不同地应力下水压裂隙扩展演化数值模拟分析

发布时间：2019-08-16 12:05

【摘要】：流-固耦合作用下岩体裂隙的萌生、扩展及相互贯通对高温岩体地热开发中人工热储的建造具有深远的理论和实际意义。依据弹性力学和流体力学理论,建立了不同应力和水压下的流-固耦合数学模型,采用修正Mohr-Coulomb强度准则作为裂隙岩体破坏的判别准则,运用有限元软件(Comsol Multiphysics)分析了水压力对裂隙岩体破环过程的作用机制。数值结果表明:不同深度对裂隙岩体破坏贯通区域形成的水压力值具有较大影响,水压力值随深度的变化规律近视服从指数关系。
【图文】：

强度准则

孔隙水压力；Ｇ为剪切模量；ｖ为泊松比；Ｅ为弹性模量；δｉｊ是Ｋｒｏｎｅｃｋｅｒ符号，定义方法，当ｉ＝ｊ时等于１，当ｉ≠ｊ时等于０；Ｆｉ、μｉ为在ｉ方向的体积应力、位移分量；β为岩体的渗透率；ｕ１是流体的动力粘滞系数；α为Ｂｉｏｔ系数；φ为孔隙水压力系数。１．２岩体裂隙强度准则因本文假设所采用的岩体材料模型为线弹性材料，结合目前所研究的成果［７－８］，采用修正的Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度准则（见图１）作为裂隙岩体的屈服判别准则（拉应力为正）其表达式为：σ３＝Ｔｔ（５）σ１＝σ３１＋ｓｉｎφ１－ｓｉｎφ－σｃ（６）式中，Ｔｔ为单轴抗拉强度，ＭＰａ；ｃ为内聚力，ＭＰａ；φ为内摩擦角，（°）；σｃ为岩体单轴抗压强度。图１修正Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度准则２数值模拟算例图２为物理计算模型，物理模型选取５００ｍｍ×５００ｍｍ的各向同性平面应变模型（模型两边预制两条裂缝），计算应力场边界条件为：模型左右和下边界施加辊支撑，在上边界分别施加０，１２．５，２５，５０，７５ＭＰａ应力。渗流边界条件为：模型四周边界为无流动，在模型两裂缝施加不同水压以匹配不同地应力情况，数值模拟计算所用的岩体和流体物理参数见１～２。图２数值计算模型表１岩体的物理力学参数密度／（ｋｇ／ｍ３）弹性模量／ＧＰａ泊松比渗透率／ｍ２抗拉强度／ＭＰａ内摩擦角／（°）２７００５１．４２０．３１０－１２１２３６表２流体的物理

数值计算模型

因本文假设所采用的岩体材料模型为线弹性材料，结合目前所研究的成果［７－８］，采用修正的Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度准则（见图１）作为裂隙岩体的屈服判别准则（拉应力为正）其表达式为：σ３＝Ｔｔ（５）σ１＝σ３１＋ｓｉｎφ１－ｓｉｎφ－σｃ（６）式中，Ｔｔ为单轴抗拉强度，ＭＰａ；ｃ为内聚力，ＭＰａ；φ为内摩擦角，（°）；σｃ为岩体单轴抗压强度。图１修正Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度准则２数值模拟算例图２为物理计算模型，物理模型选取５００ｍｍ×５００ｍｍ的各向同性平面应变模型（模型两边预制两条裂缝），计算应力场边界条件为：模型左右和下边界施加辊支撑，在上边界分别施加０，１２．５，２５，，５０，７５ＭＰａ应力。渗流边界条件为：模型四周边界为无流动，在模型两裂缝施加不同水压以匹配不同地应力情况，数值模拟计算所用的岩体和流体物理参数见１～２。图２数值计算模型表１岩体的物理力学参数密度／（ｋｇ／ｍ３）弹性模量／ＧＰａ泊松比渗透率／ｍ２抗拉强度／ＭＰａ内摩擦角／（°）２７００５１．４２０．３１０－１２１２３６表２流体的物理力学参数密度／（ｋｇ·ｍ３）动力粘度／（Ｐａ·ｓ）压缩系数／（１／ｐａ）压缩系数／（１／ｐａ）１０００１０－３５．３１×１０－９５．３１×１０－９３模拟结果分析针对图２所建立的模型进行计算，得到流固耦合作用下裂隙岩体在上边界施加应力为０时，不同水压下的破坏区域（见图３）。图３中蓝色区
【作者单位】：太原理工大学矿业工程学院;太原理工大学采矿工艺研究所;
【分类号】：TD315.3

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