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水泥-纤维固化风积砂劈裂特性跨尺度研究

沈阳建筑大学学报：自然科学版 2023年第1期39卷 88-96页

作者：张向东庞帅李文亮李军梁立东辽宁工程技术大学土木工程学院辽宁阜新123000

目的研究水泥掺量、纤维掺量和纤维长度对固化风积砂劈裂强度的影响规律,揭示添加剂掺量,纤维赋存形态及长度对水泥-纤维固化风积砂劈裂强度的影响机理。方法将水泥、玻璃纤维作为添加剂掺入风积砂中,采用劈裂试验测定试样的劈裂强度... 详细信息

目的研究水泥掺量、纤维掺量和纤维长度对固化风积砂劈裂强度的影响规律,揭示添加剂掺量,纤维赋存形态及长度对水泥-纤维固化风积砂劈裂强度的影响机理。方法将水泥、玻璃纤维作为添加剂掺入风积砂中,采用劈裂试验测定试样的劈裂强度,采用ct断层扫描技术,获取水泥-纤维固化风积砂不同层位平扫切片,并借助Avizo图像处理软件对ct平扫切片进行内部形态三维重构。结果在掺量为0.3%的6 mm纤维及水泥掺量10%的组合条件下,试样劈裂强度达到最大值;当纤维掺量控制在0.3%时,纤维可均匀地赋存在试件内部,形成交错网状的三维结构;采用CT三维重构方法从细观证实了当纤维在试样内部达到理想赋存形态时,纤维对水泥-纤维固化风积砂的劈裂强度起到增益效果。结论掺入适量的水泥和纤维可改善风积砂的工程力学特性,研究成果可为水泥-纤维固化风积砂路基病害防治提供科学依据。

关键词：固化风积砂玻璃纤维劈裂强度抗拉性能 CT三维重构

高介电水溶性固态吸波剂强化微波破煤增透试验研究

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高介电水溶性固态吸波剂强化微波破煤增透试验研究

作者：吴旭飞中国矿业大学

学位级别：硕士

微波破煤技术是一种极具发展潜力的煤层增透新方法。在微波辐射作用下,煤体中极性矿物吸收微波而产生急速热效应,使煤体局部形成温差,产生热应力,导致煤体微结构破坏、裂隙扩展,从而增大煤体渗透性。由此可见,煤体的吸波能力大小,将会... 详细信息

微波破煤技术是一种极具发展潜力的煤层增透新方法。在微波辐射作用下,煤体中极性矿物吸收微波而产生急速热效应,使煤体局部形成温差,产生热应力,导致煤体微结构破坏、裂隙扩展,从而增大煤体渗透性。由此可见,煤体的吸波能力大小,将会直接影响微波破煤增透效果,而原煤吸波能力有限,需增加其极性矿物的含量,从而提升微波破煤效果。为此,本文提出“通过向煤体注入含高介电水溶性固态吸波剂的溶液,来提高煤体吸波能力,从而强化微波破煤增透效果”的新思路,利用自主研发的微波破煤实验装置,探索了乙酰胺、高铁酸钾、溴化钠等高介电水溶性固态吸波剂强化微波破煤增透的可行性与实施效果,取得了如下研究成果:(1)对比分析了原煤、吸波剂溶浸煤体、吸波剂溶浸-微波辐射协同处理后煤体的官能团含量演化规律,揭示了微波辐射下含吸波剂煤体的分子结构演化规律。结果表明,在微波辐射下,吸波剂能使煤体中的羟基、脂肪烃、含氧官能团等官能团含量大幅减少,芳香烃数量显著增加,两者的降幅或增幅均超过35%,其中吸波剂溶浸作用引起的官能团含量变化仅为4%左右。上述煤体中的芳香烃数量增加与水分脱除加快,将使得微孔受压崩塌而减少,降低了煤体的吸附面积。同时,煤体中的羟基、脂肪烃、含氧官能团的含量减少,不仅能导致煤孔隙表面亲水位和吸附位减少,降低煤对瓦斯的吸附能力,同时会引起脂肪小分子气体在煤体内不断生成,进而突破闭合孔,促使煤体孔隙连通。(2)分析了微波辐射后煤体、吸波剂溶浸-微波辐射协同处理后煤体的裂隙结构差异,揭示了微波辐射下含吸波剂煤体的孔裂隙结构演化规律。结果表明,在微波辐射下,吸波剂能够显著提高煤体的小孔、中大孔数量以及煤体分形维数、孔喉数量、孔喉长度、裂隙数量、裂隙最大宽度的增幅;吸波剂溶浸-微波辐射协同处理后煤体的孔裂隙体积增长率介于140%～325%、ct渗透率介于5.19e～5.30e,而微波辐射后煤体的孔裂隙体积增长率仅为85%,表明微波辐射下吸波剂能够强化促进煤中孤立孔向连通孔发育,提升孔隙连通性。(3)定量分析了微波辐射下含吸波剂煤体的表面温度分布以及结构损伤情况。结果表明,吸波剂溶浸作用本身会使煤体结构产生损伤,但其损伤程度较弱;在微波辐射下,吸波剂能够使煤体的表面最大温度显著增大且局部温差更大、高温区域的面积及数量大幅增加,造成煤体表面裂隙数量与宽度显著增大,从而增强微波破煤效果,其中60g/L的乙酰胺对微波破煤效果的强化能力最强。(4)高介电水溶性吸波剂强化微波破煤增透机理在于,一方面由于溶浸作用,吸波剂向煤体内部渗透,溶解煤体内可溶性分子,促使煤体孔隙新生与扩展,形成局部结构薄弱区,形成吸波剂溶浸对煤体微结构的“一次损伤”;另一方面,由于吸波剂增加了煤体中强吸波物质的含量,使煤体吸波能力增强,提高了微波加热效率,表现为煤体表面温度普遍增大、高温区域面积大幅增加,从而产生更高的热应力,加剧煤体的破坏,造成煤体孔裂隙的急剧扩展与连通,提高煤体渗透率增幅,形成对煤体微结构的“二次损伤”,其中“二次损伤”对吸波剂强化微波破煤增透的贡献占主要。该论文有图71幅,表14个,参考文献134篇,发表文章2篇

