GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2018/1869458 1869458 研究文章 数值模拟岩石节理的剪切行为和渗透率演化变量粗糙度和填入厚度 http://orcid.org/0000 - 0001 - 9679 - 8421 程 焊接 1 2 http://orcid.org/0000 - 0002 - 1636 - 2204 张 宏伟 2 3 http://orcid.org/0000 - 0002 - 6787 - 148 x 王ydF4y2Ba 新 2 王 温 1 国家重点实验室的煤炭资源与安全开采 中国矿业大学和技术 徐州 江苏221116年 中国 cumt.edu.cn 2 深部煤炭资源开采的重点实验室(CUMT) 中国的教育部 矿业学院 中国矿业大学和技术 徐州 江苏221116年 中国 cumt.edu.cn 3 能源和矿产工程的部门 EMS能源研究所 和G3中心 宾夕法尼亚州立大学 大学公园 PA 16802 美国 psu.edu 2018年 13 12 2018年 2018年 06 07年 2018年 13 11 2018年 13 12 2018年 2018年 版权©2018程焊接等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

的力学性能和渗透率演化sand-infilled岩石节理剪切过程中岩石工程是一个重要的问题,比如它属于液压骨折支撑剂。剪切可以扰乱现有液压和机械平衡条件,从而影响流体流动。在这项研究中,我们模拟岩石节理的剪切行为变量粗糙度和沙子填满厚度使用分立元件代码土坡。岩石节理粗糙度是评价节理粗糙度系数(JRC),和沙子填满厚度厚度比(即评估。,加密厚度比岩石高度)从0.02到0.20不等。结果表明,峰值抗剪强度随厚度比例关系,可以表达一个双曲函数。我们也测量渗透率演化在剪切和发现填充岩石的渗透性关节增加厚度比和联合研究中心。

 中央大学基础研究基金 2017年xkzd06 中国矿业大学和技术 SKLCRSM15X05 中国国家自然科学基金 51674242 51604267 1。介绍

机械和液压特性具有重要意义的岩石节理岩石工程,包括近场建模激活故障( 1- - - - - - 3)、石油、页岩和地热储层( 4- - - - - - 9]。剪切刺激现有的裂缝网络被认为是渗透性增强方法在地热系统 10- - - - - - 12]。类似于断裂带(数字 1(一)和 1 (b))连续填充沟层( 13, 14),风化关节(图 1 (c))通常是充满了未变形的矿物质,可以显著影响岩体的力学性能和磁导率( 15]。满不连续的剪切行为和渗透率岩石是由几个参数,包括加密厚度和关节表面粗糙度( 16- - - - - - 18]。尽管联合粗糙度和加密厚度的影响岩石力学研究之前,这些参数的耦合效应的力学行为和渗透率演化了不连续很少报道。

(a)的三维示意图中岩体剪切的加密。(b)的照片错误与内部填充材料的一致性(修改柯克兰et al。 66年])。(c)联合充满了粘土矿物的照片。

剪切破坏发生在摩擦达到阈值。sand-infilled岩石联合可以显著降低岩体的剪切破坏强度,和填充材料可以主导完整岩石的剪切行为由于其相对较低的摩擦特性 19- - - - - - 22]。加密厚度起着至关重要的作用在估算岩体的力学行为。具体来说,厚加密意味着更小的峰值抗剪强度( 23, 24]。提出了几个模型来预测填充接头的峰值抗剪强度考虑加密厚度之比( t一种理想化的高度(即)。,regular or planar) joint wall asperity ( 一个)[ 25- - - - - - 29日]。在这些模型中,抗剪强度降低 t之前达到临界值 吨/年。然而,自然岩石节理一般起伏的表面,和粗糙度的阻力可能构成显著差异的假设的光滑表面。因此,它是很难估计的自然接头的剪切强度,因为合理的 吨/年比例是不容易确定。

为了描述天然节理粗糙度,巴顿( 30.]介绍了节理粗糙度系数(JRC),它从0到20,最顺利的大致对应关节表面。基于联合研究中心,巴顿和Choubey 31日)建立了一个经验法则的岩石节理摩擦估计岩石节理的抗剪强度。大量的后续研究进行调查抗剪强度标准( 32- - - - - - 35),力学性能( 36- - - - - - 39),和填充孔隙度和/或渗透率演化关节( 40- - - - - - 43]。耦合剪切流实验的一个岩石联合也被执行联合剪切变形的影响研究岩石的渗透率演化关节( 44- - - - - - 52]。具体地说,你们等人进行了一系列的小说剪切刺激实验来探测岩石渗透性增强关节的基本原则。实验结果表明,膨胀变形的剪切变形和裂缝传播是两个至关重要的和渗透率积分机制创建在岩石关节。

