岩石水压致裂过程的耦合分析

2024-05-07

岩石水压致裂过程的耦合分析（精选4篇）

篇1：岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程.在经典Biot渗流力学基本方程的.基础上,基于弹性损伤理论,建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型,运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA2D,对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析,初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为.

作者：李连崇杨天鸿唐春安杨春和作者单位：李连崇,杨天鸿(东北大学岩石破裂与失稳研究中心,沈阳,110006;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室,武汉,430071)

唐春安(东北大学岩石破裂与失稳研究中心,沈阳,110006)

杨春和(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室,武汉,430071)

刊名：岩石力学与工程学报 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING年，卷(期)：22(7)分类号：O357.3关键词：渗流力学水压致裂渗流与应力耦合破坏过程数值模拟

篇2：岩石水压致裂过程的耦合分析

关键词：水压致裂,防水煤柱,煤层强度

由于煤层抗张强度难以获得，多年来一直沿用勘探期间的Kp=1.19 kgf/cm2作为计算参数，煤柱留设过宽的主要原因就是参数Kp选取的不合理，因此合理的缩小煤柱，科学的获得Kp是关键。

岩石抗张强度的获取往往都采用实验室的巴西法、现场的水压致裂法、应力解除法等。但煤的力学参数获得方法较为困难，因此生产中多用阿什列公式、威尔逊公式、钻孔煤粉量法、反求参数法确定防水煤柱的宽度，以回避抗张参数获取的问题。只有少数煤矿从实验室获得此参数[1,2,3,4,5]。而水压致裂获得煤的抗张强度的方法则鲜有应用。由于煤层的强度低，采样过程中的扰动使得煤层的强度参数较原位大为降低，不能反映煤层原岩的真实情况，因此选用合适的原位测试方法获得符合实际情况的煤岩的强度数据对煤柱计算具有重要意义。为此，采用了水压致裂方法，获得的Kp较实验室的数据大5倍以上，参数在安徽省淮南市新集矿1306工作面的应用获得了成功，使得该工作面的煤柱大为缩小，解放了煤炭资源量，也为今后断层防水煤柱的留设提供了依据。

1 水压致裂强度测试的基本原理及适用条件

1.1 测试原理

在钻孔测量段内用橡胶封隔器封隔，然后对封隔段施加液压，随着封隔段内液体压力的逐渐增加，导致孔壁有效切向压应力逐渐减小并转变为张应力。倘若切向有效张应力等于或大于岩石的抗张强度(T)，就会在孔壁上产生破裂，这样抗张强度就可以由海姆森公式求得：

T=Pb-Pr

式中：T为抗张强度;Pb为初张压力，Pr为重张压力。

水压致裂地应力测试系统由3部分组成，即：封隔系统、加压系统和数据采集系统，如图1所示。致裂过程是通过钻杆将分割器下入孔内设定位置，然后向封隔器内施加一定的液体压力，使它膨胀紧贴在井壁上，从而形成封隔空间。再向封隔器之间的压裂段内注入液体，注满后液体压力将不断上升，直到孔壁破裂，此时液压将突然下降至某数值，然后关闭压力泵。如此循环数次，数据采集系统将全程采集压裂段内液压的变化，根据压力曲线可以求解所需参数。

封隔段钻孔横截面的受力情况、破裂过程如图2所示。

用封隔器封隔某一孔段，这时对封隔段尚未注射液压，因此孔段横截面未承受液压作用，地面泵压显示为零。然后施加液压，封隔孔段横截面承受逐渐增强的液压作用，泵压持续上升。在足够大的液压作用下，沿阻力最小路径方向上出现破裂，此时泵压读数为Pb。破裂后致泵压急速下降，并保持裂缝张开或扩展时的压力。然后关泵，泵压迅速下降，其后，随着压裂液渗入地层，泵压缓慢下降，这时便得到裂缝处于临界闭合状态时的平衡力。最后卸压，当封隔孔段横截面所承受液压作用被解除后，裂缝完全闭合，泵压记录下降到零。

重复上述程序3～5次，便得到图2曲线的压力周期变化部分。第二次及其以后的循环所得到的最大压力为重张压力Pr。

1.2 适用条件

水压致裂测试岩石地应力及其抗张强度的基本条件有3个：一是岩石是均匀脆性和各向同性的线弹性体;二是岩石为多孔介质时，注入的液体按达西定律在孔隙中流动;三是3个主应力方向之一与钻孔轴平行。

