GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2020/8811003 8811003 研究文章 流体力学的耦合特征的断裂的砂岩在循环装卸 https://orcid.org/0000 - 0003 - 3494 - 6331 张 通 1 2 3 https://orcid.org/0000 - 0002 - 7014 - 4187 刘 杨 1 2 杨 柯 1 2 3 唐 明 1 2 余 香 1 2 余 范 1 2 首歌 正阳 1 国家重点实验室的矿业响应和灾难预防和控制煤矿深处 安徽科技大学 淮南 安徽232001年 中国 aust.edu.cn 2 采矿与安全工程学院 安徽科技大学 安徽232001年 中国 aust.edu.cn 3 能源研究所 合肥综合国家科学中心 安徽 合肥230031年 中国 2020年 31日 10 2020年 2020年 27 8 2020年 15 9 2020年 24 9 2020年 31日 10 2020年 2020年 版权©2020通Zhang et al。 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。

机械和液压特性的岩体地下工程中发挥着至关重要的作用。水压的影响,研究围压,和轴向循环装卸裂隙岩体变形和渗透率的变化,进行了砂岩的三轴实验的耦合。渗透率恢复率的概念(PRR)和渗透性增强减速率(穗青葱)提出了描述渗透率的变化。结果表明,裂隙砂岩的渗透性随平方液压压力和围压应力的变化。在细节中,渗透率随液压的减少和增加围压应力的减少,分别。单处骨折的渗透率相比,双重骨折渗透水压的变化更敏感。此外,破碎砂岩的渗透率比限制更依赖于液压压力。随着轴向循环装卸的性能,渗透率螺旋下降,轴向和径向演变成平方剩余压力。第一轴向循环装卸后,一个明显的形变记忆现象的特征是一个平行四边形的形状在轴向应力-应变曲线观察砂岩。保持在85% - -95%的累积PRR双重骨折砂岩。 On the contrary, a fluctuation of cumulative PRR characterized by “V shape” was observed for single-fracture sandstone. The enhancement effect of axial cyclic loading on the permeability was characterized by the decrease of PERR for double-fracture sandstone and increase of PERR with a greater gradient for single-fracture sandstone.

 中国国家重点研究和发展项目 2016年yfc0600708 2016年yfc0801401 安徽大学科学研究的基础 QN2018108 安徽省自然科学基金 1908085 qe183 国家青年科学基金 51904011 1。介绍

了解岩体的机械和液压特性对地下工程的安全至关重要,如深隧道工程( 1],地热提取[ 2- - - - - - 5)、放射性废物处理( 6- - - - - - 8)有限公司2地质储存( 9- - - - - - 11],深层煤矿[ 12, 13),和地下水库 14]。流体流动主要发生在层由大量的自然和人类activity-induced骨折和容易受到高应力的变量( 15]。满足广泛利用的能源资源,地下开采利用了向更深的外壳( 16]。因此,最近的研究在geo-mechanical裂隙岩体和流体力学的机制广泛研究地下活动。

渗透系数作为重要指数裂隙岩体和流体力学的耦合效应被广泛使用理论分析调查,字段和实验室测量和数值模拟( 17]。岩石的裂隙岩体的变形矩阵和骨折引起的流体力学的耦合的效应也显著影响流体的渗透和扩散。由于岩石矩阵的高强度,断裂的变形比岩石更敏感矩阵stress-dependent畸形( 18]。等效连续和离散单元算法用于描述裂隙岩体的反应压力和液压变化( 19- - - - - - 21]。相当大的努力一直集中在流动行为,包括达西和非达西流,裂隙岩体和流体力学的耦合的影响( 22- - - - - - 25]。此外,这项研究在变形粗糙壁裂缝渗透率的变化受断裂几何的变化也可以执行( 26, 27]。