流体通过一个粗糙的断裂随剪切位移。更具体地说,岩体的渗透率随加载压力和增加shear-induced扩张。然而,研究耦合的求助申请和加密厚度对渗透率的影响在文学进化是低估了。在这项研究中,我们数值模拟填充岩石节理的剪切过程使用颗粒流软件代码(PFC)。本文的组织结构如下:介绍了数值方法截然不同的元素和材料参数的部分 2,仿真过程中所示部分 3,结果与讨论部分中介绍 4。最后,几个重要的结论是在部分 5。

 2。数值方法和材料参数 2.1。民主党和土坡的描述

离散单元法(DEM)是基于解决牛顿第二运动定律粒子的组装与一个预定义的本构模型应用于grain-grain联系人( 53]。颗粒流代码2 d(土坡)是一种二维程序基于DEM理论( 54, 55]。在土坡,粒子是理想化的刚性粒子相互作用的关系。

土坡的计算周期是一种时域算法,和更新接触力-位移法。颗粒接触时,接触力计算的函数相对位移和刚度指定。线性关系可以表示如下: (1) F 我 n = K n U n n 我 , Δ F 我 年代 = K 年代 Δ U 我 年代 , 在哪里 F 我 n 代表总法向力, K n 是正常的刚度, U n 是完全正常的位移, n 我 是单位接触平面的法向量, Δ F 我 年代 是相对剪切力, K 年代 和 Δ U 我 年代 分别剪切刚度和相对剪切位移。

为sand-infilled不连续,我们只考虑颗粒的摩擦部分。因此,直接剪切数值模拟中,剪切滑移时反复检查接触力超过了最大允许剪切接触力。 (2) F 我 年代 ≥ F 马克斯 年代 = μ F 我 n , 在哪里 μ 代表接触的摩擦系数。

 2.2。接触债券模型

数值模拟标本包括两组,完整的岩石和加密,表示为黄色和红色粒子,分别在数字 2(一)和 2(b)。与关节都被表示为一个完整岩石胶结颗粒的不均匀材料。真正的水泥存在于沉积岩,而颗粒结晶岩联锁(如花岗岩)可以认为是名义上的水泥。平行债券提供的机械行为做两个接触之间的物质粒子( 56]。平行债券与线性组件和组件行为建立了弹性件(图之间的交互 2(c))。平行键,可以传输两块之间的力和力矩,已成功用于估算岩石的力学行为 57- - - - - - 59]。

填充联合和接触模型。(a)数值模拟试样填充接头。黄色和红色粒子代表完整岩石和加密,分别。(b)放大图的照片 2(一个)。(c)线性平行接触债券模型的组件。

 2.3。渗透性增强模型

一个s形对数函数是用来说明了渗透率与剪切位移曲线( 60]。 (3) k = k 马克斯 1 + 经验值 ln n ⋅ 1 − 2 ⋅ d − d 5 / d 95年 − d 5 , 在哪里 k 马克斯 在渗透率最大增量, k 渗透率的变化, d 剪切位移, n 是一个常数相关材料的本征性质,然后呢 d 5 和 d 95年 是剪切位移的渗透性增强发生总数的5%和95%,分别。

根据方程( 3),相对渗透率的差异 (4) k k 0 = k 马克斯 / 1 + 经验值 ln n ⋅ 1 − 2 ⋅ ε − ε 5 / ε 95年 − ε 5 k 0 。

结合方程( 3)和( 4),我们得到 (5) ϕ = ϕ 马克斯 1 + 经验值 ln n ⋅ 1 − 2 ⋅ ε − ε 5 / ε 95年 − ε 5 。

方程( 4可以重新安排 (6) k k 0 = 1 + ϕ 马克斯 1 + 经验值 ln n ⋅ 1 − 2 ⋅ ε − ε 5 / ε 95年 − ε 5 − ϕ 马克斯 1 + 经验值 ln n ⋅ 1 − 2 ⋅ ε 0 − ε 5 / ε 95年 − ε 5 3 , 在哪里 k 0 初始磁导率, ε 是剪切应变, ε 5 和 ε 95年 是剪切应变的渗透性发生总数的5%和95%,分别和 n = 11.0。

 2.4。材料参数

如图 2(一),数值模拟花岗岩标本由上部和较低部分和填充材料(假定nonbonded分配一个零键的强度)。颗粒的弹性行为大会是由分配的有效模量和normal-to-shear粒间接触刚度比。球平均、最大、最小半径 3.9 × 10 − 3 米 米 , 3.0 × 10 − 3 米 米 , 4.8 × 10 − 3 米 米 ,分别。每个球都有至少三个联系人与其他相邻的球,球没有接触算法被确认为飞蚊。不同的材料参数,包括normal-to-shear刚度比、校准杨氏模量和单轴抗压强度(UCS)表中列出 1。

