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1、鞠杨教授：岩石灾变非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演

煤炭生产开发活动打破了地层初始应力平衡，引起围岩应力场重分布，诱发工程灾害。岩石是煤炭生产开发与工程建设的主要对象，研究和解决煤炭绿色智能安全开采问题的基础理论之一是岩石力学。然而，传统的岩石力学理论在定量分析和描述煤炭生产开发活动引发的岩石灾变行为及内禀机理时存在诸多困难，人们对岩石不连续结构演化引起的应力场、变形场和渗流场的变化认识不足，缺乏定量解析内部应力、变形与渗流等多物理场的方法、理论和模型，难以对不同开采模式可能引发的工程灾害进行超前研判、预警和科学防控。解决这些基础科学与技术难题，迫切需要建立和发展颠覆性理论与变革性技术，这已成为创新发展煤炭资源绿色智能安全开发理论与技术的基础性前沿课题。

地球深部蕴藏着丰富的煤炭资源，岩石是煤炭资源开发与工程建设的主要对象，狭义上，岩石指实验室尺度的岩块，广义上，岩石指工程尺度的岩体。煤炭开发与工程建设活动打破了初始地应力场的平衡状态，引起岩石应力场重分布，诱发冲击地压、瓦斯突出、矿震、生态环境破坏等重大灾害 。然而，人们对煤炭赋存状态、岩石构造演化以及生产开发活动的影响认知还不够，传统开采理论与技术难以精准探测和描述岩石复杂结构及开采引发的演化过程，也缺乏对开采岩石力学行为与致灾机理的科学解析和准确表征，因而难以对煤炭生产与工程建设活动可能引发的工程灾害进行超前预警和科学防控。解决这些基础科学与技术难题已成为创新发展煤炭资源绿色智能安全开发理论与技术的重大基础性前沿课题。

煤炭绿色智能安全开采基础理论之一是岩石力学。然而，传统的岩石力学理论在定量分析和描述生产开发活动引发的岩石结构与力学行为变化及灾变机理时存在诸多困难，例如，① 天然岩石赋含大量跨尺度、几何非规则的孔隙、裂隙、节理或层理等非连续结构，传统的岩石力学方法，在连续均匀介质假定的基础上，在代表性体元（Representation VolumeElement, RVE）尺度上，研究岩石的应力、应变、渗流与灾变等行为，建立岩石的宏观本构模型、强度准则和失效判据等，难以准确描述和定量解析岩石内部非连续结构特征及其对岩石力学行为与孕灾-致灾机理的影响。同时，由于人们对RVE尺度内不连续结构引发的应力场、变形场和渗流场的变化认识不足，导致确定合理的RVE尺度非常困难，基于连续均匀假设所建立的本构模型、强度准则和失效判据可能失去代表性，造成采用传统的理论模型与数值方法解决工程实际问题时存在较大偏差。这些困难制约了构建考虑内部非连续结构效应的岩石力学与灾变分析体系；②开采扰动引发的岩石内部非连续结构演化、物质-力学相互作用与多物理场耦合致灾是一个“看不见、摸不着”的“黑箱”过程，现有的岩石力学理论和方法难以直观显示和准确描述，缺乏定量解析这种“黑箱”内部应力场、变形场和渗流场等多物理场的方法、理论和模型；③ 由于难以准确获取、直观显示和定量解析生产与建设活动引发的岩石非连续结构演化、多物理场耦合致灾机理及灾变力学特征，现有的矿山灾害防控多采用“随采随治”策略，难以超前研判不同开采方式和工艺可能引发的工程灾害的时间、位置和量级，难以实现开采灾害的超前预警和科学防控。岩石力学的这些基础难题已成为制约煤炭绿色智能安全开采理论与灾害防控技术发展的瓶颈，迫切需要建立和发展颠覆性理论与变革性技术。 当前新兴技术的发展为直观描述和定量表征岩石内部复杂非连续结构、应力场、变形场、渗流场与灾变机理创造了条件。针对岩石内部非连续结构、物理场演化及灾变行为难以透明显示和定量解析的难题，笔者采用高分辨mCT成像、3D数字重构、3D打印、光弹性法、数字图像相关法和三维流场示踪等技术和方法，提出了岩石内部非连续结构、应力场、应变场、渗流场演化与多场耦合致灾机理的透明解析与透明推演方法，基本思路是：构建含复杂非连续结构RVE尺度的岩石数字模型和透明物理模型，研制具有与天然岩石相同或相近物理力学性能、具有应力敏感性的透明3D打印材料，研究确定合理尺寸的非连续岩石RVE单元；采用透明可视化方法，在RVE尺度上，透明显示和定量表征岩石非连续结构特征及其对岩石内部应力场、应变场、渗流场的影响与耦合致灾机理；基于岩石多物理场的透明定量解析，建立关联内部非连续结构及物理力学效应的岩石本构模型、强度准则及灾变判据；构建RVE尺度的岩石透明模型与天然岩石非线性物理量之间的转换关系及相似律模型，形成基于RVE尺度多物理场透明解析的非连续岩石力学与灾变分析理论的基础框架。在此基础上，将实验室透明物理模型研究与工程现场探测相结合，透明显示并定量分析工程尺度下岩石结构演化、能源物质运移、力学耦合作用与致灾过程。1岩石非连续结构的数字模型