2 水压致裂测试工程及其结果

对安徽省淮南市新集矿区F10断层13#煤层做了水压致裂测试。

F10断层东西走向长约13 km，断层走向N70°W，倾向SW，倾角为70～40°，落差20～400 m，是淮南煤田新集矿区内切割煤层最多、落差最大、延伸最长的推覆体下断层。该断层上被推覆体覆盖，下使煤层与太灰、奥灰对接。在勘探阶段未对F10断层做过任何水文地质工作。

新集一矿按照公式L=0.5 KM姨3 p/Kp≮20 m(式中：L—留设防水煤柱的宽度/m;K—安全系数;M—煤层厚度或采高/m;P—水头压力/kgf/cm2;KP—煤的抗张强度/kgf/cm2)，初步估算了3个采区内F10断层防水煤柱宽度为138～269 m，压煤量达1 350万t。新集二矿的采深更大，水压更高，煤柱的压煤量将会更大，因此研究F10断层的导水性对减少呆滞储量，提高资源回收率具有很大的意义[6]。

测试是在S5和S92个地面钻孔内进行的。其中S5位于新集一矿南部偏东，F10断层的上盘，距离断层约20 m。钻孔结构为单一结构，终孔直径为Φ91。钻孔水位约为1 m，由于主采煤层埋藏较深，测段均安排在钻孔的中下部位，分10个测段进行了测试，测试段分别为440 m、470 m、485 m、512 m、540 m、560 m、580 m、603 m、620 m和640 m，其中580 m深的测点为煤层。结果测得S5孔13#煤层的抗张强度为0.87 Mpa。S5煤层段的测试结果曲线如图3、表1所示。

S9钻孔位于正常构造正常地段，其内安排了8个测段，分别为500 m、535 m、580 m、665 m、715 m、790 m、820 m和845 m，其中820 m段为13#煤层，测试结果为S9孔13#煤层的抗张强度为1.47 Mpa。见图4、表2。

比较孔S5和孔S9可以看出靠近断层煤层的抗张强度低于正常区段煤层的抗张强度，这说明断层对煤层有一定的损伤作用。

3 结束语

本次试验结果表明，水压致裂获得的煤层抗张强度为0.87 Mpa，较以往实验室内获取的0.19 Mpa提高了5.1倍。以该参数计算断层上下盘的防水煤柱宽度，在数值上缩小到原来的1/2.26，即由原来的138～269 m缩小到61.08～119.05 m，仅在新集一矿就可以减少煤柱压煤752.5万t，因此社会效益和经济效益显著。

参考文献

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[3]张开智,夏均民,蒋金泉.钻孔煤粉量变化规律在区段煤柱合理参数确定中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(8):1307-1310.

[4]陈绍杰,郭惟嘉,杨永杰,等.基于室内试验的条带煤柱稳定性研究[J].岩土力学,2008,29(10),2678-2682.

[5]桂和荣.防水煤(岩)柱合理留设的应力分析计算法[M].北京:煤炭工业出版社,1997.

篇3：岩石水压致裂过程的耦合分析

关键词：胡萝卜；干燥；热质传递；数学模型

中图分类号： TS255.3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0201-03

收稿日期：2013-03-18

基金项目：国家自然科学基金（编号：31100424）；云南省教育厅科学研究基金（编号：2012C096）。

作者简介：朱代根（1979—），男，福建顺昌人，博士研究生，从事机械系统多相耦合理论及其数值模拟研究。E-mail：argen243 @163.com。

通信作者：陈君若，教授，博士生导师。E-mail：chenjunmo@126.com。热风干燥是目前最简单、经济的干燥方法之一，具有热效率高、干燥速率快、设备投资费用低等优势。当干热空气流过物料的表面时，将热量传递给物料的同时带走物料的水分，从而便于物料的包装、运输、贮存、加工和使用。通常热空气的温度为40 ℃到80 ℃，流动速度为0.5 m/s到5 m/s[1]。

干燥过程是一个复杂的传热传质过程，对干燥过程进行准确的预测，可提高物料的干燥品质，减少能源消耗，为进一步优化干燥工艺和设备研究提供理论依据。目前国内外对胡萝卜热风干燥进行了大量的试验和模拟研究。Doymaz[2]、刘正怀等[3]、彭桂兰等[4]研究了不同干燥介质温度、湿度、速度以及胡萝卜尺寸等因素对胡萝卜热风干燥的影响。由于影响干燥过程的因素很多，为了简化干燥数学模型，因此研究人员[3-6]建立了薄层干燥模型。

