含夹层盐岩蠕变特性试验及其本构关系

为了解某拟建盐穴储库围岩含夹层盐岩的蠕变特性,对该库址含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行了不同围压下三轴压缩蠕变试验,分析了其蠕变变形规律。实验结果表明：含夹层盐岩初始蠕变阶段的持续时间大于泥岩试件而与盐岩试件基本相同,即第1蠕变阶段的持续时间主要由层状盐岩试件中盐岩体部分决定;第2蠕变阶段的稳定蠕变速率则随着泥质夹层含量的不同呈现较大的差异,在相同应力条件下,含泥质夹层盐岩试件的蠕变速率小于盐岩而大于泥岩。根据3种岩样第2蠕变阶段的蠕变特性,基于含泥质夹层盐岩试件中泥质夹层的体积分数,推导了含夹层盐岩蠕变力学参数与纯盐岩及纯泥岩蠕变参数的关系。     

含杂质盐岩力学特性对比试验研究

从某地拟建地下盐穴储库库区取芯,对含不同杂质盐岩（纯盐岩、钙芒硝质盐岩、硬石膏质盐岩及泥质混合盐岩）进行了力学试验,并对所获得的力学特性进行了对比分析。结果表明：① 在单轴和三轴压缩试验过程中,不同杂质成分对抑制盐岩的变形能力、提高盐岩抗压强度的作用有所不同;② 含不同杂质盐岩的弹性模量、单轴抗压及抗拉强度有较大变化区间,钙芒硝质盐岩的弹性模量和抗拉强度较大;③ 通过三轴压缩试验获得含不同杂质盐岩内摩擦角的量值明显低于纯盐岩,而黏聚力均大于纯盐岩。除纯盐岩外,硬石膏质盐岩的内摩擦角和黏聚力相对较小。     

基于相似原理的膨胀性软岩模型材料试验研究

岩体工程中,经常会遇见膨胀性软岩引起的工程灾害.如何经济有效地消除这类工程危害,一直是困扰着工程师们的一个难题.其主要原因是目前人们对膨胀性软岩的膨胀力学机制的认识还不够完善;此外,膨胀性软岩的本构关系还需要作进一步研究.解决此类问题的一个有效办法是模型试验.介绍了软岩模型材料配比和力学性能试验情况.通过试验,找到了一种经济有效的膨胀性软岩模型材料.根据模型试验数据,导出了膨胀性软岩粘弹性本构方程.     

多夹层盐穴储气库群间矿柱稳定性研究

以某拟建多夹层盐穴储气库为工程背景,利用FLAC^3D建立了拟建盐穴储气库有限元计算模型,讨论了矿柱宽度、内压、埋深、蠕变时间和相邻盐穴内压差等参数对盐穴储气库间矿柱受力和变形影响规律,分析了在注采气时间同步和不同步工况下矿柱的稳定性。计算结果表明：矿柱中的应力随着埋深和相邻盐穴压差的增加而增加,随着矿柱宽度、内压和蠕变时间的增加而降低,但内压影响不显著;蠕变使得矿柱中应力逐渐变均匀,5 a以后影响不显著;内压差在蠕变过程中使得矿柱的蠕变位移大幅增加;注采气时间不同步模式对矿柱稳定不利,尤其当矿柱宽度较小时更为显著。建议盐穴储气库间矿柱宽度取2~3倍盐穴直径,相邻盐穴间矿柱宽度较小时,尽量不采用注采气时间不同步模式运行。     

深部盐岩溶解速率试验研究

利用自制仪器对某超深地层(约2000m)盐岩、含泥盐岩进行了常温和高温溶解试验,发现密度与时间关系呈现指数衰减,并对其参数进行了拟合,得出常温下纯盐岩的溶解速率是含泥盐岩的1.26倍,高温86℃和高温50℃时的溶解速率分别是常温下的2.32和1.49倍。根据质量守恒原理,分别推导得出了常温和高温下溶解速率与密度的函数关系。通过实验数据得出,常温和高温下溶解速率与密度都可以近似成线性关系,并对各个参数进行了拟合,为深部盐岩溶腔建腔模拟提供了基本参数。     