关键词：微波增透强化破煤吸波剂煤体分子结构 CT三维重构

三维非贯通（充填）节理岩体的力学特性和破坏模式研究

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三维非贯通（充填）节理岩体的力学特性和破坏模式研究

作者：王琛山东大学

学位级别：硕士

工程实践表明,岩体工程施工后,围岩内部微裂纹及节理等初始损伤在开挖引起的应力重分布及外部因素等的共同作用下扩展、贯通,并最终诱发岩体损伤累积和宏观破坏,其是引发岩体工程安全及稳定性问题的重要因素。因此,开展节理岩体力学性... 详细信息

工程实践表明,岩体工程施工后,围岩内部微裂纹及节理等初始损伤在开挖引起的应力重分布及外部因素等的共同作用下扩展、贯通,并最终诱发岩体损伤累积和宏观破坏,其是引发岩体工程安全及稳定性问题的重要因素。因此,开展节理岩体力学性质及破坏模式等的探究对进一步认识岩体性质、保证岩体工程施工和运营期的安全和稳定具有重要意义。目前对节理岩体的研究主要集中在二维、三维表面和内置节理岩体上,缺乏对以三维非贯通(充填)节理形式广泛存在于实际工程中的节理岩体的研究。因此,针对三维非贯通(充填)节理岩体力学性质和稳定性这一关键科学问题,依托国家自然科学基金(51879149)和国家重点研发计划课题(2021YFC2902103),本文采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,通过单轴压缩和ct扫描试验并结合三维重构技术和数值分析程序,对单轴压缩条件下三维非贯通(充填)节理岩体的力学特性和破坏模式开展了广泛和深入的研究。本文主要研究内容、开展的工作及相关成果如下:(1)采用类岩石材料在实验室条件下制备了三维非贯通(充填)节理类岩石试件,通过室内试验确定了完整类岩石试件的力学性质,并利用ct扫描试验和三维重构技术分析了完整类岩石试件的孔隙特征。结果表明,实验室条件下制备的类岩石试件具有与砂岩相似的宏观力学参数,同时在孔隙分布上表现出与致密砂岩相近的分布特征。(2)开展了三维非贯通(充填)节理岩体的单轴压缩试验,研究了三维非贯通节理几何参数(包括节理倾角、节理贯通度和节理宽度等)和节理充填物(包括充填物存在与否及其性质)对类岩石试件力学特性(包括试件的峰值应力和弹性模量及其峰后特性等)的影响。基于单轴压缩试验获取的类岩石试件表面裂纹及破坏特征,分析了节理几何参数(包括节理倾角和贯通度)对试件破坏模式的影响,总结出节理倾角影响下节理试件的五种破坏模式。(3)以含闭合节理的岩体单元为基础,引入Jennings准则和节理岩体的实际条件,推导并建立了轴向压缩荷载作用下三维张开型非贯通节理岩体的强度公式。通过与类岩石试件单轴抗压强度试验值的对比,验证了三维张开型非贯通节理岩体强度公式的准确性,同时发现强度公式的准确性随节理宽度的增加而降低,这与岩体初始损伤的增加和岩桥的弱化作用相关。