岩体,由矩阵和骨折,常受到矿山压力(循环或动态载荷)深陷煤矿。研究循环的影响是很重要的开采岩层应力,这将有利于预测煤矿动力灾害。因此,力学和渗流特性不同的岩石在复杂应力条件下,特别是在循环加载和卸载,收到了广泛的关注( 28, 29日]。为等幅循环装卸,陈等人。 30.]研究了砂岩在不同循环荷载下的变形模量和发现的切线模量和泊松比显示形状不对称的“X”和卸载模量的均值大于加载正弦波周期负荷条件下的模量。Fuenkajorn和Phueakphum 31日)实验研究了变形参数和盐的作用下岩石的单轴抗压强度周期装卸。刘和他( 32, 33]研究残余轴向和体积应变特征变量围压应力和频率和砂岩的退化过程描述与损伤变量周期装卸。刘等人。 34)实验研究了围压应力循环荷载作用下裂缝砂岩的渗透率变异。在不同的压力水平或分层循环周期装卸装卸,刘等人。 35)进行了不同应力水平循环荷载试验来实现盐岩石的损伤演化和建立一个公式来描述损伤的演化。赵et al。 36]研究了变形和渗透性砂岩与循环加载和卸载的不同的卸率。随着循环次数的增加,渗透率曲线的形状是∞类型。轴向应变的变化之间的关系,卸货速度,和加载应力可以用幂函数描述。江et al。 37)实验研究了渗透率的演化,声发射,和能量耗散的分级循环加载条件下含煤,相对过程通过定义描述渗透率恢复率、阻尼比、声发射能量率和环计数率,开发煤损伤变量方程。段et al。 38)进行了流体力学的实验分析残余应变之间的内在关系,渗透率、声发射、能量耗散围压应力循环下的含煤unloading-loading。现有的研究主要集中在完整的岩石样本,虽然有罕见的报道下的变形和破碎岩石的渗透性演化循环装卸。

在这项研究中,砂岩由单处骨折和骨折的实验流体力学的双重骨折。断裂的变形和渗透性砂岩受水压的变化,围压应力,轴向周期装卸调查和定量分析基于渗透率恢复率(PRR)和渗透性增强减速率(穗青葱)。

 2。实验方法 2.1。实验原理

在实验过程中,我们假设(1)渗透水是一种不可压缩的液体;(2)稳定渗流在恒定的压力下被视为连续渗流;和(3)低渗透砂岩,骨折的实验过程中渗流遵循达西定律。渗透率公式表达如下: (1) k = μ l V 一个 Δ P Δ t , 在哪里 k 渗透率(m2); V 是流入体积渗流流体的时间吗 Δ t(m3); μ是动态粘度的水, μ = 1 × 10 − 3 巴勒斯坦权力机构 ∙ s ( T = 20. ° C ); l 是岩石样品的长度(米); 一个 是岩石样品的横截面积(m2); Δ P水力压差(Pa);和 Δ t是时间的增量(年代)。

 2.2。样品制备

实验样本的维度 50 毫米 × One hundred. 毫米 ( 直径 × 长度 )。密度和孔隙度的物理性质是2350公斤/米3和7.78%,分别。与单个断裂裂隙岩体的100度相对于水平面夹角和两个互相垂直的裂缝的100度倾斜角度和90度相对于水平面夹角是通过巴西分割测试,如图 1。的具体力学性能完整的砂岩在不同围压应力如表所示 1。

断裂的样品:(a)单处骨折;(b)双重骨折。

砂岩的力学性能。

样品没有。 围压(MPa) 峰值强度(MPa) 泊松比 弹性模量(GPa) 凝聚力(MPa) 摩擦角(°)
1 5 109.42 0.23 6.35 14.76 48.93
2 15 170.67 0.19 9.01
3 25 225.69 0.18 13.37

流体力学的测试是由三轴实验流体力学的耦合系统,如图 2。三轴实验流体力学的耦合系统包括一个三轴细胞和液体喷射泵。围压应力的范围、轴向压力和液压0-60 MPa, 0 - 600 MPa,分别和0 30 MPa。具体实验过程呈现在图 3。

三轴实验流体力学的耦合系统。

三轴实验流体力学的耦合过程。

 2.3。测试计划

研究变形和流体电导率的进化受到水压的变化,围压应力,装卸和周期,破碎砂岩被加载到三轴室受到复杂的三轴加载路径,它由三部分组成。在第一部分,轴向和围压最初36 MPa的静水压力加载速率为0.1 MPa / s,和水压力从4.3减少到0.4 MPa的梯度0.86 MPa。在第二部分,轴向和从36围压降低到18.5 MPa的梯度2.5 MPa,同时保持0.4 MPa的液压。最后,轴向循环装卸压力设置为21.6 MPa的增量在每个周期。具体加载路径如图 4。

三轴加载路径进行测试。

 3所示。实验结果和讨论 3.1。液压压力和围压应力的影响

1号和2号的实验过程中的变形很小,这并不是这项研究的重点。因此,第一和第二部分的变形不节中详细分析了本研究 3.1。

3.1.1。渗透率和液压压力之间的关系

渗透率之间的关系和液压图所示 5。双重骨折的渗透性砂岩几乎是三倍的单处骨折初始应力条件下砂岩。与液压的减少,单和双重骨折样品的渗透率逐渐降低二次函数。与单处骨折砂岩相比,双重骨折砂岩对水压的变化更敏感。这表明渗流通道的破碎砂岩缩小液压压力的降低,导致渗透率的降低。此外,双重骨折砂岩的减少大于单处骨折砂岩,由于更多的双重骨折骨折退出砂岩。