（1）非连续结构探测方法

岩石物理力学性质与灾变行为很大程度上取决于其内部非连续结构。近年来，工业X射线CT扫描（X-ray CT）、磁共振成像（MRI）和聚焦离子束电镜扫描（FIB-SEM）等先进成像技术的发展，为识别和准确表征岩石内部跨尺度非连续结构提供了有力手段。笔者基于X射线CT扫描数据构建了岩石非连续结构的三维数字模型及其RVE单元模型 。该方法可直观显示和定量刻画岩石内部微细观尺度的非连续结构，已广泛应用于岩石力学研究。与CT成像技术相比，FIB-SEM是一种破坏性方法，但具有更高的分辨率，可达1~10 nm，为研究岩石内部纳米尺度非连续结构提供了有效方法，但观测区域小和破坏性限制了该技术在某些情况下的应用。MRI在空间和时间分辨率方面相对灵活，具有快速识别内部结构变化的优势，但分辨率相对较低。将上述方法相结合可实现岩石内部跨尺度非连续结构的直观定量观测，有利于在RVE尺度范围内定量刻画岩石复杂的内部结构并构建反映内部跨尺度结构的岩石RVE模型。

（2）非连续结构的重构方法与模型

实验室及现场原位探测提供了岩石内部非连续结构的详细信息，但考虑到地层岩心钻探的难度、高精度成像的高成本以及岩石非均质非连续性带来的物理力学量对比分析的困难，发展一种便捷、经济和可重复的岩石非连续结构的直观定量描述手段十分重要。近些年，利用有限地质探测数据和计算机重构算法来重构岩石三维非连续结构的研究取得了飞速发展。随机生成、多点统计信息、模拟退火、基于过程的方法和机器学习等方法被广泛用于重构和刻画岩石内部复杂非连续结构。

岩石孔隙结构三维重构模型

需要指出的是，尽管研究表明数字化方法可以经济有效地获取和透明显示岩石内部非连续结构，但目前研究主要集中在利用有限微观结构信息进行岩石RVE模型重构。使用低阶统计信息提高了RVE模型重构效率，但牺牲了模型精度。随着计算机运算能力进一步提高，有望采用更多的高阶统计信息来提高RVE模型的重构精度，这将是岩石内部非连续结构三维数字化重构与透明表征研究的发展方向。

23D打印模型材料研制

3D打印技术已广泛应用于岩石力学研究，该技术为重复制备内部包含复杂非连续结构的岩石物理模型并定量分析非连续结构对岩石灾变力学行为的影响提供了可能性和新途径。然而，除内部非连续结构因素外，岩石物性也是影响岩石物理力学性质与灾变行为的重要因素，研制能够反映天然岩石物性的3D打印材料是利用3D打印模型开展非连续岩石灾变力学行为面临的重要挑战。