(4)对三维非贯通(充填)节理类岩石试件进行了 ct扫描试验以获取ct切片,基于切片并结合Avizo对试件进行三维重构,得到了类岩石试件内部裂纹及破坏面的三维形态;利用三维分形维数和裂纹体积及表面积等裂纹结构参数对节理试件内部裂纹进行了定量表征并结合试件内部裂纹及破坏面的三维形态对其进行了定性分析,得出节理倾角的增加会导致三维裂纹形态由竖向“井筒”型劈裂转变为沿节理面的滑移破坏和节理贯通度的增加会致使三维裂纹形态由“褶皱”型转变为“平滑舒展”型的初步结论,进而从三维空间的角度探究了节理倾角及贯通度对试件破坏模式的影响。(5)利用基于离散元法的三维颗粒流程序(PFC3D)建立了与实际试件具有相似宏观力学参数和破坏特征的数值模型,研究了节理几何参数对试件起裂应力系数和三维非贯通节理面破坏过程的影响,并从颗粒位移的角度对充填物影响试件破坏模式的细观机理进行了探究,结果表明,类岩石试件的起裂应力系数随节理倾角和贯通度的增加均呈现减小的趋势,同时节理充填物通过限制类岩石试件颗粒的运动进而影响充填节理试件的破坏模式。

关键词：三维非贯通节理单轴压缩力学特性破坏模式 CT三维重构 PFC3D

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田螺山遗址灵芝遗存的三维重构及鉴定

文物保护与考古科学 2019年第2期31卷 46-52页

作者：訾威方晓阳苏润青朱建平孙国平中国科学院大学北京100049 中国中医科学院中国医史文献研究所北京100700 浙江省文物考古研究所浙江杭州310014

灵芝在中国古代被誉为仙药,是当代中医药考古研究的重要线索。随着考古遗址陆续发现疑似灵芝遗存,其鉴定工作也成为当前的研究热点。传统灵芝的鉴定依靠子实体外观鉴别和孢子观察,但古代灵芝遗存很难完整保存下来,孢子观察方法需要大量... 详细信息

灵芝在中国古代被誉为仙药,是当代中医药考古研究的重要线索。随着考古遗址陆续发现疑似灵芝遗存,其鉴定工作也成为当前的研究热点。传统灵芝的鉴定依靠子实体外观鉴别和孢子观察,但古代灵芝遗存很难完整保存下来,孢子观察方法需要大量标准样品对比,工作量非常大。为了更加高效地鉴别出灵芝遗存,在前人研究基础上,本研究利用显微ct成像,以田螺山遗址出土的疑似灵芝为例,对残留遗存进行了三维重构,并与当代标样进行了对比。结果表明该方法可以有效鉴别出灵芝子实体,为古代灵芝遗存的鉴别提供了新方法。与传统形貌对比方法不同,三维重构的方法不仅快捷、方便,且不受遗存外观的影响。该方法也可为其他具有特征性结构的古代植株的鉴别提供借鉴。

关键词：中医药起源田螺山遗址灵芝 CT三维重构

基于ct扫描的不同饱和度砂岩冻融损伤机理试验研究

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基于CT扫描的不同饱和度砂岩冻融损伤机理试验研究

作者：杨慧敏西安科技大学

学位级别：硕士

为探究寒区不同含水状态下的岩土工程在冻融与荷载作用下的变形稳定问题,取陕西某地的红、白砂岩作为研究对象,开展了研究工作,旨在为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。对自然含水（20%）、不完全饱水（70%）... 详细信息