刘国红等基于Fick第二扩散定律和Fourier定律，建立了胡萝卜热风干燥的一维数学模型，采用有限差分法进行求解[7]。Aversa等建立了食品对流干燥的多物理场数学模型，用有限元法进行求解，分析不同干燥介质温度、湿度、速度以及胡萝卜尺寸等因素对胡萝卜热风干燥的影响[1，8-11]。模型能够模拟食物内自由水和束缚水的传递，但其模拟结果[1，8]与实验数据有一定的偏差，特别是干燥开始2 h后偏差更大。

本研究基于Fick扩散第二定律和Fourier定律，建立了胡萝卜热风干燥的二维数学模型，采用有限元法进行求解，分析干燥过程的热质耦合传递现象。

1数学模型

干燥过程的本质是一个动量、能量和质量的耦合传递过程[12]。一方面，物料从干燥介质吸收热量，能量由物料的外部向其内部进行传递；另一方面，物料内部的水分则由内向外传递，直到物料的含水量降低至满足工艺要求为止。在物料内部热量通过传导来传递，水分通过扩散来传递。

1.1基本假设

为了简化模型的建立和求解，做如下假设：（1）物料内部热量只通过传导来传递；（2）物料内部质量只通过扩散来传递，不考虑其他传递方式；（3）干燥过程不考虑物料的收缩；（4）胡萝卜块各向同性；（5）不考虑蒸汽冷凝现象。

1.2控制方程

根据Fourier定律，通过能量守恒可得到被干燥胡萝卜内热导的微分方程：

1.3初始条件

1.4边界条件

1.5相间传递系数确定

1.6求解方法

控制方程和边界条件组成了一非线性偏微分方程组，用解析方法不能求出方程组的解，因此本研究利用有限元软件COMSOL Multiphysics 3.3求解。应用软件中的广义传热和扩散两个模型来耦合求解方程组。该软件实质上是一个多重物理量偏微分方程求解工具，它一个重要特征是用户可以集中于模型本身，而不必花太多时间考虑方程求解和结果可视化问题。

2结果与分析

2.1模型的验证

计算结果与Bialobrzewski等[15]提供的试验数据相比较进行验证。通过本试验获得的数据（胡萝卜的尺寸、初始水分含量、初始温度，热空气的温度、速度）。

图1和图2为胡萝卜立方体边长为10 mm，初始水分含量为8.2，初始温度为25 ℃，热空气的速度为4 m/s时，在不同的干燥温度下，热风干燥过程胡萝卜温湿度随时间变化的计算结果和实验实测数据的比较。

2.2干燥参数对干燥过程中物料水分含量变化的影响

图3给出了胡萝卜不同初始温度（25、30、35 ℃）对干燥过程其水分含量变化的影响。由公式（4）可知道，温度越高，水分在物料内的有效扩散系数越大，因此初始温度为35 ℃时，胡萝卜的水分含量下降最快，但不同初始温度对胡萝卜水含量的变化影响小。Aversa等[1]模拟结果表明，当初始温度较低时，物料表面会出现冷凝现象，干燥开始阶段物料的水分含量会有所上升。由于冷凝现象只出现在干燥的开始阶段，且对干燥过程影响小，所以本研究所建的模型没有考虑蒸汽冷凝问题。

根据相间传递系数确定方法可知，空气速度的变化直接影响雷诺数，进而影响物料表面的热质传递系数hT和hm。提高空气速度使物料表面的热质传递系数均增大，因此，空气速度越大，则胡萝卜的干燥速率越快。图4显示，空气速度为4.0 m/s时，胡萝卜的水分含量下降最快，但空气速度对物料内部的热质传递系数影响小，所以空气速度对水分含量的变化影响小。

根据物料的性能参数和相间传递系数确定方法可知，随着空气温度升高，则物料内部和表面热质传递系数均增大。因此，空气温度越高，则胡萝卜的干燥速率越快。结果（图5）显示，空气温度为90 ℃时，胡萝卜的水分含量下降最快。胡萝卜干燥过程中，空气温度一般不超过70 ℃，否则干燥产品质量将显著变差[2]。与物料初始温度及空气速度相比，干燥温度对物料水分含量的影响较大。

nlc202309011930

图6给出了不同胡萝卜厚度（立方体边长为5、10、20 mm）对干燥过程其水分含量变化的影响。根据相间传递系数确定方法可知，随着胡萝卜尺寸增大，物料表面热质传递系数减小。同时尺寸增大，增长了物料内部热质传递的路径长度，进而降低了物料干燥速率。结果表明，胡萝卜尺寸最小时，其干燥速率最快。

