陷落柱骨架砂岩三轴压缩渗流特性及声发射特征试验研究

为研究陷落柱骨架砂岩在不同围压及渗透压条件下的力学性质、渗流特性和声发射基本特征,采用岩石三轴渗流实验系统及AE21C声发射监测系统,开展三轴压缩条件下渗流试验,得到砂岩变形过程全应力–应变及渗透率演化曲线,同时获得砂岩变形、渗透率及声发射信号演化规律。研究结果表明:(1)陷落柱骨架砂岩具有明显的脆性特征。渗透压相同时,砂岩应力峰值强度、弹性模量及峰值应变随着围压的增大而增大;围压对砂岩宏观破坏特征影响明显,破坏形式由多裂纹剪切破坏逐渐变为单斜面剪切破坏。(2)砂岩总体呈现低渗透特性。砂岩渗透率演化规律与三轴加载应力–应变关系具有密切的相关性。渗透率总体呈现出逐渐减小,平稳发展,迅速增加的三阶段变化特征。(3)声发射变化特征与应力–应变及渗透率曲线特征基本一致。初期阶段,振铃计数率随围压升高而减小;裂隙发育扩展阶段,声发射振铃计数率呈现密集活跃状态并逐渐增大;失稳破坏阶段,振铃计数率迅速增大后又快速回落。试验结果对于研究岩溶陷落柱的稳定性及渗透性变化规律具有重要参考价值。     

不同卸荷路径对砂岩渗透性演化影响的试验研究

为了研究初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化规律的影响,开展考虑不同初始围压(10,20,30 MPa)、不同卸荷速率(0.1,0.5,1.0,1.5 MPa/min)下的三轴卸荷渗流力学试验研究。研究结果表明:(1)砂岩卸荷破坏时表现为明显脆性特征,且随初始围压和卸荷速率的增大,砂岩侧向变形和体积扩容特性愈加明显。(2)砂岩卸荷破坏过程中渗透率演化规律与卸荷应力–应变关系密切相关,呈现阶段性变化特征,即弹性变形阶段渗透率增长缓慢;屈服变形阶段渗透率加速增长;达到卸荷峰值应力后,进入应力跌落阶段,此时渗透率急剧增长,并发生突跳现象;卸荷破坏后残余强度阶段,渗透率快速下降并趋于稳定。(3)不同初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化影响明显,初始卸荷围压越高,卸荷破坏时的卸荷量越大,但卸荷量与初始围压比值越小;卸荷速率越大,砂岩卸荷破坏时产生的卸荷量越大,所处围压水平越低,渗透率峰值越高。研究成果可为深埋地下岩石工程围岩渗透性演化与安全评价提供参考。     

拉–压–剪应力下细砂岩和粗砂岩破裂过程声发射特性研究

利用TAW–2000KN压力机、TYJ–500KN压力机和SH–II声发射系统,对粗砂岩和细砂岩进行单轴压缩、巴西劈裂和变角剪切实验,对裂纹扩展过程中的力学特性和声学特征开展研究。实验结果表明:通过统计细砂岩和粗砂岩的单轴抗压、抗拉和抗剪强度可知,岩石抗压和抗拉强度比近似相等,抗剪强度比相差较大。细砂岩和粗砂岩剪切破坏过程声发射特征差异明显,剪应力作用下细砂岩声发射计数曲线变化规律为:(1)–I–(2)–II–(3)(其中"–"表示区间),剪应力作用下粗砂岩声发射计数曲线变化规律为:(1)–I–II–III–(2);声发射能量特点为:细砂岩:呈现弯曲"厂"型,粗砂岩:呈现标准"S"型曲线,且峰前与应力–应变曲线变化规律完全一致。细砂岩和粗砂岩拉伸破坏过程声发射特征差异明显,拉应力作用下细砂岩声发射计数曲线变化规律为:(1)–I–(2)–II–(3)–III,拉应力作用下粗砂岩声发射计数曲线变化规律为:(1)–I–(2)–II–(3)–III;声发射能量特点为,细砂岩:由于局部失稳破坏存在,呈现复杂路径增长,粗砂岩:呈现直线趋势增长。从破坏角度分析,2种岩石区别在于,细砂岩破坏前发生声发射计数和能量的缓慢增长,破坏后出现一定的稳定期。粗砂岩加载前期,高计数信号和低计数信号交替出现,破坏前期和破坏阶段高计数信号和低计数信号混合稀疏出现。细砂岩和粗砂岩单轴压缩过程声发射特征区别较大,声发射计数特点为:细砂岩:(1)–I–(2)–II–(3),粗砂岩:(1)–I–II–(2)–(3);声发射能量特点为:细砂岩:呈现扁平型"S"曲线,粗砂岩:呈现明显"Z"型曲线。利用声发射RA值与平均频率关系能较好反映裂纹类型,拉伸破坏和剪切破坏均符合客观实际。单轴压缩破坏形态给予裂纹类型正反馈,说明应用声发射技术判断裂纹类型有效、可行。     

