详情

原文传递粘性流体静压破岩技术研究

论文题名：	粘性流体静压破岩技术研究
关键词：	隧道施工;粘性流体;静压破岩;裂纹扩展
摘要：	非炸药破岩方法已逐渐应用在油气开采、隧道、岩巷、桥梁、市政等地面或地下工程，以水压致裂方法为代表的非炸药破岩方法具备了高效、少污染、无震动等优点，具有重要的科学意义和应用价值。然而，传统的水压致裂方法可能会造成地下水污染，水资源浪费，尤其可能对地层产生不同程度的破坏。为了克服现有水压致裂方法存在的不足，本文查阅了大量文献，对比分析了以往水压致裂破岩方法的相关研究，并在此基础上开展了粘性流体静压破岩技术及装备的相关研究，采用理论分析、实验室研究和现场试验相结合的研究方法，揭示了粘性流体静压破岩作用机理，并将静水压力下的研究成果应用于隧道工程中。主要研究工作如下：　　（1）以粘性流体为研究对象，系统分析了粘性流体在静水压力下的破岩机理。对粘性流体性质、同心环形空间的流动过程、压裂中岩石断裂力学过程，以及岩石压裂后的裂纹扩展特性进行了系统的理论分析，推导出导致孔壁破裂的准则方程以及裂纹扩展、扩展方向的判据。为该技术的工程应用推广提供了有力的理论支持。　　（2）研发了粘性流体静压破岩系统，综合现阶段国内静压破岩相关技术及其装备，自主研发了粘性流体静压破岩系统，该系统主要由压裂器、压力源、管路系统以及分路控制系统四部分组成，其系统相关原理简单、操作方便、在技术上和原理上都具有很好的可行性，通过相关实验调整了压裂系统的相关参数，得到了更为完备的压裂装备。　　（3）在厚壁亚克力管中进行低静压下的粘性流体压裂实验，选取了砂石粒径、封孔材料两个影响因素进行粘性流体静压实验，对比分析了两种封孔材料的封孔效果，其中一种为不同粒径的饱和湿砂组成的封孔材料，另一种为砂中加饱和高吸水树脂组成的混合封孔材料，研究发现砂中掺饱和吸水树脂的混合封孔材料对压裂器中粘性流体的压力卸载速度最慢，封孔材料中的压力峰值到达时间明显滞后于饱和湿砂的封孔材料，且应力峰值过后衰减平缓，封孔效果更好；此外，通过改变上述封孔材料中的砂的粒径范围实验发现，采用标准砂和饱和高吸水树脂混合封孔材料的封孔效果最好。　　（4）基于低静水压力下实验结果，将高静压下的粘性流体静压破岩技术应用于隧道工程中进行深孔和浅孔试验验证。深孔压裂试验验证了粘性流体静压作用下岩石裂纹扩展理论；浅孔压裂试验表明，浅孔压裂产生的压裂漏斗相比于传统爆破漏斗在破岩深度和破岩体积上具有显著优势，应用前景广阔。
作者：	曹振
专业：	建筑与土木工程
导师：	邵鹏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2021