机械和物理参数的花岗岩和加密。

花岗岩 填充砂 单位
密度 2600年 2000年 公斤/米3
半径 3 × 10 − 3 ~ 4.8 × 10 − 3 3 × 10 − 3 ~ 4.8 × 10 − 3 毫米
平均半径 3.9 × 10 − 3 3.9 × 10 − 3 毫米
颗粒间的摩擦 0.577 0.577 N /一个
Normal-to-shear刚度比 2.5 1。0 N /一个
平行债券有效模量 5 5 平均绩点
平行键抗拉强度 60 0 MPa
平行债券凝聚力 120年 0 MPa
校准杨氏模量 30.0 0 平均绩点
校准UCS 181年 0 MPa
3所示。数值模拟设计

直接剪切的配置包括两套密集的颗粒不均匀的尺寸和泥夹在他们(图 3(a))。两组代表了上部和下部岩石,分别。4811年民主党的造型,粒子挤在一个矩形框的长度60毫米和40毫米的高度。的资料填充大会被认为合适的五个典型节理粗糙度曲线( 31日]。在剪切试验的数值模拟,五组的标本(即。T1 T5)被压实,五个典型的求助申请(即。,0 - 2,4 - 6,8 - 10,14 - 16,18 - 20) and five infill thickness ratios ranging from 0.02 to 0.2 were considered (Figure 3(b))。仿真参数表中列出 2。图 4展示了几个组装标本与变量粗糙度和加密厚度。

仿真设计和分配加密配置文件与不同的联合粗糙系数(求助申请)。(a)的高度和宽度模拟标本40毫米和60毫米,分别。的上半身标本搬到在一个恒定的剪切速率,而下部由伺服机构在墙保持恒定的正常压力。(b)概要文件的求助申请。

仿真参数。

集团 样本数量 联合研究中心 加密厚度比 t / h 剪切速度(毫米/秒) 正应力(MPa)
T1 T1-1 ~ T1-5 0 - 2 0.02,0.05,0.10,0.15,0.20 0.1 20.
T2 T2-1 ~ T2-5 4 - 6 0.02,0.05,0.10,0.15,0.20 0.1 20.
T3 T3-1 ~ T3-5 8 - 10 0.02,0.05,0.10,0.15,0.20 0.1 20.
T4 T4-1 ~ T4-5 14 - 16 0.02,0.05,0.10,0.15,0.20 0.1 20.
T5 T5-1 ~ T5-5 18 - 20 0.02,0.05,0.10,0.15,0.20 0.1 20.

典型的加密模拟样本的分布。(a - 1) - (a - 3)标本同等JRC的0 - 2和加密厚度比率( t / h)的0.02、0.1和0.2,分别。(b - 1) -(酮)与平等的JRC的8 - 10和标本 t / h分别为0.02,0.1和0.2。(颈- 1)-(颈)等于JRC的18 - 20和标本 t / h分别为0.02、0.1和0.2。

模拟标本压实和测试如下:(1)生成的岩石标本,(2)识别的粗暴的加密一定厚度和联合研究中心,(3)清除浮动粒子,(4)应用线性平行接触债券完整岩石和填补,(5)应用程序的一个常数正应力20 MPa在墙上使用伺服控制算法在所有数值,(6)剪切的上半部分使用剪切速率的0.1 mm / s,和(7)剪切过程的终止时剪切应变达到0.10。在剪切过程中,机械和物理参数(例如,剪切应力和孔隙度)实时记录。

 4所示。结果与讨论

我们的数值模拟结果表明,岩石的抗剪强度和渗透率的演化关节强烈相关加密厚度比( t / h)和联合研究中心。部分 4.1描述了厚度比的影响在填充接头的剪切行为,和部分 4.2演示的耦合影响厚度比和联合研究中心的渗透率演化。

4.1。影响t <斜体> < /斜体> / <斜体> h < /斜体>填充接头的剪切行为 以下4.4.1。峰值和残余剪切强度

图 5说明了剪切stress-shear应变曲线填充标本的各种厚度比率和求助申请。附近的剪切行为显示了峰值抗剪强度放大图,即。,数据 5(a) - 5(飞行)。峰值抗剪强度前,弹性和屈服阶段增加迅速,剪切stress-shear应变曲线经历在达到峰值强度逐渐下降。

