第23卷 第8期
岩石力学与工程学报 23(8)：1358～1362
2004年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2004
2003年8月4日收到初稿，2003年10月5日收到修改稿。
* 国家自然科学基金(50179010)、国家自然科学重点基金(50239070)、河海大学科技创新基金(2003410943)和河海大学双聘院士基金资助项目。 作者 王锦国 简介：男，29岁，博士，1996年毕业于河海大学水文地质工程地质专业，现任讲师，主要从事地下水科学与工程方面的研究工作。E-mail ：wang_jinguo@https://www.doczj.com/doc/589630055.html, 。
基于分形理论的裂隙岩体地下水溶质运移模拟
*
王锦国 周志芳
(河海大学地质及岩土工程系 南京 210098)
摘要 岩体裂隙面是粗糙不平的，具有分形特征。裂隙本身可以看成由上下两裂隙面叠合而成的，可以应用分形几何理论来模拟粗糙裂隙面和裂隙张开度的分布情况。在用分形理论模拟裂隙面及裂隙张开度的基础上，用特征有限元方法对粗糙裂隙中的溶质运移进行了模拟。模拟结果显示，考虑裂隙面的粗糙度，模拟其中的溶质运移更符合实际情况。与平均张开度下光滑裂隙中的溶质运移相比，粗糙裂隙中的浓度锋面更落后，而且存在不均匀性和各向异性的特点。
关键词 岩石力学，分形，粗糙度，示踪剂，各向异性
分类号 P 641.2 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)08-1358-05
SIMULATION ON SOLUTE TRANSPORT IN FRACTURED ROCKS
BASED ON FRACTAL THEORY
Wang Jinguo ，Zhou Zhifang
(Department of Geology and Geoengineering ，Hohai University ， Nanjing 210098 China )
Abstract Rough fracture surface is of characteristics of fractal and can be considered as congruence of the upper and lower fracture surfaces. The rough fracture surface and the distribution of fracture apertures can be simulated by fractal theory. The simulation is made on solute transport in rough fractures by characteristic FEM based on the fracture face and fracture apertures simulated by using fractal theory. The result of simulation shows that it is more actual to simulate solute transport in fractures with its roughness considered. In contrast with the solute transport in smooth fractures with average aperture ，the frontal surface of concentration in a rough fracture is more behindhand and is of characteristics of nonuniformity and anisotropy. Key words rock mechanics ，fractal ，roughness ，tracer ，anisotropy
1 前 言
在核废料地质贮存、垃圾填埋、咸卤水入侵等资源、环境问题研究领域中，污染物随着地下水在裂隙介质中的运移是近年来研究的热点问题之一。由于裂隙介质本身的复杂性，使得这项研究变得非常困难。单裂隙系统中溶质运移是研究裂隙介质中溶质运移机制的基础，有助于加强人们了解溶质在
裂隙中的对流-扩散机理。
从20世纪60年代开始，许多学者就对单裂隙系统中溶质、放射性元素的运移规律作了室内和现场试验研究[1
～4]
；考虑溶质从裂隙向基质的扩散、
裂隙表面的吸附作用、水流速度变化、弥散度变化、放射性衰变等影响因素，也有大量的数值模拟研究成果[5
，6]
。然而，以往的模拟均假设示踪剂运移在
平直光滑的裂隙中进行。考虑裂隙表面形态的变化，文[7]假定裂隙张开度服从对数正态分布，模拟了粗
第23卷 第8期 王锦国等. 基于分形理论的裂隙岩体地下水溶质运移模拟 ? 1359 ?
糙裂隙中的溶质运移，并与室内试验数据作了对比，取得了较好的效果。裂隙结构面粗糙度是一种自然分形现象。近年来，文[8～11]运用分形几何研究结构面粗糙度特征，得到了结构面粗糙度与分维数D 的关系式。本文应用分形理论对粗糙裂隙面进行了模拟，采用特征有限元法模拟了分形裂隙中示踪剂溶质运移的浓度分布情况。
2 裂隙几何形态的模拟
2.1 裂隙面的模拟
由于裂隙面是粗糙不平的，具有一定的分形特征，而裂隙本身可以看成由上下两裂隙面叠合而成的，因此，可以根据分形几何理论来模拟裂隙面及裂隙张开度的分布情况。分形几何法就是根据裂隙面分形维数、裂隙面位错值和裂隙面上的面积接触率，用逐次累加法或随机布朗函数法来获得裂隙张开度分布情况。
用一般的函数难以描述天然裂隙面复杂的形态。分形理论可用来描述极不规则的几何图形，而且许多研究都表明，用分形几何来模拟粗糙裂隙面是合理的。目前，自仿射分形模型被认为是模拟裂隙面的最好的分形模型[9]。下面应用随机布朗函数法(Weierstrass-Mandelbrot 函数)来模拟分形裂隙面。
由分形几何理论可知，如果裂隙面的分形维数为D ，则指数为H 的随机布朗函数可按下式产生具有分形特性的裂隙面：
=)(y x z ，
∑∞
=?++1
])sin cos (sin[k k k k k
Hk
k
A B y B x C λλ
(1)
式中：k C 为相互独立的服从标准正态分布的随机数；A k 和B k 为相互独立的服从[0，2π]上均匀分布的随机数；H = 3－D ，D 为裂隙面的分维数。
对于某一D ，给定一个λ(一般5.10.1＜＜λ)就可求出任意一点处的曲面高度z 。遍布(x ，y )就可获得具分形特征的裂隙面。图1为按随机布朗函数法模拟生成的裂隙面，其中，裂隙面的分维数D = 2.3，参数25.1=λ。
2.2 裂隙张开度分布的模拟
由于裂隙面的不同部位其张开度是变化的，因此，采用位错法模拟裂隙张开度的分布更为合理。 根据布朗曲面的性质，若上、下2裂隙面的位错值为)(y x ΔΔ，，则
)()(y x z y y x x z z ，，?Δ+Δ+=Δ
(2)
图1 分形裂隙面的生成(D = 2.3)
Fig.1 Generation of fractal fracture face (D = 2.3)
服从以零为均值，以H y x )(22Δ+Δ为方差的标准正态分布。按上式产生的z Δ中，有正、负2个序列。设负序列中绝对值最大的负数的绝对值为*z Δ，于是裂隙张开度)(y x b ，可按下式估算：
*)()(z r y x z y x b Δ+Δ=，， (3)
调整r 的值，使)(y x b ，满足裂隙面上的面积接触率(张开度小于等于0认为接触)的要求，即可生成裂隙张开度分布的情况。当r =1时，裂隙面2壁之间只有一个接触点，即接触面积为0。事实上，天然裂隙的面积接触率一般都大于零。因此，应当有10＜＜r 。将式(3)等号左端的)(y x b ，作为张开度的统计平均值，则给定x Δ，y Δ，就可优化确定出
r 。
取位错值=Δx 0.15 mm ，=Δy 0.15 mm ，面积接触率12.24%，此时r = 0.34，平均张开度0.142 mm ，
采用上述方法模拟得到的裂隙张开度分布如图2。
图2 分形几何法产生的裂隙张开度分布图 Fig.2 Fracture aperture distribution generated by fractal
method
? 1360 ? 岩石力学与工程学报 2004年
3 示踪剂溶质运移模拟
3.1 示踪济运移模型
将裂隙面离散成许多相等大小的正方形网格，认为每一个正方形网格上的张开度为常数。由于每个单元很小，其渗透系数可由立方体定律给出，即
)(122
i i i y x b g k ，μ
= (4)
式中：)(i i y x b ，为第i 个单元形心处的张开度；g 为重力加速度；μ为流体的运动粘滞系数，当溶质为示踪剂时，在15℃下，/s cm 4 011.02
=μ，当溶质浓度较高时，μ为一随浓度变化的变量。
裂隙中的水流运动可以看作是2个隔水板之间的承压水稳定流运动，则水流控制方程可以描述为
0=????