为探究寒区不同含水状态下的岩土工程在冻融与荷载作用下的变形稳定问题,取陕西某地的红、白砂岩作为研究对象,开展了研究工作,旨在为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。对自然含水（20%）、不完全饱水（70%）和完全饱水（100%）的两种砂岩进行冻融循环试验、电镜扫描试验、冻融过程中的ct扫描试验、冻融后的单轴压缩试验。探究冻融环境对两种砂岩的细观结构、宏观物理特征和宏观力学指标的作用,定义冻融损伤变量并建立损伤演化曲线,建立宏观力学强度与细观结构参数的联系,对比分析冻融次数、饱和度对两种砂岩冻融损伤劣化机制的影响,主要研究内容和创新成果如下:（1）揭示了不同饱和度两种砂岩的冻融损伤特性。对于不同饱和度的两种砂岩,分别进行0、7、14、30、60、90、120及150次的冻融循环试验,在冻融循环试验的基础上,完成了岩石的电镜扫描试验,探究了整个冻融过程中岩石的冻融破坏模式、质量、波速及冻融损伤变量的变化特点。结果表明:冻融作用下饱和度大小决定了岩样冻融损伤的程度,完全饱水砂岩损伤劣化最为剧烈,自然含水状态损伤程度最低,白砂岩冻融损伤较红砂岩严重,尤其完全饱水白砂岩依次出现端部掉落、横向断裂;饱和度越大,岩样质量、波速的降低速率与冻融损伤变量的增长速率越快,变化幅度与饱和度大小成正相关;白砂岩物理量和冻融损伤变量的变化普遍大于红砂岩,除完全饱水白砂岩的冻融损伤变量呈指数型变化之外,其它饱和度岩样均为直线型变化;并总结了岩石内部细观结构的差异加剧了其冻融损伤程度。（2）探究了三种饱和度冻融岩石的细观结构损伤演化特征。基于不同饱和度两种砂岩的冻融循环试验,完成了相应饱和度、冻融次数下的高精度ct扫描试验,结合三维可视化技术、等效球体法及分形理论,对冻融过程中自然含水、不完全饱水和完全饱水的两种砂岩中心立方体区域的孔隙率、渗透率、孔隙参数、喉道参数、分形维数及细观损伤增量等细观结构参数进行了定量分析。结果表明:冻融作用促进了岩石内部细观结构的演化,岩样细观结构参数的增长速率与其饱和度大小成正比;白砂岩的细观参数均快于红砂岩,相较于其它饱和度岩样呈直线增加,完全饱水白砂岩增长最快为呈指数型,相比于红砂岩,白砂岩细观结构参数变化明显,孔隙通过喉道相互连通的空间占有能力强,具有明显的渗透能力;岩石冻融损伤主要为原孔隙尺寸增大再破裂为小孔隙和原喉道长度增加;红砂岩分形维数介于2.18～2.25之间,白砂岩分形分形维数介于2.46～2.54之间,分形可定量表述岩体内部结构损伤演化发展的动态过程及规律;岩体组成成分和骨架结构密实程度造成细观结构冻融损伤差异。（3）研究不同饱和度冻融岩样的力学特性,并建立宏观力学强度与细观结构参数的联系。同样基于不同饱和度的两种砂岩的冻融循环试验,完成了相应饱和度、冻融次数下的单轴压缩试验,揭示了冻融与荷载双重作用下,不同饱和度两种岩石的损伤破坏模式、宏观力学特性及宏细观之间的联系。试验结果表明:冻融与荷载双重作用下,红砂岩冻融荷载损伤破坏模式主要为脆性破坏,白砂岩主要为剪切破坏并表现出良好的塑性和延展性;两种砂岩强度、弹性模量随冻融次数增加均呈直线型降低,150次冻融后,完全饱水红砂岩强度下降了16.84%,分别是自然含水、不完全饱水状态的4.36和2.38倍,完全饱水白砂岩强度下降了98.53%,分别是自然含水、不完全饱水的1.68和1.26倍;不同饱和度两种砂岩单轴抗压强度与孔隙率、分形维数均成负相关,与其宏观物理量、宏观力学指标随冻融次数的变化规律基本一致;岩石细观结构变化诱发其宏观力学性能劣化,细观结构是影响其宏观力学特性的关键。