剪切stress-shear应变曲线和峰值抗剪强度模拟标本。面板(a - 1)、(b - 1)(颈- 1)(d 1),和(e 1)剪切stress-shear应变曲线填充关节的求助申请0 - 2,4 - 6,8 - 10,14 - 16和18 - 20。面板(a)、(b - 2) (c - 2) (d2)和(飞行)峰值剪切强度的模拟标本来源于面板(a - 1)、(b - 1),(颈- 1)(d 1),和(e 1)。

可以看到数据 5(a) - 5(飞行),更大的加密厚度比意味着更高的峰值剪切应变。同样,残余剪切强度与加密厚度比增加。然而,后残余剪切强度是相似的一个相对高超过厚度比(例如, t / h = 0.10 )。因此,剪切强度主要由加密和趋势稳定值( 26]。

峰值和残余剪切强度是绘制在图 6(一)和 6 (b)分别和模拟数据表中列出 3。更高的厚度比显然意味着更小的峰值抗剪强度,这与先前的研究一致( 22, 23, 61年]。临界厚度为0.05的峰值抗剪强度与厚度比曲线分为两个阶段。临界值之前,峰值抗剪强度急剧下降随着厚度比增加,虽然略有下降可以被识别。有趣的是,残余剪切强度高,对应于一个更大的厚度比,观察到在达到临界厚度比为0.10。

加密厚度之间的关系比和规范化的剪切和残余力量。(一)标准化的峰值抗剪强度和厚度比。(b)规范化残余剪切强度和厚度比。

归一化峰值和残余剪切强度。

厚度 归一化峰值抗剪强度 归一化残余剪切强度
联合研究中心 联合研究中心
0 - 2 4 - 6 8 - 10 14 - 16 18 - 20 0 - 2 4 - 6 8 - 10 14 - 16 18 - 20
0.02 0.63 0.615 0.625 0.645 0.955 0.18 0.155 0.225 0.135 0.25
0.05 0.57 0.562 0.705 0.6 0.66 0.38 0.26 0.375 0.255 0.35
0.1 0.545 0.545 0.665 0.63 0.64 0.4 0.335 0.44 0.355 0.46
0.15 0.555 0.56 0.615 0.57 0.63 0.435 0.36 0.48 0.325 0.47
0.2 0.54 0.545 0.6 0.545 0.61 0.435 0.37 0.515 0.37 0.47
4.1.2。峰值抗剪强度模型

填充材料关节可以降低岩体的峰值抗剪强度。更具体地说,一个厚加密意味着更小的剪切强度( 23, 24]。抗剪强度和厚度比之间的关系可以通过以下函数表达( 26]: (7) τ σ n f 我 l l e d = τ / σ n c l e 一个 n 或 u n f 我 l l e d + Δ τ σ n , Δ τ σ n = t / 一个 α t / 一个 + β , 在哪里 τ / σ n 是填充或空缺的规范化抗剪强度岩石关节, △ τ 是压力的变化(MPa), σ n 是正常负载(MPa), t 加密(m)的厚度,然后呢 一个 是指岩石的高度(米),是一个常数。 α 和 β 是常数取决于正常负载和表面粗糙度,及其大小可以通过模拟数据的回归。

根据双曲线函数,Indraratna et al。 24)开发了一个概念性的归一化填充接头抗剪强度模型,可以表示为 (8) τ σ n = 棕褐色 ϕ p × 1 − 米 × t t c r 一个 + 棕褐色 ϕ f × 2 1 + t c r / t / 米 b , 在哪里 φ p 是完整岩石的摩擦角, k c r 是加密厚度比临界厚度( k c r = t / t c r ), φ f 填入材料的摩擦角, 米 , 一个 , b 是常数。根据方程(曲线拟合 8)和关键回归参数呈现在图 6(一)。列出了力学参数表 3。

 4.2。耦合的影响t <斜体> < /斜体> / <斜体> h < /斜体>和填充的渗透率演化关节联合研究中心 4.2.1。准备渗透率演化

膨胀或压缩通常发生在直剪试验( 31日, 62年),就能产生实质性的影响在填充岩体的渗透性演化,这在物理实验中可以直接测量通过监测标本层厚度的变化。虽然渗透率和孔隙度密切相关,孔隙度的演变是困难的在真实的实验观察。

