武漢巖土所在節理巖石剪切過程中滲透演化規律研究方面取得進展

時間:2020-03-27

  節理廣泛存在于巖體中,是流體在巖石中的主要滲流通道,影響著巖體的力學特性和水力特征。節理剪切過程中的滲透率變化會影響流體在節理巖體中的流動。研究不同應力條件下,節理剪切過程中巖體節理滲透率演化規律及其機理,對石油、天然氣和地熱資源的開采以及二氧化碳地質封存等地質工程都具有重要意義。 

  針對以上問題,中國科學院武漢巖土力學研究所通過室內試驗和數值模擬,對含節理花崗巖剪切過程中的滲透率變化進行研究。室內實驗中,對6個含天然節理花崗巖試樣分別在1.9-20 MPa的法向應力條件下進行剪切(圖1),獲得不同應力條件下花崗巖節理滲透率演化規律。隨后基于離散單元法對該實驗過程進行數值模擬(圖2),分析不同應力條件下微裂紋演化過程,揭示滲透率演化機理。 

  研究結果表明,法向應力對節理剪切過程中滲透率演化有著重要影響(圖3)。在較低的法向應力下,剪切過程中節理的滲透率先上升后減小。而在較高的法向應力條件下,節理的滲透率在剪切過程中不斷降低。結合數值模擬分析發現,該變化規律與不同法向應力造成的不同剪切機制有關(圖4)。在低法向應力條件下,在剪切初期,節理上部巖塊主要以沿節理面滑移為主,由于節理面凹凸不平,滑移使節理上部與下部的巖塊由咬合變為非咬合,接觸面接減小,有利于滲流通道的建立,因此滲透率增加。隨著剪切應力的增大,剪切破壞影響增強,接觸面增加,因此滲透率降低。而在高法向應力條件下,剪切破壞機制貫穿了整個剪切過程,隨著剪切位移的增加生成大量磨損產物,堵塞滲流通道,節理滲透性不斷減小。該研究結果可為相關實際工程設計和施工提供技術參考。 

  本研究相關成果已經在線發表于巖石力學業界老刊Rock Mechanics and Rock Engineering,第一作者為武漢巖土所直博生申海萌,指導老師為李琦研究員和李小春研究員。該研究成果得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和巖土力學與工程國家重點實驗室開放基金共同資助。 

  論文信息:Shen, H., Zhang, Q., Li, Q. et al. Experimental and Numerical Investigations of the Dynamic Permeability Evolution of a Fracture in Granite During Shearing Under Different Normal Stress Conditions. 

  論文鏈接:1 

  1 剪切滲流實驗裝置 

  2 離散元數值模型 

  3 不同應力條件下剪切過程中滲透率演化 

  4 剪切過程中微裂紋,相對接觸面積和SJ接觸數的變化 

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