关键词：红、白砂岩冻融循环不同饱和度 CT三维重构细观结构力学特性损伤机理

真三轴应力条件下砂岩采动力学及渗流特性的试验研究

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真三轴应力条件下砂岩采动力学及渗流特性的试验研究

作者：高恒重庆大学

学位级别：硕士

改革开放以来,随着资源开采等人类地下活动频率的剧增,地下工作的深度越来越深。与此同时,也带来了一系列以“三高一扰动”为代表的深部岩体工程问题。即岩体的应力环境呈现出高地应力,高孔隙压力,高地温等特点。另外,工程活动及构造作... 详细信息

改革开放以来,随着资源开采等人类地下活动频率的剧增,地下工作的深度越来越深。与此同时,也带来了一系列以“三高一扰动”为代表的深部岩体工程问题。即岩体的应力环境呈现出高地应力,高孔隙压力,高地温等特点。另外,工程活动及构造作用将会显著改变岩体围岩环境,应力状态呈现出明显的各向异性（σ1＞σ2＞σ3）,岩体贮存环境呈现出流固耦合状态乃至多场耦合状态。本文基于自主研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,对砂岩真三轴力学性质、采动力学性质、采动致灾机理、渗流特性进行研究,重点研究了砂岩在不同开采深度应力条件下的强度、变形、声发射以及破坏特性;不同卸载速度对砂岩强度、变形、破坏特性的影响;以及真三轴应力气固耦合条件下砂岩渗透率、变形、应力敏感性行为特征。其主要研究结果如下:①对不同采深应力条件下砂岩的采动力学特性进行了试验研究,结果显示:随着采深的增加,砂岩在位移型扰动和应力型扰动作用下破坏时峰值应力均逐渐增大,同一采深应力条件下应力型扰动作用下砂岩的强度要比位移型扰动要高的多。位移型荷载作用下,试件的峰前扩容随着采深的增大而减弱,破坏模式由张拉破坏逐渐向剪切破坏转变,裂纹形态从复杂多样的张剪伴生裂纹向单一剪切裂纹转变;在应力型扰动作用下,试件呈现出加速扩容的态势。②不同采深砂岩真三轴力学试验表明:砂岩在采动应力作用下,不同采深条件下声发射行为均呈现明显的阶段性,即在孔隙压密和弹性阶段基本不产生声发射,在屈服阶段或破坏瞬间产生大量声发射。随着采深的增大,开始加载到产生大量声发射所需时间发生了滞后,且σ2、σ3越大产生大量声发射所需的最大主应力σ1也越大。③采动动力灾害是弹性能释放过程,沿工作面（卸荷）方向应力减小速度先增大后减小,岩体表现为沿着卸荷面的加速扩容。并随着采深的增大,从张拉破坏向剪切破坏转化、层裂破坏模式逐渐减弱、裂纹数量减小、岩体破坏的块度增大、完整性更好。④在不同卸载速度的真三轴力学试验中,最大水平主应力卸载速度越大,砂岩试件垂直方向的峰值应力越小、X方向主应变越小、Y方向主应变越大,并且扩容现象发生越早,扩容量增大。岩样破坏模式由剪切破坏为主向张剪破坏转变,在靠近卸荷面处张拉裂纹表现突出。最小水平主应力卸载速度越大,砂岩试件垂直方向的峰值应力越小,最大水平主应变逐渐增大,最小水平主应变逐渐减小,体积应变逐渐减小,扩容量越大。裂纹由Z主平面逐渐向X主平面转移,破坏模式由张剪破坏向拉伸破坏转变。⑤在真三轴渗流试验中,中间主应力及中间主应力系数b对砂岩的渗透率、变形有着显著的影响。中间主应力系数的越大,随着最大主应力的增大最大主应变增长速率减缓,中间主应变由负转正且变形量逐渐递增,最小主应变的变形量也逐渐增大,归一化渗透率的减小速率增大。⑥通过对试验数据与众多经典渗透率模型对比、拟合、分析,结果表明真三轴应力条件下,砂岩渗透率的演化规律相比较于孔隙度模型而言,S＆D模型和TTP模型有着更好的拟合度,且S＆D模型没有考虑砂岩的各向异性,故TTP模型对砂岩渗透率的演化描述更加准确。⑦基于TTP模型拟合结果,分析了Cf值的变化规律,结果显示随着最大主应力的增大砂岩的应力敏感性降低,但其下降速率变慢;同时,中间主应力和中间主应力系数的增大均会导致应力敏感性不同程度的下降。