渗透性砂岩在不同液压骨折的进化压力。

 3.1.2。磁导率和围压应力之间的关系

图 6描述了裂隙砂岩的渗透率的变化受围压应力的变化在一个恒定的液压。与围压应力的减少,单和双重骨折砂岩渗透率的增加缓慢的二次函数。在每个阶段和双重骨折的渗透性砂岩是单处骨折砂岩的2.7倍。这是表明砂岩骨折的围压应力的影响是相对有限。

渗透性演化的破碎砂岩在不同围岩压力。

 3.2。影响轴向循环装卸 3.2.1之上。变形和渗透率的演化特征

图 7显示了轴向应变的关系,轴向应力,裂缝性砂岩的渗透性在轴向循环加载和卸载的过程。单处骨折砂岩,轴向循环装卸,轴向和径向压力逐渐增加,相关渗透率迅速升级了压实阶段,慢慢地在弹性和塑性阶段。然而,略有双重骨折砂岩的渗透率的变化与轴向循环加载和卸载。此外,两单的轴向应力-应变曲线和双重骨折砂岩大约一个平行四边形的形状第一次循环后,显示明显的变形内存特性。

为破碎砂岩应力应变和permeability-axial应变曲线在轴向循环装卸:(一)单处骨折砂岩;(b)双重骨折砂岩。

每个周期阶段的变形与渗透特性提出了数字 8和 9。在第一个周期,装载和卸载曲线单处骨折砂岩和砂岩双重骨折并没有形成一个闭环,观察和大量的残余变形,导致岩石材料的非线性特性和损害赔偿的人工骨折( 36]。相应的渗透率急剧减少,没有完全恢复轴向加载和卸载。单处骨折砂岩,交叉渗透曲线的加载和卸载状态观察在第二个周期,而这不是双重骨折砂岩中发现。这一现象表明骨折是具压缩在第二周期。因此,流动通道缩小,渗透率降低步进式。在第三周期,单处骨折砂岩的渗透率曲线和双重骨折与装卸砂岩逐渐减少,表明骨折和次生裂缝也压缩在第三周期。第三个周期后,reexpansion现有的骨折和二次裂纹的生成主要装卸过程。压缩流渠道扩大在液压的作用下。因此,相应的单一和双重骨折砂岩渗透率逐渐增加。最后,轴向应力-应变和permeability-axial应变曲线单和双重骨折砂岩在第五装载有类似的趋势。

应力-应变和permeability-strain单处骨折砂岩在不同周期的曲线:(a)第一个周期;(b)第二周期;(c)第三周期;(d)第四周期;(e)第五加载。

应力-应变为双重骨折砂岩在不同周期和permeability-strain曲线:(a)第一个周期;(b)第二周期;(c)第三周期;(d)第四周期;(e)第五加载。

 3.2.2。轴向残余应变和轴向周期应力之间的关系

定量分析的不可恢复的变形破裂砂岩受轴向循环装卸,累积残余应变,由轴向和径向残余压力定义。和累积残余应变 ε j π 表示为( 38]: (2) ε π j = ε 我 j − ε 1 j , 的标 j 1和3表示轴向和径向方向,分别; ε 我 j 的压力吗 我 th循环轴向应力时36 MPa, %;和 ε 1 j 是36 MPa的初始轴向应力应变,%。

图 10反映了累积残余应变之间的关系和循环加载轴向应力的增加。沿轴向和径向方向,累积残余压力增加的二次函数形式的荷载增量增加轴向压力。的累积轴向残余应变和径向残余应变的双重骨折砂岩,残余应变增量的增加显著的第一个周期,然后慢慢增加。相反,当轴向应力很小的增量,单处骨折很小的累积径向残余应变梯度略有增加。径向残余应变急剧增加在第二次循环。一般来说,剩余压力的变化可分为两个阶段:急剧上升阶段和缓慢增加阶段。

残余应变在不同循环加载梯度:(a)累计轴向残余应变;(b)累积径向残余应变。

 3.2.3。进化的渗透率恢复率(PRR)和渗透性增强减少利率(穗青葱)