多夹层盐穴储库沉渣碎胀-膨胀系数试验研究

夹层垮塌后破碎岩石的碎胀-膨胀系数是多夹层盐岩地下储气库体积预测计算中的关键参数。通过理想试验以及逻辑分析,研究了碎散体的形状、大小、排列方式以及颗粒级配对夹层碎胀系数的影响。结果发现,碎散体的大小与碎胀系数无关;碎散体的表面积体积比越大,碎散系数越小,反之越大;边-边接触越多碎胀系数越小,边-角接触越多碎胀系数越大;颗粒级配越不均匀越不连续碎胀系数越大,反之越小。通过模拟夹层垮塌,得出垮塌后的碎散体级配不良,分配集中,碎胀系数较大。碎胀系数随颗粒级配的范围扩大而降低,全范围颗粒级配的碎胀系数为1.701,且卤水浸泡对碎散体体积没有明显影响。根据参数计算得出的预测体积和声纳测腔结果符合良好,表明试验获取的碎胀系数具有工程实用性。     

夹层力学特性对盐岩储库稳定性影响的模拟分析

针对在层状盐岩构造中修建储库时,夹层对储库长期稳定性具有重要影响这一关键问题,建立储库三维单腔模型,通过数值试验,讨论了含不同厚度软、硬夹层的盐岩储库在不同运行内压长期作用下的稳定性,详尽分析了各种工况下的腔体收缩率,围岩塑性区及腔体最大位移分布。结果表明:随腔体含软夹层厚度增大,腔体收缩率呈略微上涨,而随硬夹层厚度增大,则出现较明显的下降。软夹层厚度的变化对围岩塑性区影响并不明显,硬夹层厚度的变化则会带来比较明显的影响,且含软、硬夹层腔体塑性区分布在夹层处存在显著差异,另外软夹层对塑性区的影响要比硬夹层小得多,且塑性区对随内压增加而减小的现象反应更为敏感,硬夹层在低压下比软夹层更容易破裂。含软夹层腔体最大位移量发生在夹层处,含硬夹层腔体最大位移量发生在盐岩处。最后综合分析发现,小厚度的硬夹层,大厚度的软夹层,对腔体的稳定性更为不利。     

周期荷载作用下盐岩疲劳特性试验研究

利用RMT-150C型岩石力学多功能试验机,针对盐岩进行了单、三轴周期荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的破坏特征、变形特性及损伤。单轴试验结果表明,盐岩疲劳破坏终点的变形量受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,周期荷载的上限应力和幅值对盐岩的疲劳寿命有着显著影响;轴向应变和损伤都可以分为初始、等速和加速三个阶段;当上限应力小于单轴抗压强度的75%时,盐岩未发生明显破坏,疲劳效应明显弱化,可以认为是盐岩的门阀值为75%。盐岩的三轴疲劳试验表明:不同上限应力和幅值对疲劳寿命起关键作用;盐岩在三轴周期荷载作用下,很快完成初始变形阶段,而很长时间内处于稳定的等速变形过程,这种疲劳特性对储气库的稳定性有利。     

盐岩蠕变特性及其非线性本构模型

为了研究盐岩的蠕变特性,利用RLW-2000岩石流变试验机对盐岩试件进行了三轴压缩分级加载蠕变试验。试验结果表明:在围压一定的情况下,随着轴向应力增大,盐岩瞬时应变、蠕变应变以及蠕变速率等均随之增大,同时进入稳态蠕变阶段所需要的时间逐渐延长;等时应力-应变曲线显示,盐岩蠕变具有非线性特征,且其非线性程度与蠕变时间和应力水平有关,蠕变时间越长、应力水平越高,非线性程度越高。基于非线性流变力学理论,提出了一种非线性黏滞体,其黏滞系数是所加应力水平和蠕变时间的函数,将非线性黏滞体替换常规Burgers模型中的线性黏滞体,建立了可描述盐岩非线性蠕变特性的MBurgers模型,并根据盐岩蠕变试验结果,采用曲线拟合法对MBurgers模型的参数进行了反演识别。拟合曲线和试验曲线对比显示,两者吻合良好,误差较小,说明该模型可以描述盐岩的蠕变特性。     