关键词：真三轴应力采动力学性质 CT三维重构采动动力灾害砂岩渗透率

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循环载荷下原煤变形与渗透及能量演化研究

循环载荷下原煤变形与渗透及能量演化研究

作者：李政科重庆大学

学位级别：硕士

本文以川煤集团某煤矿煤样为研究对象,用核磁共振设备测定了煤样孔径分布和孔隙率,用ct对煤样扫描并对其进行了三维重构;通过数值模拟软件RFPA对含瓦斯煤进行了不同侧压作用下的压缩破坏模拟,并与含瓦斯煤三轴压缩物理实验对比,分析了... 详细信息

本文以川煤集团某煤矿煤样为研究对象,用核磁共振设备测定了煤样孔径分布和孔隙率,用ct对煤样扫描并对其进行了三维重构;通过数值模拟软件RFPA对含瓦斯煤进行了不同侧压作用下的压缩破坏模拟,并与含瓦斯煤三轴压缩物理实验对比,分析了煤岩的破坏形态;用含瓦斯煤热流固耦合试验系统,对煤样开展了不同围压条件下的循环加卸载气体渗流实验,并分析了煤岩的变形、渗透规律及能量耗散。得到以下主要结论:(1)通过核磁共振法测定了煤样孔径分布,测得的孔隙率为煤样CT三维重构过程中ct阈值的选择提供依据和参考;从实验前后煤样的CT三维重构图中发现煤样内部存在没有延伸到试件表面的裂隙,煤样的宏观破坏是主裂隙与煤样径向方向形成一定倾角的剪切破坏,同时伴随部分与主裂隙面相交的次生裂隙。(2)通过RFPA数值模拟软件模拟不同侧压下含瓦斯煤压缩破坏,得出煤岩的破坏方式为压剪破坏,主裂隙与模型径向方向形成一定角度的倾斜剪切面;对比分析数值模拟和物理实验的结果,发现两者的破坏方式都属于剪切破坏。(3)煤岩在循环载荷作用下,煤岩的相对残余应变在整个循环实验过程可分为压缩阶段,弹性阶段以及屈服破坏三个阶段;煤岩的轴向相对残余应变在压缩阶段急剧增大,弹性阶段缓慢减小,屈服破坏阶段逐渐上升;煤岩的渗透率随轴向应力的增大总体上呈“螺旋式”下降,在煤样即将发生破坏时渗透率会有所回升。(4)定义了渗透率变化率△K,定量分析煤岩在每个循环加卸载过程中渗透率相对于初始渗透率的变化规律,得出渗透率变化率随循环数的增加呈先增大后减小的结论,当渗透率变化率达到最大值时,煤样即将发生破坏。(5)从能量角度得出了一种考虑围压影响的新弹性模量计算方法,并与传统弹性模量的计算结果进行比较,发现通过这种计算方法得到的加载弹性模量值比传统加载弹性模量计算值小,而卸载弹性模量值比传统卸载弹性模量值大。

关键词：循环载荷流-固耦合含瓦斯煤渗透率 CT三维重构

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基于三维重构的弱胶结岩石裂纹扩展规律

基于三维重构的弱胶结岩石裂纹扩展规律

作者：凌斌中国矿业大学

学位级别：硕士

弱胶结岩层广泛存在于我国的西部矿区,该岩层主要是一些成熟度较低的弱胶结砂岩,具有胶结度低、孔隙度大、扰动敏感等特点,对地下开挖工程中岩土工程的稳定性具有很大影响。本文以弱胶结砂岩为研究对象,采用电镜扫描、X衍射、单轴压缩... 详细信息