???
?????+??????????y H b k y x H b k x i i i i (5) 地下水溶质运移控制方程为
????
?
??????+????+??????????+????y C D x C D x y C D x C D x yy yx xy xx t
C
y C v x C v y x ??=
?????)()( (6) 地下水运动方程为
???
?
???
???=???=y H k v x H k v i
y i
x (7) 式(6)，(7)中：C 为溶质浓度；x v ，y v 为地下水流速度；xx D ，yy D ，xy D 和yx D 为水动力弥散系数张量的分量，可表示为
????
?
?
???++=+?==++=*2
L 2T *T L *
2T 2L )(1)(1)(1D v v v D D v v v D D D v v v
D y
x yy y x yx xy y x xx αααααα (8)
式中：L α，T α为纵向和横向弥散度；*D 为分子扩 散系数；v 为单元平均水流速度，且有y x v v v =。 3.2 数值模拟及结果分析
在裂隙面形态及张开度分析的基础上，采用有限元和特征有限元分别对裂隙中的水流和溶质运移进行模拟。假设裂隙面的分维数为2.3，2裂隙面的面积接触率为12.24%，将50 cm ×50 cm 的区域剖分成400个四边形单元。裂隙面形态及开度分布如图
1，2所示。计算中，纵向和横向弥散度分别取
5.0L =α
cm ，2.0T =α
cm
为了说明溶质运移的各向异性现象，计算考虑了2种边界条件。边界条件1和2分别考虑水和溶质从不同的方向流入。边界条件1的水流边界条件：与x 轴平行的边为隔水边界，与y 轴平行的边为定水头边界；浓度边界为：左边界20～30 cm 为第一类边界，0.1/0=C C ；0～20 cm ，30～50 cm 为溶质通量为零的第二类边界条件，其余边界为浓度为零的第一类边界。同样，可以构造边界条件2。图
3～6分别作出了时间为200 s 时水流和浓度等值线图。
图3 边界条件(1)裂隙渗流等值线(单位：cm)
Fig.3 Isoline of fracture seepage under boundary
condition (1) (unit ：cm)
图4 边界条件(1)浓度等值线
Fig.4 Concentration isoline under boundary condition (1)
10
20
30 40 50051015
20
25
30
3540
4550x / cm
y / c m
11.00
13
.00
14.40
12
.20
13.20
14.0
10
20
30 40 50051015202530354045500.
10
0.100.50
x / cm y / c m
第23卷 第8期 王锦国等. 基于分形理论的裂隙岩体地下水溶质运移模拟 ? 1361 ?
图5 边界条件(2)裂隙渗流等值线(单位：cm) Fig.5 Isoline of fracture seepage under boundary condition
(2) (unit ：cm)
图6 边界条件(2)浓度等值线
Fig.6 Concentration isoline under boundary condition (2)
从水流模拟结果可以看出(图3，5)，粗糙裂隙中的渗流存在明显的沟道流动现象。这与文[12]的研究结果是一致的。从图4和6中可以看出，在上述水动力条件下，由于渗流的不均匀性和各向异性，溶质在裂隙中的运移也显示出了明显的不均匀性，这是由裂隙张开度的不均匀分布特征所决定的。
为更明确地说明粗糙裂隙中溶质运移的不均匀性和各向异性，对对应的平均张开度下光滑平行裂隙中的溶质运移进行了模拟，浓度等值线如图7。由于裂隙的粗糙特性，水流在裂隙中的运动过程中存在能量耗散，相对于假设的光滑裂隙来说，在相同的时间内其浓度运移锋面要落后。图8为边界条件2下的x = 25 cm 轴线上沿y 方向的浓度分布曲线
(t = 200 s)。可以看出，浓度曲线存在阶梯状的特征。
图7 边界条件(2)平均张开度条件下浓度等值线 Fig.7 Concentration isoline with average aperture under
boundary condition (2)
图8 光滑裂隙和粗糙裂隙x = 25 cm 浓度分布对比曲线 Fig.8 Concentration distribution comparison at x = 25 cm for
smooth fracture and rough fracture
4 结 论
本文基于分形理论，建立了考虑裂隙面分形特征的岩体地下水溶质运移模型，并对粗糙裂隙中的溶质运移进行了数值模拟。结果表明，粗糙裂隙中渗流存在明显的不均匀性和沟道流现象，溶质运移也存在不均匀性。因此，考虑裂隙面分形特征来模拟其中的溶质运移更符合实际。同平均张开度下的光滑裂隙相比，粗糙裂隙中的溶质运移锋面更落后，且存在阶梯状的特征。当研究区的裂隙统计特征(张开度、产状、裂隙面粗糙度等)明确后，可以利用上述模型对粗糙裂隙中的溶质运移进行模拟。由于自
x / cm
y / c m
0 10 20
30 40
50
5
1015202530
35
40
45
5014.00
1
2.4012.0011.4
10.4
14.40
11.40 11.00 0 10 20 30 40 50
05
10
15
20
2530
35
40
45
50
x / cm
y / c m
0.50
0.10
0.10
0.10
0.50
01020 30 40 50
051015
20
25
30
35
40
45
50
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.3 0.55 0.8
0.3
0.3
0.5
5
0.3
0.8
x / cm
y / c m
2040
y / cm
溶质浓度/C ·C 0
－
1
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然界中的裂隙形态是千变万化的，反应在计算中由不同的裂隙参数控制。文中仅给出了某一参数下的算例，对于裂隙张开度、粗糙度以及分维数等参数的变化对溶质运移的影响，还有待于进一步研究。
参考文献
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12 Tsang C F，Neretnieks I. Flow channeling in heterogeneous fractured
tocks[J]. Reviews of Geophysics，1998，36(2)：275～298
2003年EI收录本刊论文统计表(Ⅷ)
No 第一作者期：页码No 第一作者期：页码
150 邓金根增1：2250～2253 165 张冬梅增1：2359～2362 151 杨典森增1：2254～2258 166 丁万涛增1：2367～2370 152 魏进兵增1：2259～2263 167 李宏增1：2371～2377 153 曾超增1：2264～2267 168 朱庆杰增1：2378～2381 154 杨文柱增1：2268～2273 169 郑宜枫增1：2390～2395 155 杜卫平增1：2274～2279 170 周文波增1：2412～2417 156 李文秀增1：2289～2293 171 应海民增1：2438～2442 157 肖明增1：2294～2298 172 郭小红增1：2447～2452 158 沈振中增1：2299～2303 173 杜彬增1：2453～2456 159 杨冬梅增1：2304～2307 174 张守良增1：2457～2460 160 陈卫忠增1：2308～2312 175 戚国庆增1：2469～2473 161 袁勇增1：2313～2316 176 殷立军增1：2474～2477 162 孙静增1：2317～2321 177 李佩武增1：2502～2505 163 Villaescusa
