基于SEM的珲春低阶煤微观结构特征研究

 目前利用扫描电镜(SEM)数字图像对低阶煤的矿物质成分含量、微裂隙发育及微观结构的各向异性特征缺乏系统的研究。结合扫描电镜试验和压汞试验,对珲春煤田低阶煤微观形态及微裂隙发育的各向异性特征进行研究。通过选择合适的灰度阈值,将扫描电镜中观察的平行和垂直层理的微观图像处理成矿物质成分二值数字图像和微裂隙二值数字图像,计算得到矿物质成分的百分含量以及平行层理面和垂直层理面中微裂隙体积百分比。分别研究平行和垂直层理方向微裂隙发育的分形特征,计算得到微裂隙的分形盒维数,结果显示,与平行层理相比,垂直层理方向微裂隙表面光滑性、规则性较差,空间充填能力较强,比表面积较大,而且具有更强的吸附能力。压汞试验结果表明,煤样的孔径多分布在10～100 nm及15～95 ?m范围,在10～100 nm附近比表面积变化量最大,扫描电镜观测得到的煤植体层片状结构和矿物质絮状结构形成的孔隙结构近似分布于此范围,说明煤植体层片状结构和矿物质絮状结构确实能够提供较大的比表面积,层片状煤植体结构能够贡献较强的煤层气储存吸附能力。     

基于结构异性比的含瓦斯煤渗透各向异性研究

渗透率是煤层气生产中的重要参数,而原煤的结构异性导致其渗透率具有明显的方向性。假设煤体结构各向异性,建立基于结构异性比的煤体各向异性渗透模型,再进一步推导出瓦斯煤各向异性气–固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究了煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明:煤体结构异性比和平行层理方向渗透率与垂直层理方向渗透率的比值之间存在指数关系,结构异性比越大,则渗透率比值越大;恒定围压条件下,结构异性比随压力的增大而增大,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在增大;恒定围体积条件下,结构异性比随压力的增大而减小,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在减小;本文模型计算数据与渗透各向异性试验数据吻合度高,验证了本文模型的合理性,可适用恒定围岩应力、恒定储层体积等多种条件的渗透各向异性研究。     

南水北调中线膨胀土/岩微观特征及其性质研究

对南水北调中线工程典型的强、中膨胀土/岩开展室内土工试验与X射线衍射试验,研究了其矿物成分及与胀缩性指标的关系,利用扫描电镜SEM图像进行了微观结构的定性分析,并基于MATLAB软件对孔隙和微结构单元体的微观特征进行了定量化研究,探讨了不同类型膨胀土/岩的颗粒形态、结构类型、裂隙分布等微观特征及其与工程特性的关系。结果表明：膨胀土/岩中的蒙脱石等黏土矿物含量高,强膨胀土/岩以絮凝结构,扁平状聚集体与卷曲片状颗粒为主,中膨胀土/岩以紊流状、粒状堆叠结构为主,片状聚集体与单粒体并存,前者微裂隙发育且定向性明显,孔隙比大,孔隙分形维数与颗粒尺寸小于后者。膨胀土/岩微结构单元圆形度低,复杂度高。膨胀岩定向排列特征显著,颗粒分形维数小,颗粒分形维数与膨胀潜势和孔隙比的变化规律一致。微观组分和结构特征与物性指标分别呈线性关系与负指数幂关系。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

中煤阶煤岩控制下的煤储层孔裂隙结构特征——以柳林矿区为例

为了探讨煤岩类型和煤储层孔隙结构的耦合关系,建立了煤层层内非均质模型,采用压汞、液氮、CT等实验测试手段和分形数学理论,根据实验得到的各孔径段孔隙含量、视孔隙率、体积中值半径、退汞效率、BET比表面积、BJH总孔容、平均孔径等参数的均值来研究光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤储层物性差异,结合CT三维空间建模,分析了不同煤岩类型煤储层孔隙结构特征与差异性。结果表明:光亮煤微裂隙发育,连通性好,有利于煤层气的解吸、扩散和渗流,为煤层气勘探开发的有利储层;半亮煤孔隙连通性好,较有利于煤层气解吸、扩散和渗流,同样为有利储层;半暗煤孔径分布较均衡,半封闭-开放孔发育,较有利于煤层气富集和渗流,为煤层气勘探开发的中等储层;暗淡煤微小孔含量最低,空间呈点状分布,矿物含量高,裂隙不发育,对于煤层气的渗流和储集均不利。原生结构煤为主的矿区煤层气开发应首选光亮煤发育带,其次为半亮煤和半暗煤发育带。该结论可为煤层气开采过程中层间非均质性提供指导依据。     

