实验研究联合粗糙度对裂隙岩体渗流的影响

文摘

围岩压力、水压力和节理粗糙度是影响裂隙岩体渗流的重要因素。具有重要意义,通过实验量化这些因素的影响。在这项研究中,岩石断裂联合测量表面。接下来,关节表面的三维坐标提取使用Geomagic软件,和关节粗糙度描述使用突出高度和等距的平均方差波动角度,通过计算获得。Stress-seepage耦合测试样品在三轴仪上进行,以及围压应力的影响和水压力单处骨折岩石的渗透性。参数之间的关系的基础上,在数据拟合表达式和突出的身高和等距的平均方差波动角度,渗透系数的计算公式包括联合粗糙度、围压,并推导了渗流压力差。

1。介绍

岩体是一个复杂的自然完整岩石组成的地质体和贴合空间在不同的尺度。地下岩体开挖,围岩扰动,增加关节。围岩的应力分布的变化对裂隙岩体渗流产生影响。渗流影响围岩应力分布,和围岩的应力和渗流场产生耦合效应。他们的耦合显著影响岩体的渗透特性和工程稳定性。因此,研究在渗流压力和渗流场之间的耦合效应是很重要的。

研究裂隙岩体应力和渗流场之间的耦合是基于岩体单处骨折。雪和路易1- - - - - -3]研究单一裂缝的渗流规律并提出了立方定律和一系列基于n - s方程的修正方法。王等人。4)使用关节表面的分形维数的就业改善方程涉及机械光圈和液压孔径之间的关系并进行了实验验证。Vogler et al。5)调查了骨折异质性对流体流动的影响通过骨折和捕获的裂缝闭合行为和流体压力之间的关系。赵et al。6)用数字图像技术提取裂隙岩体的空间分布信息。他们建立了3 d数字分析模型获得互联网络的空间结构和应力的空间分布特征,渗流,和速度。近似计算和实验研究表明,颗粒大小对裂隙岩体渗流有很大的影响。

王等人。7,8)实验研究了非线性流动特性的粗糙壁骨折在剪切过程中在不同边界条件和分析剪切过程的影响,断裂表面粗糙度,正常刚度、边界和初始法向应力非线性流动行为。Tatone和Grasselli9)进行原位断裂表面的数字分析,发现断口粗糙度增加采样窗口大小。邹et al。10)开发的小波分析技术来求解n - s方程线性化和分解原墙表面粗糙度的骨折为高,低频概要文件。结果表明,除了雷诺数,高频二级粗糙度的主要原因是动态演化的旋流区域裂缝流场。江et al。11]提出的经验公式骨折关节的机械和液压开口之间的关系;然而,没有足够的证据,公式定量地描述渗流应力耦合的有效性。王等人。12)使用颗粒流代码(PFC)来模拟岩石的剪切试验联合不同节理粗糙度,恒定的正常负荷下正常(CNL)和常数刚度(CNS)边界条件,为了评估宏观和mesomechanical属性和岩石关节受到剪切破坏机理。Zhang et al。13)开发了测试系统显示地板骨折的开发过程和突水通道的形成和提出,地板是在高剪切应力作用下岩石应力和高承压水的压力,可能导致剪切压裂和因此可能工作向矿井突水的面孔。

渗透率之间的关系和封闭或轴向压力可以使用三轴仪。这个装置是用来执行渗透测试单处骨折岩石样本受到轴向压缩压裂。律等。14)开发了一种渗透模块的岩石三轴伺服试验机实现三维应力状态下的岩石渗流试验。刘等人。15)一个避署摇滚渗压计用于轴向压缩裂纹,人工光滑的骨折,光滑和人工填补裂缝。他们进行渗漏测试在不同围压和轴向压力,比较和分析了不同的三个渗流特征。然而,他们并不认为粗糙的填补裂缝。

Yu et al。16单处骨折砂岩)研究了渗流特征与轴向压缩在加载和卸载条件下开裂。结果表明,有效围压降低,而渗流渗透率上升但小于原来的路径。渗透率和有效围压之间的关系是嵌入到有限元模型;然而,没有考虑节理粗糙度数值模拟。多孔砂岩与骨折被视为double-porous媒体。Souley et al。17]改编一个实验装置测量流过多孔岩体样品除了裂缝流动。他们用VIPLEF / HYDREF数值编码考虑样品的双孔隙度(裂缝和岩石矩阵)复制流体力学的加载。