天然砂岩样品及3D打印砂岩样品

除了如何使3D打印模型具有与天然岩石一致的非连续结构和物性外，如何能够准确反映和量化非连续岩石内部应力场也是3D打印材料研究面临的重要挑战。为了获得高应力敏感性、可用于透明显示和定量表征岩石内部应力的3D打印材料，笔者利用美国Stratasys公司生产的Object Connex 500和J750 3D打印机，制备了用于打印材料物理力学性能测试的标准试件，详细研究了3D打印材料VeroClear的组成成分、基本物理力学性能、打印成型方式及模型后处理的影响、应力双折射效应、光热曲线、应力冻结性质以及高低温下的塑性及脆性性质等。其中，Object Connex 500和J750打印机的最小成型厚度分别为16 µm和14 µm。实验结果表明：VeroClear具有良好的应力双折射效应和应力冻结性能，这种打印材料在一定条件下具有与煤、砂岩相似的物理力学性质与破坏模式，而且可用于透明显示和定量表征受载破坏过程中岩石非连续结构内部应力场的演化，为透明解析岩石RVE模型内部三维应力场提供了条件和基础。

3D打印材料的物理力学性能需要指出的是，尽管国内外学者做了大量工作，但从材料物性及物理力学性能角度来看，3D打印模型材料与天然岩石尚有不小差距，还需进一步研究和改性现有的打印材料。根据目前的研究结果，改善3D打印材料性能可有以下途径：① 在分子结构层面设计打印材料；② 调整模型打印方式与参数；③ 增添不同成分的微观结构来模拟天然岩石并改进打印模型的物理力学性质；④ 优化打印模型后处理等，希望应用这些技术使打印模型能够代替或更好地模拟天然岩石。3岩石非连续结构的透明物理模型开展物理模型实验揭示岩石灾变“黑箱”过程与物理本质、建立准确的体现内部非连续结构效应的本构模型、强度准则与失效判据是解决工程实际问题的必由之路。然而，如何重复制备含复杂内部结构的物理模型一直是岩石物理模型实验研究的一个难题。

近年来，快速发展的3D打印技术为解决上述难题提供了途径。人们基于数字模型与3D打印模型材料，采用不同的3D打印技术制备了与天然岩石物性相似且内部结构一致的物理模型。然而，由于采用不透明3D打印材料，以往学者方法制备的岩石物理模型无法直观显示和定量表征岩石内部物理场变化与灾变过程。为了透明显示和定量解析岩石内部非连续结构及物理场演化与灾变过程，笔者采用自主研发的原位三轴加载CT成像系统（美国、英国与中国发明专利）与分形数字重构方法，应用研制的透明3D打印材料，制备了具有与天然岩石一致非连续裂隙、孔隙结构及相近物理力学性质的岩石透明物理模型。

岩石透明物理模型

为了模拟赋含非均质非均布颗粒与矿物充填的岩石，作者基于多材料打印技术，采用不同力学性质的材料复制天然岩石中的不同成分，例如，笔者采用两种不同打印材料模拟骨料和基体，并按照骨料和孔隙的实际分布打印制备了混凝土透明模型。

混凝土透明模型

值得关注的是，天然岩石含有大量跨尺度的孔隙、裂缝、颗粒和节理等微结构，在CT扫描识别精度范围内，部分微结构在CT图像中可能仅占有1个体像素，可采用体像素打印技术制备这类模型。体像素打印是一种在体像素尺度上使用多种材料进行3D打印的技术，可以对每个体像素赋予不同的材料属性。对于内部组成极其复杂、跨尺度且难以精确构建数字模型的非连续结构，可以直接在CT图像的基础上，采用体像素打印方式制备透明物理模型，该方法将大幅度提高复杂物理模型的制备精度。

此外，为了模拟天然岩石孔隙或裂隙中的流体介质（油、水、气等），笔者采用固液两相打印技术，实现了包含流体介质的三维RVE模型一体化打印制备。下图为打印制备的内嵌流体的方板圆孔模型和孔隙结构模型，液体顶部留有微小气泡。结合体像素3D打印技术，通过设计固液材料的体像素空间分布，可以实现任意位置处孔隙、裂隙包含不同液体的三维模型制备。

