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重庆大学等用真岩石揭示单轴压缩中板状页岩裂纹扩展规律

2017-06-21

  近日,重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室杨春和团队联合中国科学院武汉岩土力学研究所及中国矿业大学(北京)的科研人员一起,采用高压水射流技术,在板状页岩上预制两共线裂隙,并用水泥充填,通过单轴压缩试验,直接观察到了含共线闭合裂隙页岩的裂纹扩展特征。


  中国页岩气资源丰富,可采储量达到31.57万亿m3,占全世界总量的15%,页岩的渗透率极低,为了实现页岩气的高效稳产,各国学者开展水力压裂实验来研究裂缝扩展规律。由于水力压裂裂缝扩展在试件内部进行且割缝比较困难,大部分学者的研究大多采用模型材料,通过预埋钢片来获得裂隙,这不仅不便于观察裂纹的扩展而且结果也可能不准确。


  实验在中国科学院武汉岩土力学研究所RMT试验机上进行,采用轴向位移控制进行单轴压缩实验,加载速率为0.001 mm/s,加载过程中用高清相机记录裂缝扩展过程,研究人员发现:


  (1) 含预制裂隙页岩的抗压强度、弹性模量均发生劣化,劣化范围分别为38.9%~71.56%,17.86%~62.59%;随着裂隙间距的增加,抗压强度、弹性模量均表现出了“倒V形”规律。


  (2) 破坏后宏观裂纹有两类:一类为拉裂纹,表面光滑、无碎裂状物质,主要包括翼裂纹、反翼裂纹,通常以曲线形式朝最大压应力方向扩展;另一类为压剪裂纹,主要包括次生共面裂纹,呈锯齿状,比较粗糙,裂纹表面有薄片或碎裂状物质挤出,扩展方向与预制裂隙方向共面或近似共面。


  (3) 预制裂隙内端比外端更容易起裂,故一般预制裂隙内端先出现翼裂纹,同时或稍后,外端产生翼裂纹,最终都拐向最大压应力方向,随后出现次生共面裂纹、反翼裂纹,2者不分先后,最终各裂纹搭接贯通,试件失稳破坏。


  (4) 裂隙间距小于裂隙长度时,裂纹搭接贯通形成裂纹带,裂隙间距大于裂隙长度时时,未发生贯通,裂隙间距等于裂隙长度时时,部分发生贯通。


  (5) 裂纹尖端起裂方向只和θ有关,和K无关,裂隙尖端的内端应力强度因子较大,更易起裂;共线双裂纹模型的优势裂纹角为βm=0.5arctanf-1


  这项研究得到了国家自然科学基金、国家科技重大专项、中国科学院战略性先导科技专项(B类)资助项目的资金支持。


  文章来源:侯振坤,杨春和,孙书伟,等.板状页岩单轴压缩实验及断裂力学分析[J].煤炭学报,2017,42(5):1251-1257.


  作者简介:侯振坤(1988),男,河南周口人,博士研究生。E-mail:20122002027@cqu.edu.cn


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  责任编辑:宫在芹
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