描述断裂联合粗糙度定量轴向压缩是很困难的。巴西分裂形成的粗糙的断裂可以被认为是大约的岩石抗拉断裂性质(18,19),这有利于节理粗糙度的测量。这种方法还提供了一个理想的断裂形式单处骨折渗漏测试。刘等人。20.)通过一个避署进行了渗透测试的砂岩岩石渗透仪器。他们的研究结果表明,在恒定围压的应力路径和渐进的水压加载,渗透系数和水压力有一个线性增长关系,而渗透系数和围压有负指数关系。汉(21获得类似的测试结果通过大量的单和垂直相交的裂隙岩体渗流测试。然而,他们没有进一步建立功能渗透系数和节理粗糙度之间的关系。田et al。22)派生时,渗透系数的理论计算公式不同岩性岩石位于双方单处骨折岩石和验证公式的简化的力量应用于测试。

控制渗透测试过程是困难的,其成功率很低的成功由于缺乏明确的标准。在目前的研究中,巴西将通过现场取样试验方法得到了改进。渗透测试执行单一骨折使用鞣制- 2000 m岩石三轴伺服仪表。围压的影响、水压力和联合粗糙粗糙裂缝的渗流规律进行了研究,探讨了渗流机理。

2。样品制备和测量的粗糙度

2.1。样品制备

粗砂岩(CS),细砂岩(FS),泥岩(MS)最初被加工成标准圆柱形岩石样本( )。这些样本来自府城内蒙古煤矿。和样品相似的纹理,没有杂质,没有伤害,没有裂缝,及其完整性使用放大镜检查,这些样本的重量。根据岩性、样本分为CS, FS,女士,每组由6个样品。修改后的巴西分裂夹具用于将样品在鞣制- 2000米的岩石三轴伺服仪表,和圆柱形样本通过单一骨折。样品的分裂步骤描述如下。

首先,一定的预加载应用于样品根据加载的方式,和预压值是1 kN

第二,固定夹板两岸预压后,放松和示例由上、下固定刀片

第三,轴向压力应用于位移的方法。叶片分裂的速度是0.05毫米/分钟,和目标是5毫米。把样本后,拉伸裂纹形成,如图1

分裂后,第二考虑和筛选进行,样品与大质量损失和破损被移除。每组样品小于6时,必须补充。

由于不同的岩性,节理粗糙度分裂后的样本相对不同。CS样本有一个大的颗粒大小,表面粗糙,整体表面波动最小。FS小粒径,斯穆特表面,大大整体表面起伏。女士有一个细粒度和一把锋利的表面,与许多曲折陡峭。这些特征在图所示2。

2.2。节理粗糙度测量

节理粗糙度对裂隙岩体的渗流具有重要影响,及其测量方法一直为裂缝渗流研究的一个重要方面。关节表面的高度和斜率是客观指标来描述节理粗糙度。斜率是通常所描述的上下角。在这项研究中,基准面成立,采用纵向和横向等距样条线,突出高度的方差和波动的角度测量样条线的交点。突出高度的方差可以描述偏离基准平面的高度,和等距波动角固定在底座上表面可以描述斜率的大小和高度的重视。两个索引的组合可以描述节理粗糙度,具体步骤如下。(1)一个3 d REVscan使用激光扫描仪扫描骨折关节面,如图3(一个)。扫描仪的扫描精度达0.05毫米;扫描速度是每秒18000,大约是每秒40000点;扫描线条宽度是300毫米/梁(横梁)和分辨率为0.1毫米。扫描仪的精度可以满足计算要求的粗糙度。扫描后获得的点云文件,如图3 (b)和3 (c)(2)介绍了生成的点云文件扫描在Geomagic软件,也是用于处理的区间样条接缝表面的纵向和横向方向。样条间隔是0.5毫米(数据4(一)和4 (b)),网格的边界长度 成立。一个- - - - - -表面设置为基准,3 d坐标( , ,和 )每个点的网格出口(3)为- - - - - -数据,每个点的高度对样条线,如图4 (c)。平均身高样条线的计算如下: 在哪里样条函数是点的数量。均值方差突出高度的花键进一步得到如下:

均值方差突出高度的节理面计算如下:

根据渗流方向,波动的角度样条线的相交点的计算如下(图4 (c)):

等距均值波动的角度样条线被指定为

等距均值波动的角度关节表面获得了如下:

三个破碎岩石的样本编号根据波动角度从大到小的顺序。表1显示了测试结果。

3所示。Stress-Seepage耦合测试

3.1。测试仪器和测试原理

通过使用鞣制- 2000 m岩石三轴伺服仪器如图5、封闭和水压力应用到单处骨折岩石样本。水的流量实时测量。的基础上获得的实验数据,样本在不同工作条件下的渗透系数进行了计算。

水压力应用使用低端的进气孔之间的压力差和上出口洞。上的水压力出口大气压力,设置为0。中设置的水压测试样品的两端压差,如下所示: 在哪里水压测试集,的水压力降低吸入孔,然后呢是上层的水压力出口孔;是一组围压。测试仪器和测试原理图所示6。