潜江超深盐矿盐岩力学特性的试验研究

对取自潜江白垩系地层2000 m的盐岩试样,进行了一系列的力学特性试验。包括单三轴压缩试验,巴西劈裂试验,直接剪切试验。研究了盐岩的单轴抗压强度,弹性模量等,并与国内外其他地区盐岩相比较,得出潜江盐岩单轴抗压强度,弹性模量都偏小;研究了三轴压缩强度特性,着重研究了模拟地层温度和高围压条件下,温度和高围压对盐岩力学特性的影响机理,研究表明:温度对盐岩的力学特性影响明显,盐岩塑性变形能力非常强,围压对弹性模量的影响非常小,高围压下盐岩没有明显的破坏面,不再是单纯的剪切破坏;同时对盐岩的抗拉强度,抗剪强度参数进行了研究,得到潜江盐岩的抗拉强度为1.041 MPa,抗剪强度参数c,φ值分别为2.46 MPa和41.36°     

基于Burgers模型的岩盐蠕变参数试验研究

针对岩盐矿地下开采结构参数的时间依赖性,开展岩盐蠕变试验。通过岩盐单轴压缩试验获得其瞬时抗压力学特性,据此设置合理的蠕变压力级别;采用单体多级加载方式进行单轴压缩蠕变试验,获得2组不同埋深岩盐蠕变变形-时间曲线,选取4元件Burgers模型对试验曲线进行拟合分析,得到试验岩盐蠕变特性表征参数。研究结果表明：岩盐单轴压缩强度具有显著的时间弱化性,长期强度小于瞬时强度的70%;Burgers模型能够合理的描述试验岩盐的蠕变变形特征,拟合的蠕变参数能够为地下盐矿采场结构参数的设计提供借鉴。     

泥岩相似材料力学性能影响因素试验研究

为了指导模型试验填料并提高试验精度,选取泥岩相似材料制作试件进行试验,研究模型试验填料过程的3个影响因素对泥岩相似材料力学性能的影响。分析结果表明:分层层数由1层增加至5层,相似材料的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别降低了23.80%、32.20%、20.83%;压实次数由1次增加至5次,相似材料的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别提高了15.00%、28.61%、6.76%;相比于进行粗糙处理的界面处理方式,在此基础上喷洒石膏水处理时单轴抗压强度提高了14.25%,弹性模量提高了22.63%,抗拉强度提高了7.99%。建立了相似材料力学性质与填料过程影响因素之间的多元线性回归方程,结合试验结果和方程可以指导模型试验填料,防止相似材料力学性能下降,提高试验精度。     

深部厚顶煤巷道围岩稳定性相似模型试验研究

针对深部厚顶煤巷道围岩控制难题,采用相似模型试验方法,分析了埋深、构造应力等因素对厚顶煤巷道围岩变形、围岩应力及支护结构的影响,揭示了厚顶煤巷道围岩稳定性规律:随着埋深增大,两帮及顶煤内应力峰值增大,围岩变形破坏程度增大;随着构造应力增大,围岩变形破坏程度增大,构造应力对顶煤稳定性影响显著,顶煤水平应力呈现出"两端低、中部高"分布形态,且应力峰值位置随构造应力增大向深部转移,下位顶煤、煤层与顶板交界面附近的顶煤破坏严重,最终发生"尖顶型"垮冒;顶板锚杆和穿过煤岩层交界面的锚索易被剪断。对于深部构造应力作用下的厚顶煤巷道,认为提高顶煤锚固体的抗剪能力尤为重要,提出采用"高强高预紧力锚杆及斜拉锚索梁"支护技术,以此增强厚顶煤锚固体的抗剪能力、提高两帮承载能力,顶煤和两帮稳定性的提高则有助于减小底臌量。研究成果成功应用于工程实践。     

膏体充填开采相似材料法覆岩应力发展规律研究

该文以级索煤矿16煤层16E104充填工作面为试验原型,采用相似材料模拟的方法研究充填采场覆岩应力的发展规律,结果表明充填采场顶板与底板的应力发展规律有一定的相似性,采场顶板应力经历着从"V"型分布向"U"型分布的转化过程,顶底板的应力大致可分为应力集中区、卸压区和应力恢复区三个区域。本文的成果可以作为现场实测研究和数据分析的基础,还可以为充填采场覆岩沉陷控制提供理论依据。     