定量描述破碎岩石的渗透率变化引起的轴向循环装卸和循环荷载增强 σ 1= 108 MPa, PRR和穗青葱的概念,提出了分别。PRR被定义为渗透率的比值在每个周期卸货后的渗透率初始加载时间(累计PRR)或在最后卸货后循环(相对PRR)。同样,穗青葱的定义是渗透在每一个循环荷载的比例在108 MPa的渗透率在初始加载108 MPa(累积穗青葱)或在最后循环荷载为108 MPa(相对穗青葱)。和公式计算累积PPR (CPRR)和累积穗青葱(CPERR) λ j c 和相对PRR (RPRR)和相对穗青葱(RPERR) λ j r 如下: (3) λ c j = k 我 k 1 × One hundred. % , (4) λ r j = k 我 + 1 k 我 × One hundred. % , 的标 j = 36 和108年表明PPR和穗青葱,分别 k 我 渗透在吗 我 th循环装卸和加载轴向应力时36 MPa和108 MPa,分别2。 k 1 初始轴向应力时对应的渗透率是36 MPa和108 MPa第一次分别m2。

图 11显示之间的关系PRR和轴向循环加载和卸载。在循环装卸过程中,单处骨折的CPRR砂岩逐渐减少。这种变化主要是由于不断增加的负载压力。随着轴向压力的不断增加,渗流通道,主要包括压缩毛孔和骨折,逐渐缩小。和双重骨折的CPRR砂岩是稳定在85%—-95%之间,而单和双重骨折的RPRR砂岩显示了一定的波动。这表明双重骨折渗透性砂岩的应力敏感性是低于单处骨折砂岩,因为它有更多的渗流通道。

渗透率恢复在不同周期:(一)累积渗透率恢复率;(b)相对渗透率恢复率。

图 12介绍了穗青葱和轴向循环荷载之间的关系在轴向应力108 MPa。随着轴向交变载荷,CPERR和RPERR双重骨折砂岩同步下降,循环荷载的增强效果。砂岩pore-fracture系统与循环次数的增加,进一步压缩,然后流渠道收窄。相比之下,CPERR单处骨折砂岩逐渐增加的前三个轴向载荷在弹性阶段,和增加程度更大(2.4倍),这是由于人工裂缝表面的位错。与轴向循环加载时间增加,混乱的空间增加,结合断裂肿胀和发展中,流动渠道增加,渗透率急剧增加。矿井突水的主要灾害之一,限制煤矿的安全、高效生产。结合图 12,当矿业高于或低于深层承压含水层,特别是重复开采的影响,即使不透水层不是失败,屋顶和地板的位移应控制合理,防止垂直骨折脱位,岩层渗透率的增加,突水灾害。

渗透率的提高减少在不同的加载阶段(108 MPa): (a)累积渗透增强还原速度;(b)相对渗透率增强减速率。

 4所示。结论

基于流体力学的三轴加载实验,轴向和径向应变及渗透率的变化受到水压的影响,观察围压应力和循环装卸。和累积残余应变、PRR和穗青葱提出了定量分析这些变化。主要结论如下:

单和双重骨折的相对渗透率砂岩变化的二次函数液压和围压应力。破碎砂岩的渗透率是正相关的液压,液压和双重骨折砂岩更敏感比单处骨折砂岩。破碎砂岩的渗透率是消极与围压应力有关。然而,围压应力对应变的影响比渗透率更明显

的推进轴向循环装卸,砂岩破碎的轴向和径向压力增加,单处骨折砂岩的渗透率与螺旋下降。然而,双重骨折砂岩的渗透率稍微改变渗流通道。此外,轴向应力-应变曲线大致呈现出平行四边形形状第一次循环后,显示明显的变形内存特性。单处骨折的CPRR砂岩降低,然后增加。双重骨折的CPRR砂岩与波动RPRR保持85% - -95%

轴向加载循环增强,穗青葱的双重骨折砂岩逐渐减少;相比之下,穗青葱的单处骨折砂岩急剧增加。单处骨折砂岩,断裂表面的位错了和发达与轴向加载时间的增加,导致渗流通道的增加表现为渗透率的增加

命名法 PRR:

渗透率恢复率

 穗青葱:

渗透性增强减速率

 k :

磁导率

 V :

流入体积

 μ :

动态粘滞度

 l :

岩石样品的高度

 一个 :

横截面积的岩石样本

 Δ P:

水力压差

 Δ t:

增加的时间

 ε j π :

累积残余应变

 CPRR:

累积渗透率恢复率

 RPRR:

相对渗透率恢复率

 CPERR:

累积渗透性增强减速率

 RPERR:

相对渗透率增强减速率。

 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出版的手稿

 作者的贡献

手稿是通过贡献的作者写的。所有作者都批准的最终版本修改的手稿。

 确认

本文得到了国家青年科学基金(nos.51904011),安徽省自然科学基金委(nos.1908085QE183),安徽大学科学研究基金会(no.QN2018108)和中国国家重点研发项目(2016 yfc0801401和2016 yfc0600708号)。

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