E 增1：2344～2351 178 李新平增1：2506～2509 164 张建政增1：2352～2354 179 苏生瑞增1：2510～2515
裂缝导流能力测定实验 一、实验目的 1.了解岩石被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化的关系、以及在相同闭合压力条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异； 2.分析说明达西公式与二项式公式计算出的结果不同的原因； 3.熟悉压力试验机的操作及实验流程。 二、实验原理 裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。 三、实验仪器和材料及流程 1. 仪器： NYL—2000D型压力试验机，空气压缩机—供气源，定值器—气源开关，精密压力表，浮子流量计，岩心（钢板）模，游标卡尺，天平。 2. 材料：不同产地的压裂砂、陶粒。 3.流程： 四、实验步骤 （一）实验准备 1. 在附表1中记录使用的砂子产地、粒径、名称及某温度下的气体粘度； 2. 用游标卡尺量出岩心模的外径ro及孔眼的内径re记录附表1中，用作计算岩心模面积； 3. 称一定重量的砂子（记下砂子的颗粒直径）均匀地铺在模拟岩心面上，
要保持单层，铺完后用放大镜检查一下砂子是否铺的均匀和紧密。然后称剩余砂子的重量，二者之差即为铺在岩心上的砂重，并按下式计算出支撑剂的浓度： 2 cm g ，铺有支撑剂岩心的面积单层支撑剂的重量 支撑剂（砂子）的浓度 将此浓度值记入表1中。 4. 将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验机下承压板中心位置。 5. 认真记录试验机载荷数显表上显示的加载值。 （二）岩心加压法 1. 岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。 2. 旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN ）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。 3. 送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时读出流量数Q 和对应的压力P （精密压力表示数）。 4. 需要载荷分别依次加到30、50、70、100、150、180、200、250、300kN 读出相应的P ，Q 值，记录在表2中，用达西公式计算。在测点120KN 处，保持载荷不变，改变P （调定值器阀），读出 Q, 每测点共记5组数据于表3中，用于二项式公式计算。 5. 试验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取出，观察支撑剂破碎情况。 6. 双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的P 及Q 值记入表2、表3中。 五、注意事项 （1）不要触摸在压力试验机下的岩心室； （2）开动压力试验机前，一定要检查回油阀是否处在关闭状态；
中国石油大学采油工程实验报告 实验日期：成绩： 班级：学号：姓名：教师： 同组者：无 压裂模拟实验2016 1. 实验目的(每空1分，共12分) (1) 水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，此压力大于井壁附近的地应力和岩石抗张强度，便在井底附近产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝。 (2) 压裂液是一个总称，根据压裂过程中注入井内的压裂液在不同施工阶段的任务可分为前置液、携砂液、顶替液三种。 (3) 当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石水平方向的抗拉强度，岩石将产生垂直裂缝。 (4) 裂缝内的砂浓度是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量；裂缝闭合的砂浓度是指单位面积裂缝上所含支撑剂的质量。 2. 实验内容(每题4分，共20分) (1) 破裂压力梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。 (2) 裂缝导流能力：油层条件下填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积。 (3) 全悬浮压裂液：压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来，在整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整个裂缝内，因而携砂液到达的位置就是支撑剂的位置。 (4) 地面砂比：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量；支撑剂体积与压裂液体积之比。 (5) 增产倍数：在相同的生产压差下，压裂作业后的产量与压裂作业前产量的比值。
3. 实验流程与步骤(每空1分，共12) (1) 压裂施工设备由地面设备和压裂车组两部分组成。 地面设备主要包括 压裂管汇 、 蜡球管汇 、 压裂井口装置 ； 压裂车组包括 泵车、 混砂车、 罐车 、 仪表车 、 水泥车 。 (2) 泵车的作用：一是 泵送液体 ；二是 使液体升压；混砂车的作用：一是 把支撑剂与压裂液充分混合 ；二是 为泵车提供充足的液体 。 4. 数据处理（写出算例）（30分） (1) 计算闭合压力(计算一组数据即可) 以100KN 载荷为例计算： (2) 用达西公式计算裂缝导流能力(计算一组数据即可) 以单层入口压力2.39atm ，出口压力1atm ，流量0.94m 3/d=261.1cm 3/s 为例计算： W=1cm 同理可求出其他测点的闭合压力和裂缝导流能力，如表1 表1不同载荷下的闭合压力和裂缝导流能力 载荷（kN ） P 闭（kg/cm 2 ） K f W （μm 2 ?cm ） 单层 双层 50 76.78 1.006 0.9984 100 153.56 1.006 0.9984 120 184.28 1.006 0.9984 150 230.34 1.006 0.9984 200 307.13 1.006 0.9984 250 383.91 1.006 0.9984 (3) 用二项式公式计算120KN 载荷的导流能力(画图注意横纵坐标名称与单位) 注： )4 3 r r (ln w πaK 2μA o e f g -?=，{a =86.4，Q (m 3/d)；g μ(mPa ·s)；P (MPa)}，入口压力，出口压力为绝对压力。 计算数据如表2： 表2 120kN 载荷下（Pi 2 -Po 2 ）/Q 与Q 的值 单层 双层 （Pi 2 -Po 2 )/Q （MPa 2·d/m 3） Q(m 3/d) （Pi 2 -Po 2 )/Q Q
