变化规律,基于“立方体”结构模型,综合考虑三轴应力加卸载煤岩损伤、有效应力及吸附/解吸作用引起的煤岩割理与基质变形,建立三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型,并基于试验结果对渗透率模型进行验证。研究结果表明:(1)所构建的渗透率模型,不仅可以较好地反映三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率变化规律,而且也可以反映有效应力对损伤煤岩渗透率的影响远大于吸附解吸作用的规律。(2)当煤岩应力水平低于峰值强度时,在恒定围压、持续加轴压应力作用下煤体处于压缩状态,瓦斯渗透率降低;在卸围压、持续加轴压应力作用下,煤体内部开始产生损伤破坏,瓦斯渗透率缓慢上升;使得煤岩在加卸载失稳破坏前,瓦斯渗透率整体呈“V”字型发展趋势。(3)不同初始围压条件下,煤岩加卸载破坏失稳后渗透率增大程度随着初始围压的增大而增大;不同瓦斯压力条件下,煤岩的初始渗透率随着瓦斯压力的增大而增大。研究结果可以为我国采煤工作面瓦斯高效抽采提供理论支撑,具有指导性意义。

关键词：采矿工程煤岩体渗透率模型应力加卸载损伤破坏裂隙变形

花岗岩单裂隙与三维裂隙网络非线性渗流特性研究

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花岗岩单裂隙与三维裂隙网络非线性渗流特性研究

作者：汪佳飞绍兴文理学院

学位级别：硕士

定量描述岩石单裂隙的变形破坏行为和多裂隙岩体中的裂隙粗糙度、开度、数量等几何特征对渗流特性的影响是理解裂隙岩体水力耦合特性的基础。本文制作含单裂隙的花岗岩试样,在不同剪切错位条件下通过高精度水力耦合实验系统测试了不同... 详细信息

定量描述岩石单裂隙的变形破坏行为和多裂隙岩体中的裂隙粗糙度、开度、数量等几何特征对渗流特性的影响是理解裂隙岩体水力耦合特性的基础。本文制作含单裂隙的花岗岩试样,在不同剪切错位条件下通过高精度水力耦合实验系统测试了不同法向应力作用下裂隙的渗透率演化规律;通过高精度三维轮廓仪获取裂隙表面的形貌数据后,利用基于MATLAB自主开发的裂隙受压变形计算程序和COMSOL软件分别模拟花岗岩单裂隙变形行为和渗流过程,并分析了法向应力和剪切位移对这两个过程的影响。此外,还建立64个多裂隙数值模型,用COMSOL求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在三维多裂隙内的流动状态,研究了裂隙粗糙度、开度、数量等因素对Forchheimer方程中k、k系数、k-k关系方程中的系数α、β以及临界水力梯度J的影响。利用3D打印等现代化技术构建各种不同几何特征的多裂隙渗流实体模型进行高精度渗流测试试验,同时利用CT扫描逆向建模并进行数值模拟,消除打印误差,验证了流体流动数值模拟的有效性。单裂隙流固耦合研究中,试验得到的裂隙表面破坏区域与数值模拟结果基本吻合,验证了裂隙变形计算程序的可靠性。法向应力、剪切位移分别与力学开度呈幂函数递减和指数函数递增的关系,剪切位移的增加会导致裂隙内的接触面更集中,裂隙过流能力增大。Forchheimer方程中的惯性系数B和临界水力梯度Jc可以定量描述裂隙的非线性渗流特性,B和J与剪切位移之间呈幂函数递减关系,与法向应力则呈线性递增关系。对多裂隙的渗流特性研究可知,粗糙度、裂隙数等各项裂隙几何特征对临界水力梯度J以及Forchheimer方程中的粘滞项渗透率k、惯性项渗透率k都有显著的影响,而且它们之间的影响关系也可以用相应的函数关系表示。虽然已知k、k之间可以用幂函数k=β×k进行表达,但在不同的几何条件下,函数中的α、β的值都会发生改变,其中系数α与几何特征之间存在线性关系,系数β则与开度等几何特征之间存在幂函数或指数函数的非线性关系。这些结果表明,在已知裂隙几何特征的情况下,裂隙内的流体非线性渗流是可以进行预测的。

关键词：裂隙法向应力剪切位移几何特征裂隙变形非线性渗流