3结论

本研究基于Fick扩散第二定律和Fourier定律，建立了胡萝卜热风干燥的二维数学模型，模型中热空气和胡萝卜的物理性能均用当前局部温度和水分含量表示，并且充分考虑了热质耦合作用。用有限元法对热质耦合传递的偏微分方程组进行了求解。结果表明，所建模型的计算结果与试验实测结果相吻合，可以用来模拟和预测物料的干燥过程，得到任意时刻物料内部的温度和水分含量。在干燥工艺参数中，物料初始温度和空气速度对物料水分含量变化影响小，物料的几何尺寸和干燥温度对水分含量变化影响大；提高干燥温度和减小物料的几何尺寸能明显提高物料干燥速率。

参考文献：

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篇4：岩石水压致裂过程的耦合分析

关键词：电感耦合等离子体发射光谱法岩石矿物钒钴

前言

随着国家对地质找矿工作的日益重视，对分析测试的方式方法也提出了更高的要求。在以前，传统经典的化学分析方法劳动强度大，效率低，成本高，无法满足大批量样品的分析要求。因此，能多元素、同时快速地进行测定的设备与方法逐渐成为了分析工作者的重要分析手段。

电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES法）在20世纪50~60年代诞生，经过几十年的发展，特别是水平观测技术日渐成熟以后，因其灵敏度高，分析速度快，稳定性好，线性范围宽等诸多特点，日益在地质找矿工作中发挥重要作用。本文采用ICP-OES法同时测定岩石矿物样品中V和Co，具有灵敏度高，检测下线低，稳定性好，干扰小，工作曲线性范围宽，测定范围广，（V和Co的测定范围分别为0.000023%~1.0%，0.000025%~1.0%），分析速度快，准确度好，可实现多元素同时测定等优点，适合推广。

1. 实验部分

1.1仪器及工作条件

美Perkin Elmer公司OPTIMA7300DV全谱直读等离子体发射光谱仪，最佳工作条件见表1.

1.2试剂

国家标物中心100 ug /ml的Co标准储备溶液。

国家标物中心100 ug/ml 的V标准储备溶液。

HNO3（优级纯）、HCI（优级纯）、蒸馏水、氩气（>99.99%）。

混合标准溶液的浓度（μg/ml，10%HNO3）见表2。

1.3样品分析步骤

准确称取0.2000g样品于30ml坩埚中,加入5ml HNO3,置于电热板上加热10min，加入2ml 高氯酸和5ml HF，加热至冒白烟，加入5ml HF，待白烟冒尽，冷却，加入1+1HNO3 5ml 加热至沸腾直至盐类全部溶解时，用蒸馏水吹洗坩埚壁，将溶液移入25ml比色管中，用水稀释至刻度，摇匀，静置。溶液澄清后按仪器工作条件进行测定。

2. 结果与讨论

2..1酸度的影响

本法采用HNO3作为样品溶液的介质,由于不同的元素在不同的酸度条件下,其光谱强度均会发生变化,因此,研究V、Ti在不同酸度条件下其光谱强度的变化就显得很有必要。

由图1中，可以看出，当酸度小于15%，对V、Co的光谱强度影响不大，通常，一般采用10%的酸度较为合适。

2.2基体干扰

采用ICP-OES法直接测定岩石矿物中的V,Co时，一些主含量元素如Ca、Mg等对分析结果会产生影响，导致测定结果偏低。较明显的是Mg的干扰，采用基体匹配法及优化仪器工作条件可消除这部分干扰。其仪器工作条件优化前后干扰回收实验如表3。

2.3方法的检出限

采用拟定的分析步骤进行测定，测定元素的检出限和测定范围见表4。检出限为对样品空白溶液连续测定11次得出的标准偏差乘以3所相当的浓度。V、Co元素的检出限是将5次的标准偏差SD加以平均再乘以3列出。

2.4方法的准确度

为了考察测定结果的准确性，按上述方法及条件对标准物质样品分别进行了6次平行测定，结果见表5.

2.5分析结果的精密度

按照上述方法和条件，对2个硅酸盐矿物样品分别进行了6次平行测定，结果见表6。