1页岩力学特性研究

了解和掌握页岩力学特性是页岩矿床安全高效开采的前提工作之一。

页岩具有典型的层状结构，其层理特性对岩石的力学性质有重要的影响，并影响页岩勘探开发、掘进开采和地下工程稳定性。

(资料图片)

国内外学者在页岩的脆性特性、变形特征、强度效应和损伤特性等方面。

利用理论力学研究、实验室岩石力学试验和实验室数值模拟实验等手段，从多尺度角度研究了页岩力学特性。

页岩的软岩力学特性研究

页岩通常具有基质致密、结构面发育、粘土矿物丰富、崩解性强等特点。

在长期荷载作用下，其抗压强度会出现明显降低，具有软岩岩性特征。

对于页岩的物理性质的研究，CareyJW等利用三轴环面成像技术。

结合有限-离散单元模型分析。
研究了UTICA页岩的裂缝渗透率。RybackiE等研究了不同矿物组成、孔隙度和成熟度的欧洲黑色页岩的脆性。

蒋长宝等对真三轴应力条件下页岩的渗透率变化规律展开了研究。

左宇军选用岩石伺服三轴试验系统，在不同渗透压和围压条件下对页岩进行全应力、应变渗透性试验。

分析了页岩不同变形阶段与渗透率的关系，探讨页岩破坏过程中形成的局部压缩带与渗透性的关联性。

WuZH等对我国北部下寒武统页岩进行了力学试验，研究了页岩矿物组成对其应力敏感性的影响关系。

探析了有效应力增大情况下页岩孔隙度、渗透率减小的关系。由于页岩组成的非均质和成分多样性。

近几年，大量学者考虑多尺度理论开展页岩力学分析。FrashLP等利用岩石三轴试验。

通过X射线断层扫描方法，研究了Marcellus页岩裂缝扩展演变特征。

确定了页岩在直剪时形成复杂的锯齿状裂缝，且裂缝形态沿剪切面呈现出明显的非均质性。

分析了剪切面与优势破裂面不协调的主要原因。韩强等提出了页岩多尺度组成模型分类方法。

基于均匀化理论评价页岩微观多孔黏土强度的方法，进行多孔黏土组成与力学分析。

时贤等通过多级三轴试验，开展页岩微观结构及力学特性研究，利用场发射扫描电镜和能量色散X射线荧光光谱对压痕形貌及压痕区域矿物组成进行定量分析。

提出了基于矿物强度分类的三相介质页岩微观力学模型。

俞雨溪通过页岩SEM图像分析方法，利用合成灰度累计概率分布，建立了待校正图像的代表性灰度分布。

采用图像灰度直方图匹配算法实现了图像统一标准识别页岩孔隙。

ZhaoP等利用PFC（ParticleFlowCode）程序，建立了层状页岩在巴西试验下的粘结颗粒模型。

模拟了层状页岩在层面与天然裂缝之间的复杂关系下的破坏过程。

综上所述，国内外科研工作者开展了大量的研究，研究了页岩中矿物组成力学性质的差异和非均质材料发育机理。

表明了页岩具有强度低、孔隙度大和节理发育明显等软岩特性。同时。

从国内外学者对页岩材料研究的现状表明，节理发育明显的页岩材料内部缺陷程度不同。

将会直接或间接影响岩石材料的力学性能。

页岩各向异性的力学特性研究由于页岩内部的矿物颗粒在沉积过程中择优选向。

使其具有明显的层理结构，因而页岩力学性质受岩石矿物和层理结构面的控制，具有显著的各向异性。

在页岩矿床采矿工程中，页岩各向异性力学特性对地下采矿技术的安全性和工程的稳定性有着重要的影响。

针对页岩的不同层理角，围绕层理页岩的各向异性力学行为，WangJ和MahantaB等利用实验室岩石力学试验。

分析了岩石试样荷载方向、试验围岩等因素与页岩力学特性关系，研究了页岩力学性质各向异性特征。

LoraRV、WangPT和JinZF等结合实验室岩石力学试验，研究了不同层理方向施加荷载条件下页岩轴向劈裂破坏行为。

结果表明，层理层向在30~60°范围内，页岩的抗压强度达到最小值，并沿层理发生破坏。

可视为横向各向同性材料。GaoQ等利用SEM分析了页岩的微观结构和材料组成。

通过超声测试分析页岩表现出明显的各向异性。WangY等通过岩石单轴压缩试验。

研究了龙马溪组页岩试样在不同倾角受载条件下的波速差异特性。

MoranSP等围绕岩石层理研究了层状类岩石，如页岩、板岩等不同层理倾角下力学性质、破坏模式及波速变化的相关问题。

LiZC等通过对页岩的数值模拟发现，脆性页岩更容易在多交叉破坏面上破裂，而韧性页岩更容易在裂缝面上破裂。

在页岩本构模型理论研究上，衡帅等研究了不同法向应力下不同层理倾角页岩水力裂缝的扩展演化形态。

探讨页岩裂缝成核、扩展、连接及贯通后形成宏观剪切裂缝的力学机制及其层理方向效应。

张萍研究不同层理面角度下龙马溪组页岩起裂、扩容和峰值特征点的应力-应变、弹性模量和泊松比的各向异性特征。

分析页岩变形破坏过程中输入应变能、可释放弹性应变能和耗散应变能的变化规律。

孙清佩等利用分离式霍普金森压杆（SHPB），进行龙马溪组黑色页岩岩样的动态压缩试验。