各向异性岩石纵、横波的波速比特性研究

通过对板岩、千枚岩、糜棱岩和变质砂岩等4种各向异性岩石在平行和垂直层理或板理的3个正交方向上进行大量的纵、横波波速试验，并结合对相关文献中已有岩石波速数据的深入分析，提出岩石介质纵、横波波速比的各向异性效应。这种效应广泛存在，其发育程度受到岩石类别的控制。在试验所用的4种岩石中，板岩和千枚岩的波速比的各向异性明显，而糜棱岩和变质砂岩则不甚发育。波速比的各向异性特征主要表现为垂直层理方向上的波速比普遍小于平行层理方向，且两方向波速比的相对增量还随着垂直层理方向上的波速比的增大而逐步减小。基于横观各向同性弹性介质的波速方程，还进一步通过具体算例对这一特征进行较好的理论分析。     

煤体在不同层理方位Ⅰ型断裂特征试验研究

通过Ⅰ型断裂试验、3D形貌扫描技术,对沁水煤田15#煤的3种不同层理方位条件下Ⅰ型断裂特性、断裂面形貌特征以及层理、内生裂隙等影响下I型裂纹扩展规律进行了分析研究;并通过水压致裂试验,验证了约45°天然裂隙面对水力裂缝扩展的影响。结果表明:沿平行层理方位煤岩的断裂韧度KIC、断裂面面积、线粗糙度在3种方位中最低;在正交及垂直层理方位断裂时,煤岩体中裂纹扩展的有效路径更长,更有利于连通较多的孔裂隙,进而有利于改善煤层渗透性。同时,在该煤岩I型断裂试验中,在内生裂隙影响下裂纹扩展路径在正交层理方位的波动偏转角度最大,近似达30°;在该含天然裂隙煤岩水压致裂试验中,水力裂缝贯穿45°天然裂隙面扩展,沿垂直层理方位压裂后,裂面面积比其投影面积增大约0.3倍。结论对煤层气压裂增透工程具有一定指导意义。     

板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。     

黑色页岩力学特性及各向异性特性试验研究

为了研究黑色页岩的力学特性和各向异性特征,对下寒武统牛蹄塘组黑色页岩行地化参数分析,牛蹄塘组黑色页岩的脆性矿物成分高达79.01%;利用扫描电镜获得页岩的微观结构,牛蹄塘组黑色页岩具有明显的层状沉积特征和层状薄片矿物结构。利用东北大学和长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的ROCKMAN207系统对不同层理角度的黑色页岩试样进行三轴压缩试验,获得黑色页岩试样的全应力–应变曲线和破坏模式,并对比分析围压和层理角度对黑色页岩力学行为和破坏模式的影响。结果表明:(1)黑色页岩应力–应变曲线无明显的孔隙、裂隙压密阶段,峰前应力–应变曲线近似为直线段。(2)黑色页岩的破坏模式与围压条件和层理面角度有关,低围压条件下,黑色页岩破裂后易形成较为复杂的裂隙网络;轴向加载方向与黑色页岩层理平行时,易形成复杂的裂隙网络。(3)黑色页岩具有波速和强度各向异性的特征,随着层理角度的增加,黑色页岩的波速呈现降低的趋势,黑色页岩各向异性强度特征曲线形状近似为U型;黑色页岩的强度各向异性系数随着围压的增加逐渐降低。     

考虑层理方向煤岩的静动巴西劈裂试验研究EI北大核心CSCD

利用MTS815岩石力学测试系统和SHPB动态测试系统分别对垂直、平行2种层理方向煤岩进行静、动巴西劈裂试验研究,旨在探讨不同加载率下,层理煤岩的抗拉强度及其破坏特性。试验结果表明:(1)煤岩具有较强的各向异性特性。平行层理方向煤岩抗拉强度大于垂直层理方向煤岩的抗拉强度;平行层理方向煤岩随加载率变化,其抗拉强度的波动较垂直层理煤岩明显,离散现象更为显著;垂直层理煤岩破断形态较平行层理煤岩更具多样性。(2)煤岩抗拉强度及变形特性具有明显的应变率效应。随加载率增大,煤岩抗拉强度增大,呈线性或乘幂关系;加载率越大,煤岩越破碎。(3)煤岩自身组成成分及构造特点是煤岩离散性的重要影响因素,也是影响煤岩强度、变形各向异性特征的内在原因。     