内嵌液体的方板圆孔和孔隙结构的透明3D打印模型4RVE模型尺度三维数字重构和3D打印技术为实现岩石RVE模型内部非连续结构的透明解析、发展考虑内部非连续结构特征的岩石力学理论提供了条件和基础。利用RVE尺度模型研究岩石的应力、应变、渗流与灾变等行为，建立反映内部非连续结构特征的岩石本构模型、强度准则和灾变判据，首先需要厘清岩石内部非连续结构特征及其对岩石力学行为与灾变行为的影响， 并确定有代表性的RVE模型尺度。BELL & SIEGMUND开展了不同厚度3D打印模型的三点弯曲断裂实验，分析了1~5 mm内模型强度和断裂韧性的尺寸效应；AKIYAMA等通过四点弯实验研究了模型尺寸对基于FDM技术的打印模型力学性能的影响。笔者测试了采用不同光敏打印材料制备的不同尺寸的含复杂孔隙和裂隙结构的3D打印模型的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、屈服强度、断裂韧性等，分析了岩石打印模型的尺寸效应，下图（a）图数据是根据至少3个重复试件实测结果计算获得。实验结果表明：3D 打印RVE模型体现出与天然岩石一致的尺寸效应，这为定量分析岩石内部非连续结构效应及其对岩石灾变力学行为的影响，确定含不同类型非连续结构的RVE单元尺寸提供了基础和依据。

岩石3D打印模型尺寸效应的实验结果5岩石内部应力场的透明解析

（1）二维模型应力场透明解析

为了揭示复杂非连续结构对岩石灾变行为的影响机制，笔者采用3D打印技术制备了天然岩石非连续结构的二维透明模型，采用光弹性实验方法，通过改进相移和解包裹算法，定量解析了荷载作用下非连续结构全场应力分布特征与演化规律，为认知和解析岩石灾变行为的内在物理机制创造了条件。例如，笔者基于岩石裂隙结构的CT图像，制备了天然裂隙的二维透明RVE模型，发展改进了相移和解包裹算法，获得了外部荷载作用下裂隙结构全场剪应力和主应力差。此外，笔者还模拟岩石粗糙断层结构，打印制备了粗糙断层的二维透明RVE模型，设计了断层剪切变形的光弹性实验，开发了非连续结构光弹性应力场的定量提取算法，定量解析了断层滑移时断层区域全场主应力差和剪应力分布与演化规律，建立了粗糙面起伏角与断层周边应力场的定量关系。采用类似方法，作者打印制备了隧道衬砌与围岩结构的二维平面模型，提出了围岩衬砌结构全场应力的实验提取与定量解析方法，获得了外载作用下围岩衬砌结构全场主应力差与剪应力分布及演化规律，为定量表征衬砌结构及管片界面应力分布、验证数值模拟结果提供了方法和途径。

岩石裂隙结构2D透明模型及不同轴向载荷作用下裂隙区域应力场演化的解析结果

岩石粗糙断层2D透明模型及剪切位移变化时断层周边应力场分布演化的解析结果

衬砌结构应力场的透明解析结果（2）三维模型应力场透明解析岩石非连续结构二维模型应力透明解析为认知和量化非连续结构对岩石灾变行为的影响、构建非连续岩石力学理论提供了途径和支撑。然而，天然岩石包含复杂的三维结构，透明显示和定量解析外载作用下岩石内部三维应力场分布及演化对于阐释岩石结构整体灾变机理和预测工程灾害发生的位置与量级具有重要意义。

光弹性应力冻结是一种获取和分析三维连续均质模型内部应力场的有效方法，该方法是在温箱中对光弹性模型施加固定荷载，经历温度升降循环，光弹性材料在温升过程中分别出现液态相和弹性相，降温时液态相固化，模型内部应力被“冻结”下来。对“冻结”后模型进行不同位置的切片，通过观测切片的光弹性条纹来解析三维模型内部全场应力分布。然而，天然岩石结构复杂，传统的光弹性应力冻结法难以制备包含众多跨尺度孔隙、裂隙、颗粒等不规则结构的三维模型，加之缺乏有效的针对非连续结构应力场的提取算法，实现非连续岩石内部三维应力场定量解析一直是个难题。

针对上述问题，笔者采用高精度CT成像、3D数字重构和3D打印技术，在二维模型应力解析方法的基础上，通过研制高应力敏感3D打印材料、改进光弹性应力冻结法和发展针对复杂结构的应力场提取算法等措施，提出了非连续岩石内部三维应力场的透明定量解析方法，为实现岩石RVE模型内部复杂三维应力场的透明解析、构建基于RVE内部非连续结构效应的岩石力学理论提供了实验基础与理论支撑。