粗砂岩变形破坏过程中渗透性试验研究

利用三轴耦合试验机进行粗砂岩不同围压条件下的变形破坏过程渗透性试验,分析粗砂岩变形及破裂过程中渗透性的变化规律,研究围压对粗砂岩渗透性的影响,探讨试样变形过程中渗透系数与体积应变的关系。研究表明:粗砂岩三轴压缩变形过程中,渗透性变化的总体规律呈现出与偏应力–应变曲线相应的阶段性,即微裂隙压密阶段与弹性变形阶段,渗透性随偏应力增大呈略微降低;弹塑性变形阶段,随新生裂隙的扩展,渗透性先缓慢增大,而后急剧增大,峰值强度后达到极大值;残余流动阶段,产生的贯通性裂隙由于围压作用被压密而导致渗透性下降。在岩样变形破坏过程中,渗透性对环向应变的变化更为敏感。围压越大,粗砂岩渗透性变化曲线的峰值及峰后残余值越小,渗透系数–应变过程曲线越平缓。最后,基于多孔介质理论的质量守恒方程得到孔隙率与体积应变的关系式,采用Kozeny-Carman方程研究粗砂岩变形过程中渗透系数与体积应变的关系,计算结果显示,Kozeny-Carman方程在岩样以孔隙为主要渗流通道阶段适用性较好。     

中砂岩渗透特性与损伤演化探讨

为探究中砂岩破坏全过程中的渗透特性及损伤演化特征,对中砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:渗透率随着应力加载全过程呈先减小后增大的整体趋势,在峰值应力前后达到最大值;围压越大,渗透率越小;体积变形扩容点与渗透率的突变点相对应,更能准确反映渗透性的变化;渗透测试过程中的声发射现象是一个呈阶段性的演变过程并与渗透率大小的变化趋势相对应;围压越大,声发射现象越滞后;利用声发射参数,基于Weibull分布函数计算得到的损伤表明,应力对砂岩的损伤主要发生在应力加载阶段,渗透损伤相对较小且主要集中于屈服阶段之后;围压越大,渗透损伤量所占比重越小。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

 基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透特性试验研究

采用全自动三轴渗流实验系统,进行无水与排水条件下砂岩应力–渗流耦合试验,得到砂岩变形全过程应力–应变及渗透率演化曲线,较好地表征了应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征,同时获得了应力–渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。研究结果表明:(1)砂岩峰值强度随着围压增大而不断增大,围压效应显著;无水条件下,砂岩峰值强度对应的轴向应变变化规律与强度演化特征呈现出明显的对应关系。其轴向变形与围压的关系较好地符合指数函数非线性增长模型,而排水条件下的砂岩轴向变形与有效围压的关系较好地符合线性衰减模型;(2)砂岩峰前渗透率呈现出缓慢降低→平稳发展→急剧增加的三阶段演化规律,与砂岩峰前应力–应变曲线初始微裂纹压密、线弹性变形及新生裂纹扩展阶段三阶段变形具有对应关系;(3)不同工况下的砂岩变形全过程渗透率呈现出降低→急剧增加→稳定发展或略微增大的三阶段演化规律,与砂岩变形全过程体积压缩→体积快速膨胀→体积缓慢膨胀三阶段变形具有对应关系。研究结论可为煤矿突水事故防治及巷道围岩稳定控制提供一定的理论依据。     

北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究

针对北皂海域煤矿顶板岩层的隔水性问题,进行了顶板岩样的渗透性试验。根据岩样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析了全应力–应变过程中岩样渗透性随其变形变化的特点及渗透率–应变和渗透率–应力之间的关联性。结果表明,北皂海域煤矿顶板为典型的软岩,可分为砂岩、泥岩和含粗砾砂岩 3 组,全应力–应变过程岩样渗透率变化过程可划分为压密–弹性段、峰前屈服段、峰后段 3 个区间;砂岩与含砾粗砂岩、泥岩相比,其变形破坏曲线更为均匀;用临界抗渗强度与峰值强度的比值或临界抗渗应变与最大渗透率应变的比值能较好反映软岩渗透率变化规律。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

