水-力耦合作用下层状砂质泥岩力学与渗透性演化机理

摘要

【目的】为更好地理解应力作用下煤系层状砂质泥岩的渗透率变化，在应力渗流耦合室内试验的基础上使用离散元模拟研究层状砂质泥岩的力学特征与渗透性。【方法】首先，通过加载方向平行和垂直岩样层理方向的应力渗流耦合室内试验，研究砂质泥岩全应力应变加载过程的破坏形式以及与渗透性间的相互关系。其次，在离散元软件PFC2D中首次提出通过求解有限差分法来表征流场流动的方法，该方法能很好地反映砂质泥岩应力应变响应与渗透率变化，所得模拟应力应变及渗透率曲线与试验结果一致，流体沿主裂缝集中流动。最后，基于校准后的参数进行不同层理角度岩样应力与渗透率模拟，探究最大渗透率和峰值强度与层理角度的关系。【结果】结果表明：层状砂质泥岩强度与渗透率具有各向异性；岩样中流场方向、流量大小和接触力链与裂纹密切相关，其中强接触力链集中分布在试样节理处的剪切带附近；随层理角α的增大，峰值强度呈“U”型变化，最大渗透率呈线性减小。【结论】本数值模拟研究方法可充分考虑岩石力学与渗流特性的影响，为围岩防渗加固项目提供理论基础并为离散元模拟流固耦合提供一个新思路。

关键词

渗透性 / 层状砂质泥岩 / 层理 / 有限差分法 / 离散元模拟

基金资助

国家自然科学基金资助项目（51974193,52274091）