弱胶结岩层广泛存在于我国的西部矿区,该岩层主要是一些成熟度较低的弱胶结砂岩,具有胶结度低、孔隙度大、扰动敏感等特点,对地下开挖工程中岩土工程的稳定性具有很大影响。本文以弱胶结砂岩为研究对象,采用电镜扫描、X衍射、单轴压缩实验、声发射实验、ct扫描实验和PFC数值模拟相结合的技术手段,研究了弱胶结砂岩的微观结构和矿物组分;分析了弱胶结砂岩单轴压缩过程中的声发射演化规律;探究了初始损伤对裂纹扩展直至试件最终破坏形态的影响规律;通过PFC数值模拟直观地分析了弱胶结砂岩加载过程中接触力及力链、位移、微裂纹数目变化,并探究不同孔隙率、不同胶结程度对弱胶结砂岩裂隙扩展过程的影响规律。本论文主要取得以下研究成果与进展:(1)采用电镜扫描、X衍射的手段对弱胶结岩石细观结构和矿物组分进行了分析。结果表明:弱胶结岩石胶结程度低、孔隙率高,且其力学参数低于常规砂岩。(2)进行单轴压缩和声发射联合实验,对弱胶结砂岩力学特性和声发射特性进行研究。声发射突变点的应力平均水平为0.86,损伤值突变点平均水平为0.7。由声发射定位技术可知,线弹性阶段和塑性变形阶段是弱胶结岩石微裂纹产生的重要阶段。(3)利用ct扫描技术对单轴压缩前后弱胶结砂岩孔隙、裂隙进行三维重构,从总体积、表面积、孔隙度、分形维数等角度对裂隙演化过程进行推演。研究结果表明:弱胶结砂岩加载后的孔隙率以及分形维数均有所增大;并且由ct切片可以看出试件的起裂位置一般发生在较大初始损伤和低密度区域,然后裂纹分别向两翼扩展,最终导致试件整体发生破坏。(4)开展了PFC数值试件加载实验,结果表明试件在峰后阶段快速变化,沿试件原有损伤区域迅速扩展贯通。弱胶结试件的力学参数与孔隙率成正相关,与胶结度成负相关。孔隙率和胶结度对裂隙的破裂类型无明显影响。本论文有图60幅、表18个、参考文献84篇。

关键词：弱胶结砂岩微观结构声发射特性 CT三维重构裂纹扩展演化

页岩水力压裂裂缝形态与延伸扩展规律的宏细观研究

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页岩水力压裂裂缝形态与延伸扩展规律的宏细观研究

作者：钮彬炜重庆大学

学位级别：硕士

中国特色社会主义进入了“新时代”,人们对更加美好的生态环境提出了更高的要求。页岩气作为清洁能源,其消费量和需求不断增加。为了能更好地开采页岩气,为页岩气藏水力压裂设计和储层改造提供一定技术支持。本文以长宁地区龙马溪组页... 详细信息

中国特色社会主义进入了“新时代”,人们对更加美好的生态环境提出了更高的要求。页岩气作为清洁能源,其消费量和需求不断增加。为了能更好地开采页岩气,为页岩气藏水力压裂设计和储层改造提供一定技术支持。本文以长宁地区龙马溪组页岩为研究对象,运用自主研发的真三轴试验仪器,开展真三轴条件下页岩水平井水力压裂实验,在压裂实验前后利用高能ct对试样进行扫描,并对所得到ct图像进行三维重构和内部裂缝可视化表征。讨论了地应力、地应力差异系数和压裂液排量对水力裂缝形态和延伸扩展规律的影响。同时开展数值模拟实验对水力压裂物理实验结果进行了验证。研究表明:（1）页岩压裂体积改造的关键在于压裂产生裂缝的复杂程度和延伸的距离。地应力差和水平应力差异系数是页岩水力压裂网络复杂程度的主控因数。（2）压裂液排量的大小在一定范围内影响水力裂缝的复杂程度。过低的排量可能导致压裂效果较差,但太高的排量会导致水力裂缝沿着裂缝的优势面扩展形成单一的裂缝,在一定程度上反而降低了水力裂缝的复杂程度。（3）基于页岩基质、高密度矿物质、水力裂缝所对应的ct值不同的原理重构的三维模型能够比较真实的表征页岩内部结构和裂缝分布形态,裂缝分布形态与实际也比较吻合。（4）页岩水力压裂后主要分为单一横向裂缝、弧形主裂缝和复杂的裂缝3类。水压曲线的“波动现象”与储层裂缝的生成和扩展有关,是页岩体积压裂形成复杂裂缝的一个明显特征。（5）根据数值模拟的结果,页岩水力裂缝起裂延伸扩展的全过程分为裂前阶段、微裂隙阶段和破裂阶段3个阶段。页岩水力压裂过程实际也是在水压力的作用下微裂隙萌生、延伸扩展直到最后产生宏观水力裂缝的过程。（6）由于页岩试样个体差异性等因素的影响,数值模拟计算的水力裂缝的形态和分布并不会与物理实验完全相同。但是通过数值模拟所得到的规律与物理实验所得到的规律大体一致。在实际研究和分析中最好能将二者结合起来。

关键词：页岩真三轴实验水力压裂 CT三维重构 RFPA2D-Flow