3.2。测试条件和步骤

本研究主要调查了渗透系数的变化规律单处骨折岩体受到水压力的影响,围压和节理粗糙度。因此,测试条件简化,样本只受到水和封闭压力没有轴向载荷。现有研究成果的基础上,当法向应力大于20 MPa,法向应力下的渗流显然偏离了立方定理(23]。因此,围压在测试期间被设置为2,4,6,10,15 MPa,和水压力设置为0.5,1.0,1.5,3.0,5.0,7.0,和9.0 MPa(表2)。

单处骨折的装配和密封岩石样本如图7。测试程序设计如下。(1)半圆柱形样本劈开从标准气缸干,用吸尘器清扫3.5 h,与蒸馏水48 h和饱和,确保单相流在测试样本(2)干燥的样品表面是上部和下部之间的定位测试基地。硅酮胶使用两边的骨折。样品被包裹在热收缩管(3)伸长计和箍装置被安装24小时后的样品处理。伸长计包括轴向和径向伸长计,箍装置包括一个篮球和一个橡胶圈(4)与会的样本放在缸连接基地测试机和连接到轴向伸长计,径向伸长计,进口和出口管道。前测与水是确保系统是密封的(5)样品安装之后进行预测,三轴压力室是降低,油压和液压系统连接到示例基地。油舱中弥漫到所需的级别(6)在围压最初是应用测试,和水压力应用。水压力成为稳定后,流在这个时间段测量和记录。记录完成后,水压力逐渐增加,每个级别的水压力下的流量测量和记录。围压水平增加,水被反复加载的压力(7)在加载过程中,原始数据获得总额( )的时间( )一定期间的工作状态。总流动时间的导数是速度( )流的。当渗透系数达到设定值时,流线性时间。确保测量准确性、线性稳定增长持续了30分钟,拟合直线的斜率。以CS-3为例,2 MPa的围压保持不变,从0.5 MPa和水压力设定到1.0 - -1.5 MPa。流之间的关系和时间记录,一条直线的斜率 ,如图8(8)恒压的工况下,水压稳定,样品中的渗流符合达西定律。通过将流量和水压力在情商。8),样品的渗透系数计算如下(24]: 在哪里渗透系数(cm / s),是岩石样本的渗漏量(毫升/秒),样品的长度,是单位重量的水(9.81 kN / m³),是样品的横截面积(厘米²),骨折水样品的两端之间的压力差(MPa)。(9)当围压不变时,水压力降低到初始值,然后,重复加载添加到水压力,可以获得相同的实验结果。测试完成后,样品被移除,实验压力水头实验完成后打扫干净了。进口和出口渠道保证光滑

3.3。实现和渗流量的确定以及岩石断裂

3.3.1。实现渗流以及岩石断裂

许多因素影响裂隙岩体的渗流试验。控制测试过程,实现流渗流以及岩石断裂是困难的。在这项研究中,安装和测试方法改进了测试过程和现象的分析和总结失败经验。(1)在水压力的作用下,压水沿裂缝流动很容易渗透样本和热塑性管之间的差距,这将有一个很大的影响渗透测试的结果,如图9

压水也渗透在样本之间的关节和透水垫和上下压力正面,如图10。

在上述分析的基础上,硅橡胶用5毫米宽度和厚度3毫米是用来密封两边侧骨折和关节,外层是用胶带包裹。硅橡胶具有良好的密封性能,防止压水进入样本横向外侧骨折和关节。相同的弧形钢垫圈被加入到裂纹,如图7(一)-7(e)。(2)高围压和低水条件下的压力,热收缩管很容易压通过油压高围压在大萧条的样本。这个条件形成了围压和水渗透压力,导致考试的失败,如图11。因此,在样本选择,严格选择完成样品后分裂是必要的(3)热塑性塑料管道的接触部分和上下压头是弱点。当封闭和水压力之间的差异大,密封不严格,这将形成,导致考试的失败。此外,关节的光滑时应确保安装样本

3.3.2。确定渗流以及岩石断裂

渗透测试是在油罐中执行。是否过去只有通过断裂和单向流动是否实现了密钥对数据采用。

样本示例安装前干。渗透测试完成后,样品表面是否干燥,关节表面有明显的水印,然后压水沿裂缝的单向流动是实现,如图12。

如果水痕迹明显的外表面样本,然后观察水流到样本之间的差距和热塑性塑料管道和测试会失败。如果石油跟踪被发现在样品的表面或水和围压是一样的,不能调整在测试过程中,热收缩管压通过,测试决心失败(图13)。