研究了层理倾角试样的层理方向对页岩动载破坏模式、强度和能量耗散特征的影响。

揭示了层理页岩动载破坏的机制，并建立综合考虑初始损伤、受荷损伤的层理页岩动载损伤本构模型。

探究不同层理方向下页岩动载破坏的各向异性行为。

LiCB等基于裂隙体积应变，识别了不同层理方位和围压下页岩的裂隙起裂应变和裂隙破坏应变。

描述了两个起裂应力阈值（σci）和损伤应力阈值（σcd）的各向异性特征，研究页岩岩石渐进破坏过程中的各向异性起裂机制及演化规律。

综上所述，近年来国内外学者对页岩各向异性力学特性开展了大量的研究。

探索了页岩在加载条件下的变形特征、破裂规律、破坏模式，大大促进了页岩力学分析技术的发展。

对页岩矿床开采及其地下工程稳定性设计至关重要。

1.2页岩破裂与损伤机理研究

随着岩石力学研究方法和手段的不断发展与革新。

以岩石三轴试验为典型代表的实验室岩石力学试验，在解决不同围压条件下岩石的力学特性研究方面取得了显著的成果。

常规单轴压缩试验、常规三轴压缩试验、巴西劈裂试验等研究试验下岩石的破坏试验是研究岩石应力应变、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角等力学性质的主要实验手段。

页岩的变形特征、应力状态是页岩工程设计、试验分析和现场施工的基础。在常规的岩石力学实验中。

吕有厂等[9]对Crack-arrester、Crack-splitter、Crack-divider型的页岩试件进行三点弯曲断裂韧性岩石力学试验。

获得了页岩典型的应力-应变曲线，探究不同加载速率对层理性页岩的I型断裂韧性影响规律。

王兴渝等采用SHPB加载系统，对不同层理倾角的页岩侧开单裂纹三角孔板构型试件进行动态冲击实验。

研究冲击荷载作用下页岩的断裂特性及层理对裂纹扩展行为的影响规律。

温韬通过岩石单轴、三轴力学实验，研究了龙马溪组页岩脆性特征、损伤和能量演化规律。

SuoY等通过巴西圆盘（CCNBD）试验，研究相对于层理面的不同角度页岩在不同浓度的氯化钾溶液中断裂韧性。

结合扩展有限元方法模拟不同层理面下的CCNBD试样，探析了裂缝的混合模式扩展行为。

FanXR等采用SHPB加载系统，研究了不同层理页岩的动态力学行为和本构关系。

采用高速摄影技术捕捉页岩样品的动态破坏模式，提出页岩在高应变率水平上的破坏模式可分为三种主要类型—拉剪劈裂破坏、剪切劈裂破坏和拉剪劈裂混合破坏。

WuY等通过室内实验，研究了常压低温液氮（LN2）处理的持续时间、围压、储层温度以及页岩层理相对于井眼轴线的方向等关键参数对页岩破裂压力的影响。

探析了低温压裂过程中页岩破裂压力的关键调控机制。近年来，随着岩石表面评价技术的发展。

多尺度分析岩石力学工程成为国内外的研究热点。在页岩破裂与损伤机理的多尺度研究方面。

DuanYT等利用X射线微计算机断层扫描（Micro-CT）设备进行了单轴压缩试验。

提出了一种新的损伤变量，研究页岩的细观损伤演化。

WangY等利用原位X射线显微断层扫描技术，在地形监测下对黑色页岩进行了单轴压缩试验。

可视化页岩样品中的裂缝几何形状和分布，确定页岩拉伸和剪切破坏模式。

张钰彬等基于态型近场动力学理论，构建页岩水平井水力压裂过程的力学建模与数值仿真模型。

模拟页岩储层的水力压裂过程，探析压裂过程中多裂缝扩展形成复杂裂缝网的机制。

WuZH等通过数值模拟分析，研究了含层理页岩在渗流压力和应力耦合作用下的力学特性和破坏模式。

并利用声发射研究了页岩的破裂损伤的分形特征。段永婷等[50]开展岩石单轴压缩条件下页岩的CT试验。

研究页岩内部结构特征及其对页岩破裂演化和破坏模式的影响规律，并开展含矿物条带数值试样的单轴压缩模拟试验。

揭示了矿物条带对页岩破坏模式的影响机制。

综上所述，学者们对页岩力学特性的研究揭示了页岩矿物组成、岩石结构与其物理力学性质的关系。

研究了页岩物理力学特性、变形破坏规律及其相关机理。

但页岩岩体的力学特性在矿床开采过程中受力状态复杂、变化形态随机、破坏模式多变。

且随地质条件的变化、采矿工艺的优化、地下工程稳定性的影响，页岩的力学响应也千差万别。

页岩相似材料配比及物理相似模拟试验研究

针对采矿工程对岩土工程所造成的岩石变形、裂隙拓展直至破坏等问题。

物理相似模拟试验是常用的研究手段。物理相似模拟试验广泛应用于岩土工程各个领域。

是解决大型岩土工程问题的主要研究手段，其相应的相似材料配比研制及其力学性能的探究也从未间断。

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