南华大学-岩石的爆破破碎机理 第七章岩石的爆破破碎机理 概论 爆破是目前采矿工程中和其他基础工程中应用最广泛最频繁的一种破碎岩石的有效手段。为了更有效的利用炸药爆炸释放的能量达到一定的工程目的，研究炸药包爆炸作用下岩石的破碎机理是一项重要的科研课题。 炸药爆轰过程属于超动态动力学问题，从药包起爆到岩石破碎，只有几十微秒。 岩石的爆破机理研究是在生产实践的基础上，借助于高速摄影，模拟试验，数值分析对爆破过程中在岩石内发生的应力、应变、破裂、飞散等现象的观测基础上总结而成的。 （讲课时间5分钟） 第一节岩石爆破破坏的几种假说 一、爆炸气体产物膨胀压力破坏理论（讲课时间10分钟） 岩石主要由于装药空间内爆炸气体产物的压力作用而破坏。 炸药爆炸—气体产物（高温，高压）—在岩中产生应力场—引起应力场内质点的径向位移—径向压应力—切向拉应力—岩石产生径向裂纹；如果存在自由面，岩石位移的阻力在自由面方向上最小，岩石质点速度在自由面方向上最大，位移阻力各方向上的不等形成剪切应力导致岩石剪切破坏；爆炸气体剩余压力对岩块产生进一步的抛掷。 这种理论认为： 1、炸药的能量中动能仅为5%~15%，大部分能量在爆炸气体产物中； 2、岩石发生破裂和破碎所需时间小于爆炸气体施载于岩石的时间。 二、冲击波引起应力波反射破坏理论（讲课时间5分钟） 岩石的破坏主要是由自由面上应力波反射转变成的拉应力波造成的。 爆炸冲击波在自由面反射为拉伸波，岩石的抗拉强度低，岩石易受拉破坏。这种理论主要依据： 1、岩体的破碎是由自由面开始而逐渐向爆心发展的； 2、冲击波的压力比气体膨胀压力大得多。
图7-1 反射拉伸破坏 三、爆炸气体膨胀压力和冲击波所引起的应力波共同作用理论 （难点）（讲课时间10分钟） 爆破时岩石的破坏是爆炸气体和冲击波共同作用的结果，它们各自在岩石破坏过程的不同阶段起重要作用。 爆轰波衰减成应力波造成岩石“压碎”，压碎区以外造成径向裂隙。气体产生“气楔作用”使裂隙进一步延伸和张开，直到能量消耗完。尽管炸药的能量中动能仅为5%~15%，但岩石开始的破裂阶段是非常重要的。 爆炸气体产物膨胀的准静态能量是破碎岩石的主要能源，炸药作功能力同它的爆热和爆容有关。冲击波作用重要性同岩石的特性有关。岩石波阻抗较高时，要求有较高的应力波峰值，此时冲击波的作用更为重要。岩石按波阻抗值分为三类： 1、岩石波阻抗为10X105~25X105（g/cm2·s）； 2、岩石波阻抗为5X105~10X105（g/cm2·s）； 3、岩石波阻抗为2X105~5X105（g/cm2·s）。 不同条件下和不同目的情况下的爆破，可以通过控制炸药的应力波峰值和爆炸生成气 体的作用时间来达到预期目的
中国石油大学采油工程实验报告 实验日期：2015.11.22成绩： 班级：学号：姓名：教师： 同组者： 裂缝导流能力模拟实验 一、实验目的 （1）了解岩石被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化的关系、以及在相同闭合压力条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异； （2）分别应用达西公式与二项式公式进行计算，分析出结果的异同点，并说明原因； （3）熟悉裂缝导流仪的操作及实验流程。 二、实验原理 裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。 三、实验步骤 （1）实验准备工作 ①在附表1中记录使用的支撑剂名称、产地、粒径及室内温度下的气体粘度； ②用游标卡尺量出岩心模的外径和孔眼的内径，记录附表1中，用作计算岩心模面积； ③称一定重量的支撑剂（记下支撑剂的颗粒直径）均匀地铺在岩心模面上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下支撑剂是否铺的均匀和紧密。然后称剩余支撑剂的重量，二者之差即为铺在岩心上的支撑剂重量，并按下式计算出支撑剂的浓度： 2= g/cm 单层支撑剂的重量 支撑剂浓度（） 铺有支撑剂岩心面积，将此浓度值记入表1中。 ④将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验 机下承压板中心位置。 ⑤认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。 （2）岩心加压法 ①岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。 ②旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN ）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。 ③送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时
第三章裂隙岩体的爆破理论 第一节 岩体破坏的主要因素一. 岩石、岩体、结构面和结构体 岩石:由一种或几种矿物在地质作用下，按一定规律聚集成的自然体。岩体：经受地质作用的地质体。 结构面：通常把岩体内开裂和易于开裂的地质面统称为结构面。结构体：含有结构面的岩体。 ??????????????????????????????风化裂隙卸载裂隙次生结构面劈理节理 断层褶皱构造结构面变质结构面火成结构面沉积结构面原生结构面岩体结构面
二. 岩体破碎的主要因素： 炸药爆炸产生的应力波在传播过程中与岩体结构面相遇，使原有裂隙扩大或产生新的裂隙，形成裂隙网，岩石发生破碎，即应力波与结构面的相互作用是岩体破碎的主要因素。 1. 试验研究: 美国马里兰大学等采用高速摄影和动光弹相结合的方法，进行了一系列室内和现场试验。 1）微小裂隙模型的破裂: 室内用Homalite-100型塑胶（具有较大的脆性，易于模拟脆性岩石），采用双条纹材料制作，利用动光弹可清晰地显示应力波与裂隙在破碎过程中的相互作用。在板的不同位置和方向上都作了人造裂隙，实验结果有四点发现。
A 在无裂隙模型上，炸药爆炸后，由于径向压应力的作用，孔壁上发生压碎现象。当P波自孔壁向外传播，在切向拉应力的作用下，产生径向裂隙； B 应力波从自由面反射，并与向外扩展的径向裂隙相互作用，引起裂隙的分岔，直到裂隙扩展终止； C 裂隙的产生和扩展完全是各种应力波相互作用的结果。 D 向外传播的径向裂隙，在反射波的作用下产生“栅栏分枝”，形成 密 集的环状裂隙网，使岩石得以全面破碎。与无裂隙模型相比，微小裂隙模型的块度要小得多。 2）岩石板模型的破裂： 用300×300×50mm的花岗岩板
第六章地下水的地质作用 教学目的要求：了解地下水、泉、地下热水的概念及特征；掌握地下水的赋存、运动及类型；初步掌握地下水潜蚀作用、沉积作用的基本原理和特征。 教学重点及难点：重点是地下水的赋存、运动及类型和地下水的潜蚀作用、溶蚀现象；难点是的地下水的溶蚀和沉淀过程。 第一节地下水概述 ——是指地表以下的岩石孔隙中或土层里的水，称为地下水。 地下水主要是由大气降水、地面流水、冰雪融水、湖泊水渗透到地下而形成的，称为渗透水。此外还有凝结水、埋藏水、原生水等。 一、地下水的赋存及运动条件 ——岩石或土层允许水透过的性能称为透水性。 地下水能在岩石中赋存与运动，是因为岩石中具有一定的空隙。空隙包括孔隙（岩石颗粒之间的空隙）、裂隙（岩石的裂缝）和洞穴（可溶性岩石受溶蚀后形成的孔洞）。 岩石孔隙度越大，含水量越大，透水性越好；孔隙度越小，含水量越少，透水性越差。因此自然界的岩石可分为透水层和不透水层：透水层——能够透过地下水的岩层。主要有：砂岩层、沙砾岩层以及裂隙、洞穴发育的其它岩石。其中储满地下水的部分称为含水层。 不透水层——不能透过地下水的岩层。主要有：粘土、页岩、岩浆岩、变质岩等。 不透水层对地下水的运动起着阻隔作用，又称为隔水层。