煤岩瓦斯“固-气”耦合物理模拟相似材料特性实验研究

在固体相似材料研究的基础上,利用“固-流”耦合相似理论,得出适用于煤岩瓦斯“固-气”耦合的相似条件。选用砂子为骨料,石蜡和油为胶结剂,研制出一种适用于开展“固-气”耦合模拟实验的材料。通过大量实验,对相似材料的抗压强度、脆性参数、渗透速率等物理力学进行了测试,并利用自行研制的渗透性测试装置,对不同含量胶结剂的相似材料试件渗透性进行了测试。结果表明,石蜡含量不断增大,材料抗压强度随之增大,渗透性逐渐减小;含油量的变化,消除了单纯使用石蜡时,材料抗压强度变化强烈的不足。合理调节二者之间的比例,可以模拟多种不同强度、不同渗透性的岩石。在力学参数满足模拟岩石的前提下,将研制出的新材料与原始的固相相似材料进行了渗流速度对比实验分析,得出所研制的材料能较大程度的降低气体在其中的渗流速度,并将该材料应用于煤层开采模型实验,有效的揭示了瓦斯渗透速率与上覆岩层运动之间的关系。     

基于层间摩擦滑动的煤柱冲击地压实验研究

冲击地压是矿山动力灾害之一,随着煤矿开采深度的增加,导致冲击地压事故频发,造成大量人员和财产损失.为了防治煤矿冲击地压事故的发生,本文基于岩层之间的摩擦滑动过程,开展煤柱冲击地压实验,探究冲击地压发生机理.通过设计弱夹层组合体煤柱模型,利用数字散斑的相关方法对组合煤柱体单轴压缩过程进行观测分析,研究轴向荷载下组合体煤柱...     

单轴压缩岩石相似材料损伤特性及时空演化规律

为了研究岩石相似材料的损伤特性和损伤时空演化规律,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及PCIE-8型声发射(AE)监测系统,监测了岩石相似材料试样在单轴压缩过程中的应力应变变化和AE事件活动,建立了基于AE事件累计数的单轴压缩岩石相似材料损伤模型,进一步分析了岩石相似材料在单轴压缩过程中的损伤发展阶段,研究了单轴压缩下岩石相似材料的损伤时空演化过程。结果表明：岩石相似材料试样在单轴压缩过程中,AE事件活动大致经历了初始压密少量段、弹性变形稳定增长段、塑性变形和破坏剧烈增长段3个阶段;损伤过程可分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段;损伤时空演化过程较好地反映了损伤特性,以1号试样为例：损伤由试样底部开始发展集中,而后中部和上部出现损伤并向底部和顶部稳定发展,随后中部和上部损伤迅速增多并与底部损伤区连通,最终试样发生破坏。研究成果可为相似材料模型损伤演化规律的研究提供一定的参考。     

原料配比对相似材料放散初速度影响的实验研究

煤与瓦斯突出相似材料是由骨料、辅料、黏结剂混合后在一定成型压力下制作而成,原料配比对相似材料的放散初速度影响较大。为研究原料配比对相似材料放散初速度的影响,通过正交实验设计,选取水泥、砂子和成型压力3个因素作为研究对象,分别测定不同配比条件下相似材料在吸附CH₄和CO₂情况下的放散初速度。实验结果表明:对相似材料放散初速度影响较大的因素为水泥和砂子的添加比例,随着水泥和砂子比例的增大,相似材料的放散初速度逐渐减小;相似材料吸附CO₂比吸附CH₄时的放散初速度高约30%,成型压力对相似材料放散初速度的影响较小。实验分析结果对后续制作相似材料具有重要参考意义。     

不同应力状态下盐岩的损伤恢复

为了研究不同应力状态下盐岩的损伤恢复,实验对单向、双向和三轴3种应力状态下损伤盐岩试件进行了恢复对比实验。旨在探寻力学作用下岩盐损伤恢复的宏观现象。实验结果表明：由于应变硬化的存在,利用弹性模量评价盐岩这类软岩的损伤恢复是具有局限性的;盐岩极限强度、盐岩到达极限强度所需能量与能量比值能良好反应应力作用状态下盐岩损伤恢复的变化情况;适当增加围压对损伤盐岩试件的恢复有促进作用,三相应力相同的条件下的初始轴压对损伤恢复却具有一定的抑制作用。因而,在盐腔稳定性维护过程中,最佳的数据系统应在考虑盐腔可控应力与地应力间的关系下建立。