CT尺度砂岩渗流与应力关系试验研究

岩石渗流与应力关系研究是进行岩石渗流场与应力场耦合分析的关键。运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行了渗流与应力关系试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石孔隙率公式,在此基础上,分析了岩石应力–应变过程中孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等的变化规律。结果发现:岩石渗透参数的变化与岩石受力损伤–破裂过程密切相关。在初期的压密阶段,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随应力的增大而减小;当岩石的内部出现微裂纹后,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随应力的增大而增大,从宏观应力–应变关系看,从微裂纹出现到宏观破坏出现前,岩石还处于弹性变形阶段;当岩石宏观破坏时,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等达到最大值。同时还发现:在渗透水压力作用下,受压砂岩的微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的45%,而同样干岩样中微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的55%以上,也就是说,渗透水压力使砂岩样的强度损失10%。     

高围压下岩石破坏和摩擦滑动过程中的声发射性活动性

在600MPa范围内,实验测定了居庸关花岗岩变形破坏和摩擦滑动过程中的声发射活动性。在有围压的情况下,岩石变形破坏过程中缺少在单轴压缩下经常出现的第一次声发射活动高峰;随着围压的增加,声发射活动性由致密型向致密不稳定型过渡;开始出现声发射所对应的应力—应变条件相对于破裂点而言有随围压增加而“提前”的趋势.采用归一化的处理以后,发现破裂过程中声发射累计数增长曲线随着围压增加而曲率减小。指数函数拟合结果表明:随围压增加指数系数减小,并且阶段间的差别逐渐消失。摩擦滑动的应力积累阶段的声发射活动性也遵循指数规律上升,但指数系数较变形破坏过程为小.稳定滑动过程本身的声发射累计数随应变量的增大只是线性地增加.     

高温与不同水压下深部砂岩渗透特性试验研究

岩石的力学性质与渗透特性与应力,温度及渗透压力具有密切关系。运用Rock Top多场耦合试验仪对红砂岩进行100℃高温下不同静水压力与渗透压差条件下的温度–应力–渗流耦合试验研究。研究结果表明:(1)100℃高温下红砂岩全应力–应变经历裂隙压密→线弹性变形→微裂纹稳定发展→非稳定破裂发展→峰后变形与破坏5个阶段;(2)对应岩石应力–应变曲线,流量随应力差的增大呈现反向急速溢出段,反向稳定溢出段,急剧上升段,稳定增长段,此时渗透率随应力差的增大呈现先由初始值下降,保持水平常值,急速增长至伪峰值后衰落,稳定增长至真峰值等变化特征;(3)红砂岩在高温、高围压作用下的渗透率随围压的等梯度增长近似呈线性降低趋势,在高围压下渗透压差对渗透率影响并不明显,渗透率值趋于稳定,2种方法均显示红砂岩属于典型低渗类岩石;(4)相同围压与渗透压差下,瞬态法与稳态法2种渗透率测试方法所测结果相近,在30～60 MPa围压范围内,压力条件是影响渗透率的主要原因。     

围压效应下砂岩声发射与压缩变形关系的细观模拟

通过三轴压缩试验和声发射(AE)试验,得到砂岩不同围压下全应力–应变过程的声发射数据。基于室内试验结果,采用颗粒流软件PFC2D,从细观角度模拟不同围压下砂岩压缩变形过程中的声发射时空分布,并考虑张拉和剪切2种裂纹的不同发育规律,建立砂岩压缩变形过程中声发射特征与脆延转换之间的联系。研究表明,低围压下声发射经历"平静期"、"发展期"、"爆发期"和"回落期",声发射主要为张拉裂纹,且集中在剪切带上,并伴随少量剪切裂纹;高围压下声发射在"爆发期"后并没有明显的回落;峰值强度前弥散分布的剪切裂纹数量大于张拉裂纹,峰后相对集中而贯通的张拉裂纹数量超过剪切裂纹;张拉裂纹为主的声发射体现出脆性破坏特征,剪切裂纹大量发育则预示着试样由脆性向延性转换。     