两者之间过渡类型称为半（弱）透水层。如泥岩、亚粘土、黄土等。 二、地下水的类型 地下水按照埋藏条件分为包气带水、潜水、承压水。 1.包气带水（土壤水） ——从地面到地下水面（潜水面）之间的地带（包气带、不饱和带）所含的非重力地下水，以气态水、吸着水、薄膜水和毛细水等状态存在。 2.潜水 ——埋藏在地面以下，在第一个隔水层之上，具有自由表面的重力水，称为潜水。 潜水的表面称为潜水面，随地形起伏而变化，具有潜水流。同时因季节变化而升降，雨季、旱季潜水面的不同而形成一个暂时饱和带。 3.层间水 ——埋藏在地下两个隔水层之间的含水层中的水。 承压水——当两个隔水层之间的含水层被水充满时，就是有了一定的静压力，称为承压水。 自流井——当打井凿穿上部隔水层时，如果承压水的静水压力所达到的水头高度超过井口地面时，则自行喷溢出地表，形成自流井。自流井最适宜的构造类型为向斜盆地和单斜构造。自流水坟地可以分为三个区：补给区、承压区和排泄区。在承压区形成自流井，在排泄区形成上升泉。
中国石油大学（采油工程）实验报告 实验日期： 成绩： 班级：学号：姓名：教师： 同组者： 实验三裂缝导流能力模拟实验 、实验目的 1.了解岩石被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化的关系、以及在相同闭合压力 条件下铺有不同层数的支撑剂的裂缝导流能力的差异； 2．析说明达西公式与二项式公式计算出的结果不同的原因； 3. 熟悉压力试验机的操作及实验流程。 、实验原理 裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。 验仪器和材料 1. 仪器：NYL—200D型压力试验机或NYL—2000D型压力试验机，空气压缩机 —供气源，定值器—气源开关，精密压力表，浮子流量计，岩心（钢板） 模，游标卡尺，放大镜。 2. 材料：不同产地的压裂砂、陶粒。 、实验步骤 一）实验准备 1. 在附表1中记录使用的砂子产地、粒径、名称及某温度下的气体粘度； 2. 游标卡尺量出岩心模的外径r o及孔眼的内径re记录附表1中，用作计算岩心模面 3. 称一定重量的砂子（记下砂子的颗粒直径）均匀地铺在缠有铜网的岩心面 上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下砂子是否铺的均匀和紧密。然后 称剩余砂子的重量，二者之差即为铺在岩心上的砂重，并按下式计算出支撑 剂的浓度：
岩心外半 径岩心孔眼 半径 岩心面 积 支撑剂浓度 （g/cm2） 空气粘度 （mPa·s）支撑剂 将此浓度值记入表1中。 4. 将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验机下 承压板中心位置。 5. 认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。 图3-1 岩心模型 ）岩心加压法 1. 岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模 型， 准备加载。 2. 旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开 启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到1.5吨（或1KN）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。 3. 送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。 同时读出流量数Q和对应的压力P（精密压力表示数）,记录在附表3中。 4. 需要载荷分别依次加到 30kN 50 kN 70kN 100kN 120kN 150kN 180kN 200kN 250kN 300kN 读出相应的P，Q值，用达西公式计算。 注意：在测点70、120、180kN处，保持载荷不变，改变P（调定值器 阀），读出 Q, 每测点共记5组数据于表2中，用于二项式公式计算。 5. 实验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取 出，观察支撑剂破碎情况。 6. 双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的 支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的P及 Q值记入表3、表2中。 )实验测得的的数据如下所示： 表1 基本参数
2. 工程爆破基本理论 爆破理论就是研究炸药爆炸与爆破对象（目标）相互作用规律的有关理论。对于内部爆破（装药置于爆破对象内部），例如岩土爆破，就是研究炸药在岩土介质中爆炸后的能量利用及其分配，也就是研究炸药爆炸产生的冲击波、应力波、地震波在岩土中的传播和由此引起的介质破坏规律，以及在高温高压爆生气体作用下介质的进一步破坏及其运动规律；对于外部爆破（装药与爆破对象之间有一定距离），例如军事上采用的接触或非接触构件爆破，就是研究炸药爆炸后产生的冲击波在传播过程中与目标的相互作用以及由此引起的爆破目标的破坏及其运动规律。它是一个复杂而特殊的研究系统。要阐明爆炸的历程、机理和规律，应包括以下研究内容： ⑴、爆破的介质在什么作用力下破坏的；破坏的规律及其影响因素； ⑵、爆破介质的特性，包括目标（岩土）的结构、构造特征、动态力学性质及其对 爆破效果的影响； ⑶、爆炸能量在介质中传递速率； ⑷、介质的动态断裂特性与破坏规律； ⑸、介质破碎的块度及碎块分布、抛掷和堆积规律； ⑹、空气冲击波与爆破地震波的传播规律、个别爆破碎块的飞散距离；以及由冲击波、地震波、个别飞石、爆体的落地震动等引起的爆破危害效应及其控制技术。 以岩石爆破为例，目前大量实验室和现场试验证明，岩体的爆破破碎有以下规律：（1）、应力波不仅使岩石的自由面产生片落，而且通过岩体原生裂隙激发出新的裂隙，或者促使原生裂隙进一步扩大，在应力波传播过程中，岩体破碎的特点是：原生裂隙的触发、裂隙生长、裂隙贯通、岩体破裂或破碎；（2）、加载速率对裂隙的成长有很大作用：作用缓慢的荷载有利于裂隙的贯通和形成较长的裂隙，而高速率的载荷容易产生较多裂隙，但却拟制了裂隙的贯通，只产生短裂隙；（3）、爆破高压气体对裂隙岩体的破碎作用很小，但它有应力波不可 替代的作用：可以使由应力波破裂了的岩体进一步破碎和分离；（4）、岩体的结构面（岩体弱面的统称，包括节理、裂隙、层理等各种界面）控制着岩体的破碎，它们远大于爆破作用力直接对岩体的破坏。 同其它学科对事物的认识规律一样，对爆破理论的研究也是由浅入深的。不同学者先后提出了各种各样的假说或理论，例如，最初提出了克服岩石重力和摩擦力的破坏假说，以后又相继提出了自由面与最小抵抗线原理，爆破流体力学理论，最大压应力、剪应力、拉应力强度理论，冲击波、应力波作用理论，反射波拉伸作用理论，爆生气体膨胀推力作用理论，爆生气体准静楔压作用理论，应力波与爆生气体共同作用理论，能量强度理论，功能平衡理论，利文斯顿（Livingston）爆破漏斗理论和爆破断裂力学等等理论。这些理论观点各异，有些相互矛盾，有些互相渗透，有些不够全面，存在片面性，而且大部分视爆体为连续均匀的介质，与实际情况尚有一定差距。 目前，在爆破界比较倾向一致的是“爆炸冲击波、应力波与爆生气体共同作用”理论，
六、对流—弥散模型的应用 六 水质模研究的般程 1、水质模型研究的一般过程 2、地下水污染问题 3、海水入侵问题与海水入侵中的阳离子交换问题 4、咸水、卤水入侵问题 5、非饱和带水分和养分联合运移模型