裂隙煤岩三维透明模型内部不同位置处的应力分布特征

孔隙岩石模型内部应力场的透明解析

非均质砂砾岩模型内部应力场的透明解析

轴向压缩荷载作用下不同阶段裂隙煤岩内部应力场的分布与演化特征

为了揭示开采过程诱发巷道围岩灾变机理和超前预测采动围岩破坏的位置和量级，笔者基于矿区现场三维地质勘探信息，利用3D打印技术，制备了回采巷道和回采工作面的三维缩尺透明物理模型，模型中的煤层及覆岩采用与其物理力学性质相近的3D打印模型材料制备。采用上述应力解析方法，透明显示和定量表征了不同掘进位置处回采巷道围岩的应力分布大小与演化规律，为超前预警不同开采方式可能诱发的巷道与工作面围岩灾变提供了研究与定量分析手段。

回采巷道围岩应力场的定量解析与透明推演（3）动态应力场的透明解析

准确获取和量化岩石全场应力连续动态演化与非连续结构效应对于揭示矿山岩爆、瓦斯突出、地震等动力灾害的内禀物理机理至关重要。国内外众多学者发展了动态光弹性实验方法来获取和分析岩石应力场的动态演化特征，例如，相移法RGB法、载荷步法、载波法和焦散线法］ 等。但由于岩石非连续结构模型制备困难以及动态应力场的连续高速变化特征，传统的岩石动态应力场表征主要集中于简单结构模型以及应力场演化的定性或半定量分析，难以直观显示和定量解析复杂岩石结构的动态应力场演化特征。

针对上述问题，笔者利用3D打印技术制备了内嵌梭形裂纹的透明圆盘模型，通过对径压缩光弹性实验以及改进动态光弹条纹提取算法，获取并定量解析了裂纹尖端应力场特征及其与裂纹扩展速度之间的对应关系；对于复杂非连续结构内部动态应力场定量解析难题，作者提出了一种定量解析连续载荷作用下复杂非连续结构模型内部全场应力演化的方法，获得了连续加载下复杂孔隙模型内部的主应力差分布与演化规律，该方法适用于定量解析冲击或爆炸载荷作用下复杂岩石结构模型内部应力场，但前提是能够清晰地获取快速连续变化的动态光弹条纹。

载荷连续作用下不同加载阶段复杂孔隙结构模型内部主应力差全场分布与演化规律

由于存在大量不规则天然裂隙，岩石内部裂隙三维扩展行为及起裂判据一直是岩石断裂与灾变理论研究的热点和难点问题。岩石三维裂纹扩展过程中的应力场特征对于理解和定量分析裂纹起裂、扩展、转向和汇聚行为、建立裂纹非稳定扩展失效判据至关重要。然而，传统实验方法在制备三维裂纹模型以及获取裂纹三维扩展过程中的应力变化等方面存在困难，三维裂纹连续扩展过程中的应力场透明显示与定量描述尚未得到解决。针对此问题，笔者采用3D打印技术和所研制的应力敏感3D打印材料，制备了含内嵌非贯穿型裂纹和贯穿型裂纹的透明模型，通过模型受压的光弹性应力冻结实验，利用改进的光弹条纹分析技术和应力场提取算法，获得并定量解析了裂纹三维扩展过程中模型应力全场特别是裂纹尖端区域主应力差和剪应力的分布及演化特征。

三维内嵌裂隙和贯穿裂隙扩展过程中内部不同位置处主应力差的透明解析

6岩石内部应变场的透明解析直观显示和定量表征岩石内部变形破坏程度和集中分布区域对于理解岩石整体变形破坏机理具有重要意义。然而， 目前常用的数字图像相关法（Digital image correlation, DIC）和表面三维DIC技术只能测量岩石表面和离面的变形，难以用于量测岩石内部变形，迫切需要发展内部三维变形场的直观定量表征的方法。借助三维成像技术，如微焦点CT、共聚焦显微镜、磁共振成像等技术，可以获得岩石样品的三维图像，基于此，BAY等提出了数字体图像相关法（Digital volume correlation,DVC）来量测受压骨骼内部应变场。近年来，DVC方法得到迅速发展和应用。但如何提高内部微小应变的测量与计算精度一直是DVC法面临的主要挑战。根据配准算法的不同， 将DVC方法分为基于子集的局部DVC（Local DVC， L-DVC） 和基于有限元的全局DVC（Global DVC, G-DVC）两种主要方法。相比之下，L-DVC计算效率高，在计算参数相同的情况下，G-DVC的精度略高于L-DVC，尤其是当子集尺寸较小时。针对岩石内部非连续结构特征，笔者提出了多尺度子块体搜索和亚体素平移方法MS-DVSP（Multi-scale and ShiftingDigital Volumetric Speckle Photography），显著提高了复杂结构内部三维变形的测量精度，透明显示和定量解析了荷载作用下煤岩、红砂岩和混凝土等内部三维变形的分布与演化规律，为构建基于内部应力场和应变场透明解析的非连续岩石本构关系与灾变准则提供了途径和基础。