假设岩石矩阵只以为不透水和流体流经多孔填充物空白空间内的骨折。渗透率通常是增强在剪切滑移和扩张。为了说明渗透率和剪切应变之间的关系,我们采用现有的模型来预测渗透率的填充关节通过迭代得到孔隙度。提出的模型•西格尔画和大米( 63年)使用测试数据从Marone et al。 46]表明,渗透率演化可以估计孔隙度或标本厚度( 64年, 65年]。磁导率的估计可以表示如下: (9) k k 0 ≅ 1 + Δ H H 3 , (10) Δ H H ≅ Δ ϕ = ϕ − ϕ 0 , 在哪里 k / k 0 相对渗透率的差异, △ H / H 试样厚度的相对差异, △ ϕ 在孔隙度的相对差异。

根据方程( 9)和( 10)、相对渗透率的差异(为方便起见,称为渗透)。渗透率如图的进化 7。很明显,渗透率增加大约线性增加剪切应变达到屈服前阶段。然而,渗透率往往保持在临界剪切应变达到稳定值。厚度比有关键影响的渗透性岩体节理填充。更具体地说,磁导率与厚度比增加。模拟数据包括在表中 4。

典型的相对渗透率的差异与剪切应变与不同节理粗糙度系数(jcr) (a) 0 - 2, 4 - 6 (b), (c) 8 - 10, (d) 14 - 16和18 - 20 (e)。

厚度比的影响( t / h)和节理粗糙度系数(JRC)收益率渗透率。

厚度比 联合研究中心
0 - 2 0 - 2 0 - 2
t / h k / k0 t / h k / k0 t / h k / k0
0.02 1.07 0.02 1.07 0.02 1.07
0.05 1.15 0.05 1.15 0.05 1.15
0.1 1.24 0.1 1.24 0.1 1.24
0.15 1.31 0.15 1.31 0.15 1.31
0.2 1.35 0.2 1.35 0.2 1.35

如图 7之前,渗透率增加迅速,剪切应变达到屈服阶段,在此期间渗透趋势一个常数值。之间的关系相对渗透率的差异和剪切位移可以表示为一个s形的对数函数方程所示( 6)。校准曲线绘制在图 7。递减曲线结果与模拟值吻合很好。此外,增加阶段,产量阶段,稳定阶段也说明。

 4.2.2。影响t <斜体> < /斜体> / <斜体> h < /斜体>和联合研究中心的渗透率演化

图 8和表 4显示,联合研究中心和厚度比的影响相对渗透率的差异。很明显,渗透性增加 t / h和联合研究中心。渗透率与厚度比曲线,渗透率增加迅速开始;然而,增长比例达到峰值后逐渐降低渗透率。这个结果是一致的发现Marone et al。 46]。

的影响(一)厚度比( t / h)和(b)节理粗糙度系数(JRC)渗透率演化。

渗透率随厚度比和联合研究中心,可以用以下两个原因来解释。首先,宽松的媒体在关节可以假定为地质构造上压碎岩材料或分解或关节风化的产物,和关节面之间的粘结强度为零 23, 24]。填充材料的颗粒粘结,但仍然可以抵制通过表面摩擦,这意味着这些粒子会重新安排在整个测试。这种重排应用正应力和节理粗糙度的影响。重组活动会更强烈更厚的加密,这可能导致更大的孔隙度变化粒子机械降解。其次,我们可以看到从图 8 (b),联合研究中心的对应更大更高渗透率大联合扩张可能会相对更高的联合研究中心。

 5。结论

本文联合研究中心的耦合效应和sand-infilled厚度剪切行为和渗透率演化进行数值模拟研究了使用土坡。五组不同粗糙度的求助申请采用代表关节,和五组加密厚度比率是用来研究加密厚度的影响剪切行为和渗透率演化。可以得出一些重要的结论。

峰值和残余剪切强度测定的直接剪切试验,模拟和加密厚度的影响意义重大。峰值抗剪强度减少的厚度比双曲函数的形式。临界厚度比为0.05的厚度ratio-peak剪切强度曲线分为两个阶段,即:,大幅下跌阶段和轻微下降阶段。然而,残余剪切强度随厚度比例达到临界厚度比之前,之后残余剪切强度趋势指向一个常数值

渗透率演化直接剪切试验期间可以使用相对估计孔隙度的差异。渗透率是增强通过增加剪切应变,反曲的对数函数可以用来说明他们的关系

厚度比和联合研究中心的耦合影响填充岩石的渗透率演化关节。更具体地说,渗透率随厚度比( t / h)和联合研究中心。磁导率和厚度比曲线表明,起初渗透率显著增加;然而,增长比例逐渐降低,当厚度比达到一个临界值

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 作者的贡献

宏伟张了同样的工作。

 确认

这项研究得到了国家自然科学基金(格兰特数字51604267,51604267),煤炭资源安全开采的国家重点实验室,CUMT(批准号SKLCRSM15X05),中央大学和基础研究基金(批准号2017 xkzd06)。

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