水质模型研究的般过程 1、水质模型研究的一般过程 1）确定目的任务： 最常见的问题有： 地下水污染趋势的分析、预测，提出相应对策； 地下水污染趋势的分析预测提出相应对策； 估计废水排放和废物堆对地下水可能造成的污染； 估计农药、化肥及污水灌溉对地下水可能造成的污染； 研究人工回灌对地下水水质的影响； 沿海地区海水入侵淡水含水层问题； 咸水、卤水入侵问题，内陆地区咸水对水源地入侵可能性分析； 核废料处置库的安全评价； 尾矿库渗漏对地下水水质影响分析； 地表水污染对地下水水质的影响等。
不同的问题会提出不同的任务，如： 确定污染区范围，预防地下水或水源地进一步被污染； 根据地下水水质及其发展趋势，指导新井布置； 规定人工回灌水的水质标准； 指导生活垃圾和工业废弃物堆放地、核废料处置库位置的选定； 预计已被污染的含水层天然净化所需时间等。 确定滨海含水层、滨卤水体淡水含水层的开采强度和开采井的合理布局以避免海水入侵或咸水入侵的进一步扩展； 为政府有关部门提供污染防治对策等。 目的、任务、研究区确定后，选定模拟的溶质，提出对结果的精度要求。 2 ）野外调查和资料收集并确定模型确定相应的数值方法 36th 3）选择并确定模型，确定相应的数值方法
4）现场试验 布置长期观测网进行观测；进行必要的抽水试验、弥散试验。 5）编制程序、整理数据 如二维对流——弥散模型需要输入下列数据： 含水层的边界的形状、厚度、顶底板高程等； 初始水头场、溶质初始浓度场（通过插值得到各结点的初始水头 初始水头场溶质初始浓度场（通过插值得到各结点的初始水头 和初始浓度）； 抽（注）水井的位置、流量和水质，河流和地表水体的位置、 补给量和水质，污染源的位置、水质等； 与相邻含水层及地表水之间的水力联系； 各种水文地质参数孔隙度渗透系数贮水系数给水度 各种水文地质参数（孔隙度、渗透系数、贮水系数、给水度、 降水入渗系数、纵向弥散度、横向弥散度、分子扩散系数等）的估计值； 水头和溶质浓度的长期观测资料； 野外试验资料（包括试验期间的水头、水质的观测资料）； 有关水流模型、对流—弥散模型各类边界条件的资料等。
水力压裂裂缝导流能力优化水力压裂裂缝导流能力优化与影响因素分析与影响因素分析 邢振辉 圣戈班陶粒中国公司 水力压裂工艺技术作为油气增产的主要手段，已经在石油工业中牢牢确立了自己的地位。在水力压裂引入石油工业的头40年中，它主要应用于低渗透油气藏的开发当中， 然而，在最近的20年来，水力压裂技术的应用逐步扩展到了中-高渗油气藏的开发中来， 同目前最先进的钻井、完井工艺结合在一起，在压裂解堵、薄层改造、压裂防砂、水平井增产改造等方面发挥着重要作用。 水力压裂的主要目的在于提供一条连通地层与井筒的高导流能力通道，改变地层流体的渗流方式，以最大限度的提高油气的生产指数（PI ）。因此，裂缝导流能力的好坏以及其与地层渗流能力的良好匹配，无论对于低渗透致密油气藏还是低压中--高渗储层，都是影响其压裂增产改造效果的重要因素。 裂缝导流能力的定义 裂缝导流能力定义为：平均支撑裂缝的宽度w f 与支撑裂缝渗透率k f 的乘积。公式表示如下: (1) 其物理意义是支撑裂缝所能提供的供液体流动的能力大小。其中，k f 应为就地应力条件下的支撑裂缝渗透率。通常在压裂设计中，支撑剂渗透率参数常来源于实验室数据，这是因为实际就地应力条件下的支撑剂渗透率数据很难获得。然而，实验室条件同真实的地层条件相比存在很大差别，支撑剂在地层条件下所遭受的破坏可能远远大于我们的想象， 同时由于非达西流以及多相流的影响，支撑裂缝的渗透率将大大降低。因此，在压裂设计中，常将实验室获得的支撑剂渗透率数据乘以一个伤害系数进行修正。 油气井经过压裂改造后，其增产效果取决于两个方面的因素，即地层向裂缝供液能力的大小和裂缝向井筒供液能力的大小。因此，为了更好地实现设计裂缝导流能力与地层供液能力的良好匹配，引入了无因次裂缝导流能力的概念。其公式表示如下： （2） 式中：C fD 为无因次裂缝导流能力 X f 为裂缝半长 K 为地层渗透率。 C f 为裂缝导流能力 无因次裂缝导流能力C fD 的物理含义是裂缝向井筒中的供液能力与地层向裂缝中的供液能力的对比。（2）式中， 除地层渗透率K 外，裂缝支撑宽度w f ，裂缝支撑半长X f 以及支撑裂缝渗透率k f 都可以通过对压裂施工规模，施工参数和支撑剂的选择进行调控。因此，C fD 是进行压裂设计时要考虑的一个主要变量，它对压后的增产效果有着重要的影响。 无因次裂缝导流能力C fD 的评价与优化 无因次裂缝导流能力是我们进行压裂优化设计以达到最佳压后增产效果的一个重要设计参数，对于具有不同的储层系数（kh ）和地层压力的油气藏，压裂设计时所要求的无因次裂缝导流能力是不同的。
现代爆破理论2006年6月16日
前言 随着爆破技术和相邻学科的发展，爆破理论的研究也有了长足的进步。特别是岩体结构力学、岩石动力学和计算机模拟爆破技术的发展，使爆破理论的研究更实用化，更系统化了。 当今岩体力学已从以材料力学为基础的连续介质岩体力学发展为以工程地质为基础的非连续介质岩体力学。岩体结构面特征对爆破的影响日益引起人们的重视。 岩石动力学作为爆炸力学、冲击力学与爆破工程相结合的一门边缘学科，它的产生和发展无疑对岩石爆破破碎原理的研究是一种推动力量。 计算机模拟爆破技术的发展，不仅可以预算出最优的爆破效果，而且可以在计算机上再现岩石爆破的动态过程，从而大大减少现场试验所消耗的人力、物力，并能准确地查明各种因素对爆破效果的影响。它代表着90年代爆破技术的最高水平，也是爆破技术由工艺过渡到科学的重要标志之一。但是，从总体上看，爆破理论的发展仍然滞后爆破技术的要求，理论研究和生产实际仍有不小的差距。再加上爆破过程的瞬时性和岩石性质的模糊性、不确定性、致使爆破理论众说纷法，争论不止。美国矿业局W．L．福尔内（Faurney）等人认为：“岩石破碎的过程仍然没有阐明，在公开文献中尚有许多混乱和相互矛盾的论点……”南非的C．V．B．坎宁安（Cunninghan）在论及岩石爆破过程中动压与静压哪个占主导地位时谈到“60年代以来，一直为人们所争论，毫无疑问，今后仍将争论一段时间”。南非矿业研究会高级工程师J．R布里克曼（Brinkman）在1987年召开的第二届爆破破岩国际会议（2nd International Symposium on Rock Fragmentation byBlasting）上谈到：“岩石爆破破碎机理目前仍存在着相互矛盾的观点”。 在爆破理论迅速发展又众说纷云、相互矛盾的情况下，从发展的角度去研究不同时期各派爆破理论的主要论点、依据，从中找出发展趋势，无论是对于爆破理论本身的研究还是指导工程实践都有着重要意义。 爆破理论的传统内容包括，岩石是在什么作用力下破碎的；破碎的规律以及其影响因素。随着人们对爆破现象认识的逐步加深，对于爆破理论的研究内容和范围也相应扩大。 1958年日本召开的岩石爆破机理讨论会上，东京大学的山口梅太郎认为，爆破机理的研究范围应该包括： （1）力学的爆破机理： 理论的研究； 爆破时的各种测定； 现场爆破效果的总结。 （2）关于炸药的研究： 广义的炸药破坏力的研究； 药室内压力的研究。 （3）对作为爆炸对象的岩石性质的研究： 岩石物理性质的研究； 作为岩体的岩石性质的研究。 实践证明，这些观点已被很多人接受。前苏联学者A．H．哈努卡耶夫（Ханукаев）认为，爆破法破碎岩石的过程就是岩石爆破的物理过程。要使更多的炸药能量用于破碎岩石，就必须使炸药的爆轰性能与岩石的性质相匹配。因此，炸药的研究和岩石性质的研究构成了爆破机理研究的重要组成部分。我国著名学者杨善元教授认为，爆破是一种动态的力学过程，用“岩石爆破动力学”来概括岩石爆破的理论基础比较合适，其内容应该包括：（1）波动物理学； （2）爆炸力学（包括热流体力学与冲击波理论，热化学与爆轰理论）；
CDLY-2006型裂缝导流能力测试 技 术 说 明 江苏华安科研仪器有限公司 地址:江苏省海安开发区鑫港路8号