不同CO₂吸附时间下煤岩内部的体积应变

值得关注的是，DVC法虽然能够应用于量测岩石内部变形场，但天然岩石结构复杂，每一个用于实验量测的岩石样品结构差异性很大，难以保证被测岩石RVE结构的一致性以及所获得的应变场具有足够代表性。同时， 由于DVC法要求被测岩石RVE内部必须有满足计算要求的高质量散斑，而很多类别岩石内部并不存在这样的散斑，这使得DVC法难以直接应用于测量此类岩石的内部变形场。为解决此难题，笔者采用多材料3D打印技术制备了内置散斑载体与裂隙结构的三维透明模型，发展了三维散斑数字图像相关法，获得并定量分析了含裂隙模型的内部变形场，为透明定量解析三维非连续结构内部变形分布演化特征与变形破坏机理提供了新方法和新途径。

内嵌裂纹模型位移场的透明解析

7岩石内部渗流场的透明解析₂地质封存及核废料处置等一系列工程问题具有重要意义。然而，目前常用的RVE尺度岩心驱替实验重点关注流体宏观输运性质，如渗透率、相渗曲线和毛细压力曲线等特征，缺乏对这些宏观输运性质演变起控制作用的孔尺度流体运移机理的深入分析和准确描述，导致宏观输运性质演化规律难以预测。同时，由于岩心驱替实验中岩石内部流体流动过程不可见，且孔隙结构存在显著非均质性，全场流动模式极为复杂，仅凭宏观认识难以准确反映和描述真实流动规律。常用的微观模型实验在模型制备及施加温度压力条件等方面受限，且模型一般为小尺度二维模型，导致微观模型实验结果难以直接应用于实际工程。此外， 常用的流体动力学计算方法（CFD）在处理复杂几何结构及多相渗流行为受到较大限制，且受限于计算资源，模拟计算难以准确反映真实地层非均质性孔隙结构内的多相输运行为。针对常规岩心实验、微观模型实验及传统数值分析存在的问题，笔者借助3D打印技术、自主设计研发的原位三轴加载CT成像系统以及改进的并行格子玻尔兹曼方法（LBM），透明显示和定量解析了复杂岩石复杂结构内流体输运行为及非均质孔隙结构中的非混相界面不稳定性，探讨了复杂孔隙系统内非混相水油驱替动力学特征、优势路径及其对孔隙结构几何参数、流体黏度等物理参数的敏感性，通过直观展示流场、识别和分析孔隙结构内流体流动路径，阐释了岩石复杂结构内流体输运控制机理。这些研究为揭示岩石复杂结构内流体渗流机制及定量分析流体宏观输运特性、解决实际工程问题提供了基础和手段。

自主设计研发的原位三轴加载CT成像系统

针对长期注水开发老油田含水率大幅上升、储层水窜导致采收率下降、注水无效循环以及废水处理成本升高等工程难题，笔者采用高精度微米CT成像方法，获得了真实储层不同水驱条带代表性三维孔隙结构，依据天然岩石真实结构信息，采用3D打印技术制备了岩石孔隙结构的透明模型，利用透明模型的多相驱替实验，直观展示和定量解析了油、水、堵剂、聚合物、表面活性剂驱替过程，揭示了条带结构渗透率级差及注入黏度差异是高渗透条带形成水窜通道主要原因，堵剂运移路径及原位成胶是保证后续注入转向进入驱替高含油区域、进而提高剩余油采收率的重要因素。