高温三轴应力作用下油页岩的渗透特征各向异性演化规律实验研究

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向的油页岩的渗透率的演化规律。研究表明,垂直层理方向的渗透率在20℃～450℃在10~(-20) m~2之下,超出了稳态法渗透测试系统测试范围,处于超低渗阶段;当温度超过450℃之后,渗透率处于2.5×10~(-19)～1.17×10~(-17) m~2范围,450℃称之为垂直层理渗透率演化的阈值温度。平行层理的渗透率在20℃～400℃范围,都处于较低渗透率阶段,为2.3×10~(-19)～2.9×10~(-18) m~2,当温度高于400℃,平行层理方向的渗透率急剧增加,量级在10~(-16)～10~(-15)范围,因此400℃被称为平行层理渗透率演化的阈值温度。然后利用高温三轴瞬态法渗透测试系统,测得了20℃～200℃油页岩垂直层理方向的渗透率,结果表明滑脱效应在此温度段对渗透率起主导作用。然后利用X射线计算机断层扫描技术对不同温度下样品微观结构进行了详细的表征。研究发现,裂缝主要发生在平行层理方向,很少发生在垂直于层理方向。结合渗透规律和油页岩热破裂规律,讨论了不同温度下油页岩不同层理方向的渗透率出现各向异性的原因。最后讨论了研究成果在油页岩原位开采中所起到的理论指导意义。     

基于低温液氮吸附法的陕南中低煤级煤孔隙结构特征

为研究陕南中低煤级煤的孔隙结构特征,采用低温液氮实验测定6个煤样(Ro,max为0.66%～1.58%)的比表面积、孔体积、孔径分布等参数,对吸附回线进行分类,并讨论煤变质程度与煤中微孔孔隙发育特征的关系,计算孔隙结构的分形维数。结果表明:孔隙类型主要为微孔和小孔;BET比表面积与微孔孔容正相关,且随煤变质程度增大而减小;L1型和L2型孔隙系统主要为一端封闭的不透气性孔,但L2型孔隙系统存在部分墨水瓶孔和少量开放性孔;L3型孔隙系统由2部分组成,在较小孔径范围(<4nm)以一端封闭的不透气性孔为主,在较大孔径范围(> 4nm)以两端开口的开放性孔和墨水瓶孔为主;吸附回线存在滞后环的分形维数较不存在滞后环的分形维数要高,微孔孔隙表面粗糙度较高、结构复杂、具有较强的非均质性。     

冻融循环作用下岩石表面裂纹扩展过程细观研究

对页岩进行冻融循环试验,借助激光扫描显微镜对岩石在垂直和平行层理两个方向上的表面裂纹的扩展过程展开细观研究。采用数值模拟对冻融循环作用的温度应力分布、裂纹扩展过程及其机制进行研究。研究结果表明：裂纹深度、裂纹宽度和表面积比均随着冻融循环次数的增加而增大。部分颗粒在冻融循环作用下会发生破碎和崩落。垂直层理的岩石表面的裂纹深度、裂纹宽度和表面积比的增幅较小,曲线较平缓。而平行层理的岩石表面的裂纹深度、裂纹宽度和表面积比的增幅较大,曲线较陡。层理面表现出较为明显的弱面特征。裂纹更容易沿着层理面扩展。裂纹的形成和扩展会导致应力场的重分布。应力集中现象出现在层理面与表面的交界处。表面裂纹大都发端于表面层的自由边界,而后向内部扩展。     

油页岩热物理特性试验与高温热破裂数值模拟研究

 利用热膨胀仪和导热分析仪测试抚顺油页岩垂直层理和平行层理热膨胀系数和导热系数,利用试验结果,在正交各向异性、物理场单向耦合条件下进行油页岩热破裂数值试验。研究结果表明：油页岩正交方向热膨胀性能及导热性能存在各向异性。25 ℃时,垂直层理热膨胀系数为平行层理的1.69倍,而平行层理导热系数为垂直层理的1.83倍。随着温度升高,热膨胀系数起伏变化,导热系数呈线性规律降低。沿不同层理倾角压裂时,裂纹尖端应力强度因子KI值不同,沿水平层理压裂时KI值最大。提出导热局部效应概念,在油页岩导热系数较低但过热面积开阔的方向上可以获得比在导热系数高而过热面积狭小的方向上更高的升温速率,这一效应对裂缝面附近各点的温度变化规律有影响。研究结果对发展油页岩原位热解开采技术具有一定意义。     

水泥砂浆孔结构分形特征的研究

利用压汞仪测定了不同水灰比及龄期水泥砂浆的孔结构,通过基于热力学关系的分形模型计算得到了水泥砂浆的孔表面积分形维数,并探讨了孔表面积分形维数与微观孔隙率、孔表面积、平均孔径、中值孔径等其他孔结构参数及砂浆强度之间的关系.结果表明:基于热力学关系的分形模型能够很好地表征水泥砂浆孔隙的复杂程度;孔表面积分形维数与微观孔隙率的相关性较差,而与孔表面积、平均孔径、中值孔径以及强度之间有较好的相关关系;随着孔表面积分形维数的增大,平均孔径和中值孔径减小,孔表面积增加,水泥砂浆的抗折强度及抗压强度增加.基于热力学关系的分形模型计算得到的孔表面积分形维数可作为水泥砂浆孔结构特征的综合评价指标,并且分形维数与其宏观力学性能相关性良好.     