CDLY-2006型裂缝导流能力测试 一、仪器对油田增产的意义 压裂作业是油田生产中对低渗油藏增产改造的主要手段之一。压裂作业的增产效果与支撑裂缝的导流能力密切相关，导流能力取决于裂缝的宽度和裂缝闭合后支撑剂的渗透率。因此，只有对不同来源的支撑剂在压裂作业前进行优选和质量控制，才能保证最佳的施工设计，导流能力测量仪是对不同的支撑剂在压裂作业前进行优选和质量控制测试的仪器。 二、仪器基本原理 裂缝导流仪是按照API标准研制的。它可在标准实验条件下评价裂缝支撑剂的导流能力，从而对各种支撑剂进行性能对比，测试方法如下： 1．用液压机对装有支撑剂的测试室施加不同的闭合压力，使支撑剂处半稳定状态； 2．对支撑剂层注入试验液，对每一闭合压力下的裂缝宽度、压差等进行计量； 3．用达西公式计算支撑剂层的渗透率和裂缝导流能力； 4．重复此过程直到所要求的各种闭合压力和流速都被评估； 5．将测试室加热到油藏温度，再对支撑剂层进行测试。三、仪器系统流程 本仪器由以下各部件组成： 1．符合API标准的线性流导流室（径向流导流室）；
2．液压机及压力补偿系统； 3．线性位移传感器； 4. 试验液体驱替系统，包括驱替泵及脉冲压力阻尼器等； 5. 压差计、压力传感器； 6．回压调节系统； 7．天平； 8．加热及温控系统； 9．真空系统； 10．自动控制系统； 11．数据采集与处理系统。 流程如图所示： 支撑裂缝导流仪流程图
四、主要技术指标 1．液体流速范围：0～20mL/min； 2．测试压力：最大20MPa； 3．操作温度：室温～180℃； 4．闭合压力：0～100MPa； 5．支撑剂厚度：0.25～1.27cm； 6. 液体压差：ΔP(0- 6Kpa)、精度0.25%F.S; 7. 气体流量计量程： 0-3000ml/min 8. 导流能力：0-2000μm2·cm 9. 渗透率: 0-4000μm2 五、主要技术特点 1．仪器自动采集压差、位移、流量、温度等参数，并能自动进行数据处理，计算不同闭合压力下的导流能力。 2．一种闭合压力的三个流量试验完毕后仪器能自动转到下一个闭合压力，继续实验。 3．闭合压力PID智能补偿，由于支撑剂变形或其它原因引起闭合压力下降，压力补偿系统能自动补偿，维护闭合压力在一定范围内变化。 4．闭合压力下三种流量自动转换，一种流量测试完毕后仪器自动转换到下一个流量进行测试。 5.手动与自动两种操作功能。
岩石的爆破破碎机理2008-07-09 17:39 一、岩石爆破破碎的主因 破碎岩石的炸药能量以两种形式释放出来，一种是冲击波，一种是爆炸气体。但是岩石破碎的主要原因究竟是冲击波作用的结果还是爆炸气体作用的结果，由于认识和掌握资料的不同，便出现了不同的结果。 1、冲击波拉伸破坏理论（该观点的代表人物日野熊、美国矿业局的戴维尔） 当炸药在岩石中爆轰时，生成的高温、高压和高速的冲击波猛烈冲击周围的岩石，在岩石中引起强烈的应力波，它的强度大大超过了岩石的动抗压强度，因此引起周围岩石的过度破碎。当压缩应力波通过粉碎圈以后，继续往外传播，但是它的强度已大大下降到不能直接引起岩石的破碎。当它达到自由面时，压缩应力波从自由面反射成拉伸应力波，虽然此时波的强度已很低，但是岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，所以仍足以将岩石拉断。这种破裂方式亦称“片落”。随着反射波往里传播，“片落”继续发生，一直将漏斗内的岩石完全拉裂为止。因此岩石破碎的主要部分是入射波和反射波作用的结果，爆炸气体的作用只限于岩石的辅助破碎和破裂岩石的抛掷。 2、爆炸气体的膨胀压理论（该观点的代表人物村田勉等） 从静力学的观点出发，认为药包爆炸后，产生大量高温、高压气体，这种气体膨胀时所产生的推力作用在药包周围的岩壁上，引起岩石质点的径向位移，由于作用力不等引起的不同的径向位移，导致在岩石中形成剪切应力。当这种剪切应力超过岩石的极限抗剪强度时就会引起岩石的破裂。当爆炸气体的膨胀推力足够大时，还会引起自由面附近的岩石隆起、鼓开并沿径向方向推出。它在很大程度上忽视了冲击波的作用。 3、冲击波和爆炸气体综合作用理论（该观点的代表人物有C.W.利文斯顿、φ.A.鲍姆，伊藤一郎，P.A.帕尔逊、H.K.卡特尔，L.C.朗和N.T.哈根等）这种观点的学者认为：岩石的破碎是由冲击波和爆炸气体膨胀压力综合作用的结果。即两种作用形式在爆破的不同阶段和针对不同岩石所起的作用不同，爆炸冲击波（应力波）使岩石产生裂隙，并将原始损伤裂隙进一步扩展；随后爆炸气体使这些裂隙贯通、扩大形成岩块，脱离母岩。此外，爆炸冲击波对高阻抗的致密、坚硬岩石作用更大，而爆炸气体膨胀压力对低阻抗的软弱岩石的破碎效果更佳。 二、炸药在岩石中的爆破作用的范围 1、炸药的内部作用 假设岩石为均匀介质，当炸药置于无限均质岩石中爆炸时，在岩石中将形成以炸药为中心的由近及远的不同破坏区域，分别称为粉碎区、裂隙区及弹性振动区。 （1）粉碎区（压缩区） 炸药爆炸后，爆轰波和高温、高压爆炸气体迅速膨胀形成的冲击波作用在孔壁上，都将在岩石中激起冲击波或应力波，其压力高达几万MPa、温度高达30000以上，远远超过岩石的动态抗压强度，致使炮孔周围岩石呈塑性状态，在几到几十毫米的范围内岩石熔融。尔后随着温度的急剧下降，将岩石粉碎成微细的颗粒，把原来的炮孔扩大成空腔，称为粉碎区。如果所处岩石为塑性岩石（黏土质岩石、凝灰岩、绿泥岩等），则近区岩石被压缩成致密的、坚固的硬壳空腔，
黄志强 （桂林工学院，广西，桂林541004） 【摘 要】岩体的软弱层面会影响到爆破破碎效果，如何确定岩石材料的缺陷在爆破破碎中的影响因子是研究岩石破碎机理的关键。通过对当前岩石爆破破碎的研究现状进行综合分析、评述，讨论了岩石爆破破碎机理研究的要点以及今后的研究重点，为后续相关研究指出了方向。 【关键词】岩石破碎；爆破机理；损伤 【中图分类号】TD231.1 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2007)12-0086-02 岩石爆破的破碎效应是影响交通土建、水利、矿山等工程效益的重要指标，它影响到生产过程中的铲装、运输和粗碎等工序的效率和成本，也影响到道路、堤坝等基础工程的渗透性、沉降性和稳定性。因此，岩石爆破破碎理论的研究一直是岩石动力学和岩石爆破研究领域的一个热点问题，研究并揭示爆破作用下岩石破碎机理对促进爆破理论和相关技术的发展、提高工程质量和效益具有十分重要的理论和实际意义。 （一）当前研究成果 岩体由于其材料的特殊性，内部具有较多的节理、裂隙、层理等不连续层面，这些不连续面对爆破破碎效果会产生严重的影响，主要体现在应力集中、应力波反射增强、能量耗散、高压爆生气体外逸等。因此在岩石爆破设计、施工中如何处理岩石中的不连续面对爆破效果的影响，是当前研究岩石爆破破碎机理的主要问题。 国内外学者进行的大量研究指出：裂隙岩石的破碎是由爆炸冲击波与爆生气体共同作用的结果，但与均匀介质材料爆破相比，岩体的破碎主要是爆炸应力波作用的结果，裂隙岩体的爆炸气体膨胀压力较小，只是当应力波将岩石破碎成块以后，起到促使碎块分离的作用；应力波在裂隙岩体的传播过程中，在裂隙之间传播的扰动将会产生新的破裂；由于裂隙的发展速度有限，爆炸载荷的速率对裂隙的成长有较大的作用，而高应变率载荷容易产生较多的裂隙。 在此基础之上，当前的相关研究主要在两方面展开，一是追求普遍适用于各种爆破计算和分析、旨在建立相关计算模型的理论研究；一是结合一定工程实践，适用于一定范围的具体工程设计和参数优化的实验研究。在理论研究方面，从岩石破碎研究的发展历程来看，可将其分为弹性理论阶段、断裂理论阶段、损伤理论阶段和分形损伤理论4个阶段。 1.弹性理论阶段 弹性力学模型将岩石视为各向同性的均质、连续的弹性体，岩石在爆炸荷载作用下的破坏是因其内部最大应力超过岩石应力极限引起的。在破碎之前，岩石处于弹性状态。这种理论以弹性力学及有限元方法为基础，运用现代计算机技术可方便的简化工程问题、建立力学模型并加以分析计算。