高中低渗非均质孔隙结构内调剖堵水透明可视化实验

油气注液驱替开采会造成储层地应力重分布，引发岩石结构变形，进而改变岩石内流体的驱替特性。然而，储层岩石深埋地下，驱替开采引发的岩石孔隙结构三维形变及驱替行为“看不见、摸不着”，难以直观显示和定量描述，同时也缺乏三维孔隙变形过程中孔尺度非混相驱替动力学行为与机理的科学认知与理论解析模型，传统实验方法无法观测孔隙变形时的三维非混相驱替行为演化，难以揭示驱替过程的主控因素。为解决该问题，笔者在天然岩石三维孔隙结构CT图像的基础上，采用3D打印技术，制备了与天然岩石相同孔隙结构的三维物理模型，采用自主研发的原位三轴加载CT成像系统，开展了不同围压条件下三维孔隙结构变形与变形孔隙结构内三维油水驱替演化的原位CT扫描实验，透明显示并定量分析了不同围压条件下油水驱替过程中驱替前缘运移行为及指进现象、优势路径以及残余油空间分布的动态演化，建立了有效应力、孔隙变形特征以及油水驱替效率之间的定量关系，为科学认知和定量描述油气资源开采引起的储层岩石孔隙结构形变与水油驱替机理提供了新手段、新方法，取得了新发现。

不同围压条件下水驱路径与残余油空间分布

直接观测与定量表征煤层开采过程中煤岩内部三维裂隙网络演化以及裂隙网络内部流体流动是预测导水裂隙带演化和防治矿井水污染的重要基础。然而，采动应力作用下煤岩内部三维裂隙网络发育演化以及流体流动难以直接观测，现有理论模型和数值模拟方法难以计算和预测这一复杂过程。近年来，国内外学者尝试使用CT成像技术来研究岩石内部三维裂隙演化与流体流动规律，但受限于实验设备和测试方法，目前研究大多采用对变形破坏后的岩石样品进行CT扫描来观测岩石内部的三维裂隙网络及流体分布。然而，这种方法难以观测样品在承载条件下的内部结构变形与流动行为，相较于原位应力状态下三维裂隙结构和流体流动行为会产生较大误差。针对上述挑战，笔者利用所研发的原位三轴加载CT成像系统，开展了不同开采应力路径下煤岩三维裂隙网络演化与水流特征的原位CT观测实验，直观展现并定量表征了不同应力阶段煤岩内部三维裂隙网络的拓扑结构、连通性和裂隙生长闭合，并分析了其对裂隙煤岩渗透率的影响，该研究提供了一种直接观测和定量表征采动应力下煤岩三维裂隙网络演化和渗透率改变的实验方法，为预测煤矿开采过程中导水裂隙带的分布与演化以及矿井水污染防治提供了基础和参考。

不同开采应力路径下煤岩内部三维裂隙演化特征

值得关注的是，煤炭资源开发过程诱发的岩石灾变常常是固体变形与流体流动耦合作用的结果，如何透明显示和定量解析岩石灾变中的流固耦合效应一直是岩石力学研究的前沿课题。基于作者建立的固体应力场透明解析方法以及流体双折射法，笔者制备了内含流体介质的岩石复杂结构的3D打印模型，提出灾变过程中岩石固体与流体应力场耦合作用的透明解析方法。该方法同时捕捉外载作用下岩石模型固体和流体内部的应力光弹条纹，利用作者改进的光弹条纹解析方法，提取固体和流体介质的应力场，实现岩石变形过程中内部固体与流体应力场耦合作用及致灾机理的透明解析。其中流体双折射法（Flow-Induced Birefringence，FIB）是指利用具有双折射效应的流体来直观显示流场应力分布的方法。

竖向压缩时内含流体介质的三维孔隙结构固体与流体应力条纹8结论与展望

（1）三维数字重构方法可以经济有效地获取和透明显示岩石内部非连续结构，但目前研究主要集中在利用有限微观结构信息进行岩石RVE模型重构，在重构模型尺度、重构效率和模型精度方面仍需要进一步提升。

（2）3D打印技术为制备岩石复杂非连续结构物理模型并量化非连续结构对岩石灾变力学行为的影响提供了新途径。但研制反映天然岩石物性并能够透明量化岩石多物理场行为的3D打印材料仍面临诸多挑战，尚需从多方面进一步研究和改性现有的打印材料。

（3）基于具有自主知识产权的原位三轴加载CT成像系统、三维数字重构方法及研制的透明3D打印材料，制备了具有与天然岩石一致非连续裂隙、孔隙结构及相近物理力学性质的岩石透明物理模型，为通过RVE物理模型揭示并量化岩石灾变的内部非连续结构及多物理场耦合效应创造了条件。