温度-应力耦合条件下膏岩渗透性试验研究

为研究深地环境下能源储库膏岩盖层气密性,利用基于四川大学MTS815岩石力学试验系统改进的THM多场耦合三轴渗流测试平台,国内首次展开不同温度、不同围压条件下膏岩加载变形破坏全过程气体渗透性试验。试验结果表明:(1)天然状态下膏岩的渗透率处于10-17～10-15 m2,属于致密低渗岩体介质。(2)相同温度下,随围压增大,膏岩破坏应力–应变曲线具有脆–延性转变特征,且膏岩峰值应力不断提高;相同围压下,随温度升高,膏岩表现出热损伤及热软化效应,峰值应力逐渐降低,塑性变形能力增强。(3)膏岩初始渗透率随围压增大而降低,呈指数型递减关系,5 MPa围压下膏岩初始渗透率为4.13×10-17 m2,15,25,35 MPa围压下初始渗透率分别降低37.23%,65.86%,75.79%。(4)不同温度–应力耦合条件下膏岩渗透性均表现出先降低后升高的演化规律,岩石整体渗透率水平随温度及围压的升高不断降低。     

低渗储层砂岩渗流–应力–损伤渐裂过程的渗透特性演化研究

低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流–应力–损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明:加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流–应力–损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。     

复杂加卸载路径下闪长玢岩强度特征及声发射特性试验研究

选取典型深部矿山脆性岩石进行加卸载岩石力学试验,对复杂应力路径下脆性岩石的力学及破裂特征进行对比分析。采用声发射设备对破裂过程中声发射演化特征进行研究。研究表明,岩石的力学性质和变形特性与围压有密切的关系,围压的增加使围岩逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;对试件进行卸围压操作,容易造成岩石的突然破坏,同时造成了岩石强度的降低;由破裂形式素描图可知,卸载造成破坏更加剧烈,岩石表面出现大量竖向裂纹,卸载往往造成岩石的复合拉压破坏,且卸载破坏的的声发射计数率远远加载破坏。卸载破坏过程中,岩石声发射演化过程总体分为3个阶段,包括峰前平静期、活跃期及峰后平缓期,每个时期都有一个应力、应变及振铃计数临界值,需要通过大量试验及现场测试。     

高应力硐室围岩三轴蠕变及声发射特征研究

针对高应力岩体工程开挖后硐壁附近围岩长期变形问题,利用MTS815 Flex Text GT岩石力学试验系统和PCI–Ⅱ声发射三维监测系统,针对高应力硐室围岩,开展大理岩试件三轴蠕变试验及声发射实时监测,探讨硐室开挖后围岩在较小侧向压力下的蠕变力学特性和声发射特征。结果表明：大理岩的多级蠕变全过程应力–应变曲线具有5个阶段,岩样具有脆性破坏特征,横向变形较轴向变形具有更显著的蠕变特征;声发射特征表现出明显的应力响应和时效特征,且与典型蠕变3个阶段相匹配,在减速和稳态蠕变阶段,声发射振铃计数率和能量率呈线性增长趋势,加速阶段声发射振铃计数率和能量率呈现指数型增长,且声发射变化对应的时间点提前于应变加速点,可作为大理岩蠕变破坏的前兆特征;基于AF和RA值表征的大理岩内部微裂纹发展特征,大理岩蠕变破坏是张拉破坏和剪切破坏共同作用的结果。     

不同温度及应力状态下北山花岗岩蠕变特征研究

 基于不同温度及应力状态下的蠕变特性试验,结合三维声发射实时监测信息,开展北山花岗岩的蠕变变形特性以及加载条件(温度、围压和应力状态)对其蠕变破坏过程的影响研究。试验结果表明,北山花岗岩的蠕变破坏包括初始蠕变阶段(瞬态蠕变)、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段,在加速蠕变过程中裂纹迅速扩展和积聚是导致岩石最终破坏的主要原因。蠕变试验过程中,声发射累计数和岩石蠕变体积应变的演化趋势整体上具有一致性,但声发射信号对岩石变形破坏的敏感性更强。对试验数据综合对比分析显示,花岗岩蠕变破坏变形受围压的影响显著,围压越高,岩石蠕变破坏前所能承受的变形越大。温度和应力水平对蠕变破坏变形影响并不明显,但可以对蠕变速率造成影响,进而改变岩石的蠕变破坏时间。根据试验结果,在围压2,10,30 MPa条件下,北山花岗岩的蠕变破坏轴向应变平均值分别为0.34%,0.54%和0.71%。