由于这种理论模型不考虑岩石的材料缺陷，其理论基础与实际情况有一定的差距。 2.断裂理论阶段 断裂力学模型认为岩石中的裂纹扩展及断裂破坏是影响岩石爆破破碎效果的主要因素。与弹性模型不同的是该类模型将岩石视为含有微裂纹的脆性材料，岩石的破化过程就是其内部裂纹产生、扩展和断裂的过程。但断裂力学模型仍将裂纹周围看作是均匀的连续介质，因而其仅适用于宏观裂纹形成之后的断裂阶段，对材料开始劣化到宏观裂纹形成之间的力学行为和物理过程并未进行分析描述，其适用范围只限于宏观裂纹已形成的有层理或沉积类岩石。 3.损伤理论阶段 1980年美国Sandia国家实验室的Kipp和Grady开始进行岩石爆破损伤模型的研究，他们认为岩石中存在着大量随机分布的原生裂纹，在爆破作用下部分原生裂纹将被激活并发生扩展，激活的裂纹数服从指数分布。他们运用损伤因子D表示这些岩石裂纹开裂及损伤程度。经过 Seamen、Grady、Kipp、Kus 等人的努力，最后，由 Throne 进一步完善建立了一个能 【收稿日期】2007-10-29 【作者简介】桂林工学院青年扶持基金项目，桂工院科［2007］4号 【作者简介】黄志强（1977－），男，四川武胜人，桂林工学院讲师，主要从事工程力学相关科研工作。 岩石爆破破碎机理研究
裂缝导流能力实验 一、 实验目的 1、 了解支撑裂缝导流能力随闭合压力变化的规律，以及相同闭合压力 条件下不同铺砂层数导流能力的差异。 2、 分别应用达西公式和二项式公式进行计算，分析结果的异同点，并 说明原因。 3、 熟悉裂缝导流仪的操作及实验流程。 二、实验原理 裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。 三、 实验仪器和材料 1、仪器名称：裂缝导流仪，包括以下组成部分：压力试验机、空气压缩机、定值器、精密压力表、浮子流量计、岩心（钢板）模、游标卡尺、电子天平、放大镜。 2、材料：不同产地的石英砂和陶粒。 四、实验步骤 （1） 准备实验工作 1、在附表 1 中记录使用的砂子产地、粒径、名称及某温度下的气体粘度； 2、用游标卡尺量出岩心模的外径 ro 及孔眼的内径 re 记录附表 1 中，用作计算岩心模面积； 3、称一定重量的砂子（记下砂子的颗粒直径）均匀地铺在缠有铜网的岩心面上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下砂子是否铺的均匀和紧密。然后称剩余砂子的重量，二者之差即为铺在岩心上的砂重，并按下式计算出支撑剂的浓度： 2= 单层支撑剂的重量 支撑剂浓度（g/cm ）铺有支撑剂岩心的面积 ，将此浓度值记入表 1 中。 4、将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验机下承压板中心位置。 5、认真记录试验机载荷刻度盘上读出加载值。 图1岩心模型
（2）岩心加压法 1、岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。 2、旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针（黑针）转到 1.5 吨（或 1KN）时,将送油阀放慢关闭维持此点上，将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时读出流量数 Q 和对应的压力 P （精密压力表示数）,记录在记录表中。 4、需要载荷分别依次加到 30KN 50KN （70KN）100KN （120KN）150KN （180KN）200KN 250KN 300KN 读出相应的 P，Q 值，用达西公式计算。 注意：在测点 7、12、18 吨（或 70、120、180KN）处，保持载荷不变，改变 P（调定值器阀），读出 Q, 每测点共记5 组数据于记录表中，用于二项式公式计算。 5、试验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取出，观察支撑剂破碎情况。 6、双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤（二）进行操作，测出不同载荷下的 P 及Q 值记入记录表中。 五、实验原始数据 裂缝导流能力模拟实验原始记录表 表1 基本参数 岩心外半径R0(cm) 岩心孔眼半 径(cm) 岩心面积 (cm2) 支撑剂浓度(g/cm2) 空气粘度 (mPa.s) 支撑剂 单层双层目数产地 4.503 0.455 63.052 0.317 0.634 0.01789 20-40 河砂 表2 变载荷下的流量与压力关系数据 载荷(KN) 单层双层 入口压力 (MPa) 出口压力 (MPa) 浮子流量 (m3/h) 入口压力 (MPa) 出口压力 (MPa) 浮子流量 (m3/h) 30 0.121 0 0.83 0.116 0 0.80 50 0.123 0 0.82 0.118 0 0.79
我中国石油大学采油工程实验报告 实验日期：2014.11.14 成绩： 班级：学号：姓名:教师：战永平 同组者： 实验三裂缝导流能力模拟实验 一、实验目的 1.了解岩石被支撑裂缝的导流能力随闭合压力变化的规律,以及在相同闭合压力条件下不同铺砂浓度导流能力的差异； 2.分别应用达西公式与二项式公式计算，分析结果的异同点，并说明原因； 3.熟悉裂缝导流仪的操作及实验流程。 二、实验原理 裂缝的渗透率可由气体渗流的流量来反映，测量气体在不同入口和出口压力下的流量后，可通过气体径向渗流的达西公式来确定裂缝的导流能力。 三、实验仪器和材料 1. 仪器名称:裂缝导流仪,包括以下组成部分: 压力试验机，空气压缩机，定值器，精密压力表，浮子流量计，岩心（钢板）模，游标卡尺,电子天平. 2. 材料：同产地的石英砂和陶粒。 四、实验步骤 1、准备实验工作 （1）在附表1中记录使用的支撑剂名称、产地、粒径及室内温度下的气体粘度； （2）用游标卡尺量出岩心模的外径及孔眼的内径,记录附表1中，用作计算岩心模面积； （3）称一定重量的支撑剂（记下支撑剂的颗粒直径）均匀地铺在岩心模面
上，要保持单层，铺完后用放大镜检查一下支撑剂是否铺的均匀和紧密。然后称剩余支撑剂的重量，二者之差即为铺在岩心上的支撑剂的重量，并按下式计算出支撑剂的浓度： 2 g ，铺有支撑剂岩心的面积单层支撑剂的重量 支撑剂（砂子）的浓度 将此浓度值记入表1中。 （4）将上岩心片（孔眼向下）放于下岩心片的上方，然后上下岩心片放在试验机下承压板中心位置。 （5）认真记录试验机载荷刻度盘上加载值。 2、岩心加压法 （1）岩心放在下承压板上，用手旋转螺杆将上承压板合并，压住岩心模型，准备加载。 （2）旋紧回油阀，按绿钮开机器，用送油阀慢慢加压，通过控制送油阀开启程度控制加压速度，当主动指针(黑针)转到1.5吨(或1KN)时,将送油阀放慢关闭维持此点上.将定值器打开使气体进入浮子流量计中，同时浮子上升，调节定值器旋钮,使浮子指示到流量计刻度的最高度值。 （3）送油阀继续开动，当指针加到所规定的吨数时，保持指针示数不变。同时读出流量数Q 和对应的压力P （精密压力表示数）,记录在附表3中. （4）需要载荷分别依次加到50、100、120、150、200（kN ）读出相应的P ，Q 值，用达西公式计算. 注意:在测点120kN 处，保持载荷不变，改变P （调定制器阀）读出Q ，每测点共记5组数据于表2中，用于二项式计算。 （5）试验结束后，关送油阀，按红钮关电源，慢慢打开回油阀卸载，将岩心取出，观察支撑剂破碎情况。 （6）双层支撑剂测定：将重量为岩心上铺设单层时支撑剂重量二倍浓度分量的支撑剂铺于岩心表面，依次按步骤2进行操作，测出不同载荷下的P 及Q 值记入表2和表3中。 五、数据处理 1.数据记录表格如下：