寺河矿区煤储层裂隙定量研究

以寺河矿区煤中裂隙为对象,对煤中裂隙进行了分形研究,探讨了煤中裂隙定量研究的方法,根据所获寺河矿区3号,15号煤中裂隙资料得出15号煤裂隙较3号煤裂隙发育程度高,研究范围内除1.56 mm~100 mm之间的裂隙3号煤层较发育外,其他均以15号煤较发育;3号煤宏观裂隙较发育,15号煤显微裂隙较发育。     

煤岩结构多尺度各向异性特征的SEM图像分析

 多孔介质微、细观结构的非透明一直是阻碍深入认识深部条件下岩体损伤及煤与瓦斯突出机制的难题。为此,基于小波多分辨分析,提出一种复杂孔隙介质微、细观结构的可视化及多尺度、各向异性的精细描述方法。为验证方法的可行性,对不同地区的6种煤岩试样进行扫描电镜观测;应用小波多尺度变换、图像分割、以及图像重建技术对煤样的SEM图像进行“亚像素”尺度分析;利用小波细节系数重建煤基质的水平、垂直、对角占优的微观孔隙图像;计算微孔的孔喉、孔穴随特征尺度的分布密度,以及微孔与节理的孔隙度与分形维数。用小波多分辨分析方法分割的宏观孔隙具有微米量级,微孔具有纳米尺度。各煤样的宏观裂隙的孔隙度与分维数均大于微观孔隙;孔喉特征尺度分布均具有相似的单峰形式,峰值点决定流体运移的阻力;孔穴的特征尺度分布呈现出单峰、或多峰形态,代表流体的储存能力。研究成果为深入认识复杂孔隙结构对岩体非线性力学行为的影响,提供几何边界、结构参数基于显微图像分析的可行方法。     

各向异性片麻岩点荷载与单轴压缩力学特性研究

以水电站的片麻岩为研究对象,对垂直和平行层理的岩样分别进行了点荷载试验和单轴压缩试验,分析片麻岩在这两种试验下的各向异性力学特性,并研究其点荷载强度与单轴抗压强度之间的相关性。研究结果表明:在点荷载和单轴压缩试验中,片麻岩的各向异性力学特征表现得十分明显,垂直层理的强度明显大于平行层理的强度。其破坏模式在两种层理角度下也存在显著的差异,并且片麻岩点荷载强度指数I_s(50)与单轴抗压强度R_c之间的修正指数m和换算系数也有明显的不同。片麻岩在垂直层理下的修正指数m=0.44,换算系数为29.78,平行层理下m=0.42,换算系数为33.04。     

页岩水力压裂微裂纹扩展演化试验研究及力学机制分析

水力压裂技术在页岩气开采行业中应用广泛。然而，到目前为止压裂条件下裂纹扩展及渗透的力学机制尚不清楚。基于此，对页岩试样的水力压裂缝扩展演化及层理面激活的室内试验进行统计分析及力学机制的探讨。试验结果表明，页岩试样断面所观察到的微观尺度上的微裂纹并非宏观流体压力所致，因在试验中发现在微裂纹张开处产生压应力，与之相反的是：微裂纹是由扩展断裂前的拉应力集中产生的，这也意味着层理面激活是由沿层理面的裂缝扩展引起的。此外，对微裂纹长度的统计分析表明，页岩在断裂韧性方面表现出各向异性，并且垂直于层面的断裂扩展阻力比平行于层理面的断裂扩展阻力要大2倍之多。     

基于波速测量的龙马溪组页岩的各向异性研究

随页岩气开采大力发展,对页岩的认识也逐显重要。页岩作为明显的层状结构岩石,普遍表现出各向异性。为此,基于横观各向同性介质模型,通过测量岩样不同方向的纵波波速和快慢横波波速,计算了长宁区块龙马溪组岩样的刚度系数与弹性系数,并与静载荷试验测定的弹性参数做出对比。试验结果表明,页岩的纵波波速以及快慢横波波速均表现出各向异性,并且随围压升高,波速升高速率变缓。岩样的杨氏模量与泊松比亦表现出各向异性,水平方向上的杨氏模量始终高于垂直方向上的杨氏模量,而3个方向的泊松比不一致。动态加载测试值与静态加载测试值随围压变化趋势一致,并且随围压升高,由孔隙和微裂缝引起各向异性减弱。考虑页岩中微裂缝的存在,通过弥散损伤模型计算龙马溪组页岩的损伤参数,认为在围压作用下微裂缝主要存在于平行层理面方向,围压对垂直层理面的裂缝影响较小。