4所示。分析Stress-Seepage耦合机制

4.1。围和水压力对渗透系数的影响

加载路径是恒定围压,水压力逐渐被加载。CS的渗透测试,FS, MS进行,不同工况下的渗透系数。一些数据的CS-1样本如表所示3。

在恒定围压条件下,水压力对渗透系数的影响如图14- - - - - -16,三为每个岩性样品采集标本。

数据的分析14- - - - - -16表明,在恒定围压下,渗透系数和水压力有一个线性增长关系,也可以表示为 在哪里是线性斜率和节理粗糙度有关。

达西定律的分析表明,如果渗流层流和骨折孔径是常数,然后渗透系数与水压力不会改变;在相同的测试条件下,本研究的测试结果是符合达西定律。与测试条件的变化,本研究的试验结果是不符合达西定律。即渗透系数的变化不仅影响水压还围压的变化。的原因如下。(1)当裂缝内的水压力增加和液压分裂效应产生,双方的岩体产生正常的变形小,骨折的接触面积减小,断裂光圈和渗透系数增加(2)当裂缝内的水压力小于10 MPa,双方的正常变形岩体的断裂是相对较大的,以及对渗透系数的影响是显著的。当围压大于10 MPa,裂缝内的水压力相对较小与正应力相比,和骨折孔径只有残留的光圈。高围压的存在,使正常的变形在水的压力下有限,和骨折孔径变化很小。当围压是相对较大时,水压力对渗透系数的影响也很小

的渗透系数与围压之间的关系三个岩性样品CS, FS,女士是如图17- - - - - -19,分别。

如数据所示17- - - - - -19裂隙岩体的渗透系数随围压的增加而减小。然而,随着围压的增加,渗透系数的衰减率是不同的。当围压小于10 MPa,渗透系数随围压的增加急剧下降。当围压大于10 MPa时,随着围压的增加,渗透系数的减少变得缓慢,最后趋于一个常数的值。

恒定的水压力的条件下,渗透系数与围压之间的关系是安装,和渗透系数与围压的负相关。以CS-1为例,当水压力为0.5,1.0,和1.5 MPa,围压与渗透系数之间的关系如图20.。

渗透系数与围压之间的关系可以表示一个负指数函数,也就是说, 在哪里和拟合得到的参数测试结果和相关关节表面的粗糙度。

4.2。不同岩性的关节对渗透系数的影响

这里,CS-1 FS-1 MS-1,用2 MPa的围压和水压力0.5 MPa,作为例子,如图21。考虑到不同的岩性,分裂后获得的节理粗糙度不同,渗透系数相对不同的相同的工作条件下。计算机科学的渗透系数大于FS和FS大于女士。

4.3。渗透系数公式的推导考虑节理粗糙度

测试结果表明,渗透系数之间的函数关系和液压或封闭压力可以通过方程式。(9)和(10),如下所示:

系数 , ,和节理粗糙度参数相关。在同等条件下,以CS,围压的6 MPa和水压力为1.5 MPa,作为一个例子,系数之间的关系 , ,和和突出高度的平均方差等距或均值波动的角度是安装,如图22。之间的关系 , ,和和和一个近似的线性相关性。

因此, , ,和可以表示为 在哪里 ,和是拟合常数。用情商。12)为情商。11),可以表示为

进一步表示为 在哪里 ,和是拟合常数。的函数在情商。14)包含围压 ,水压力 ,突出的平均方差的高度 ,和平均等距上下角 ,这有效地描述断裂表面的几何形状参数的影响渗透系数。

根据测试结果(CS样本,围压6 MPa,水压1.5 MPa),之间的关系和或是安装,如图23。

的函数关系和或可以表示为指数关系: 在哪里 和是拟合常数。可以看出,在情商。15),当任何值和是恒定的,之间的关系和或可以表示为一个指数函数,验证情商的准确性。14)。突出高度的方差用于描述关节表面突出的偏差和等距波动角度吗用于描述关节表面突出的高度。更大的价值和是,小的价值,这表明更多的分散和高突出在关节表面,阻碍越大的节理面水流。

5。结论

裂隙岩体的渗流特性密切相关,联合粗糙度、围岩压力和水压力。在这项研究中,裂隙岩体的渗流规律探索通过联合的有效测量粗糙度和大量的渗漏测试。(1)当围压不变和水压力分级加载、渗透系数和水压力有一个正的线性关系,而渗透系数和围压的负指数关系。随着围压的增加,水压力对渗透系数的影响逐渐减少,围压增加到一定数值时,裂缝的宽度只有残余缺口的宽度,和渗透系数趋于稳定(2)渗透系数的关系的基础上和水压力或围压,表达式的系数和均值方差之间的关系突出高度或等距波动角度安装,和计算公式包括联合粗糙度、水压力和围压。的过程中发生质量裂缝渗流,突出在关节表面阻碍了水流。而突出高度更高、更分散,关节表面水流的阻力更大,和裂隙岩体的渗透系数更小

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(批准号51774196),中国博士后科学基金会(2016号m592221),聊城大学研究基金会(258481号,318051848),和山东省自然科学基金(没有。ZR2017MEE069)。

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