（4）初步形成了岩石非连续结构应力场、应变场、渗流场等多物理场定量透明解析理论与方法，为破解开采诱发的岩石灾变“黑箱” 机理、建立基于RVE 尺度多物理场透明解析的非连续岩石力学与灾变分析理论、实现开采灾害的透明推演、超前预警和科学防控提供了途径和研究基础。

需要指出的是，岩石灾变内部非连续结构及多物理场效应的透明解析与透明推演研究尚属刚刚起步，当前研究面临诸多挑战。例如，除需进一步研发反映天然岩石物性并能够透明量化岩石多物理场行为的3D打印材料外，在透明解析岩石内部塑性变形与应力场特征、建立内部塑性变形解析量与宏观塑性力学响应之间的定量关系、透明解析多物理场之间的耦合效应、分析和量化多相（固、液、气）多物理场之间的相互作用仍存在困难，迫切需要通过多学科交叉融合开展更深入的研究。

作者简介

鞠杨，教授、博士生导师。现任煤炭资源与安全开采国家重点实验室常务副主任。曾获国家杰出青年基金、长江学者特聘教授、国家万人计划科技领军人才、国家百千万人才、国家有突出贡献中青年专家、国务院政府特殊津贴等荣誉或称号，是国家自然科学基金创新研究群体项目负责人。兼任中国岩石力学与工程学会岩体数学物理模拟专委会副主任、Int J Rock Mechanics & Mining Sciences 等十余种国内外知名期刊编委或副主编。鞠杨教授主要从事能源开发岩体灾变相场演化的透明解析理论、方法及工程应用研究。主持承担国家与省部级重要科研项目30余项。出版中英文专著5部，发表SCI论文160余篇、EI论文70余篇，入选Elsevier高被引学者。授权美国发明专利14件、英国发明专利3件、澳大利亚发明专利4件、加拿大发明专利1件、中国发明专利32件。获国家自然科学二等奖1项、教育部自然科学一等奖3项、二等奖1项以及其他省部级科技二等奖4项。个人学术链接: Publons: https://publons.com/researcher/1302948/yang-ju/.

来源：

鞠杨，任张瑜，郑江韬，等. 岩石灾变非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演［J］. 煤炭学报,2022,47(1):210-232.

2、尺度效应的分类定义

尺度效应的分类定义

更确切的说，尺度效应是指土壤特征(水分和盐分)的变化对采样网格尺度大小的依赖，某一种采样尺度只能揭示相应的变化规律，某一种空间结构特征只能在一定采样尺度下才能表现出来。源自：土壤水盐空间变异尺度效应的研究 《农业工程学报》 2004年 徐英、陈亚新、史海滨、魏占民。

该文利用空间信息科学——地质统计学、根据设计的各种田间网格,在一维和二维(平面)空间中初步研究了黄河河套平原长胜试验区中小尺度的土壤水分和盐分随采样尺度所表现出的空间变异(结构性)的某些规律，表明采样尺度的划分和选取与水分和盐分的空间变异性大小有密切关系，尺度效应的研究对于指导农业技术研究中野外采样系统设计、节省外业调查的工作量及科学地进行内业计算、评估和揭示农业工程中具有地学特征的区域性自然规律有重要作用。 概括地讲，尺度效应就是指:在微成形过程中，由于制品整体或局部尺寸的微小化引起的成形机理及材料变形规律表现出不同于传统成形过程的现象。源自：面向微细制造的微成形技术 《中国机械工程》 2004年 张凯锋、雷鹍来源文章摘要：综述了近年来微成形 (微尺度金属零件和微结构金属零件成形 )技术的发展概况 ，包括微成形工艺系统、成形中的微尺度效应、微尺度冲裁、挤压、拉深、超塑成形等工艺的试验和研究结果，以及已经提出和发展的考虑微尺度效应的各种力学本构模型 ，并简要介绍了微成形相关的工艺装备系统的发展现状，分析了微成形技术的发展趋势和经济潜力。 船模与实船之间的运动差异是由于模型与实物之间相似条件不能全部满足而给换算带来误差，故称为“尺度效应”.3.
2.�船舶操纵性的尺度效应由于通航船模的航行试验除水工模型、船模要求满足相似准则中提到的要求外，还必须使船模的操纵性能与实船的操纵性能相似。

源自：通航船模试验方法及其在工程中的应用 《交通部上海船舶运输科学研究所学报》 2000年 倪士龙!运输系统部来源文章摘要：通航船模航行试验的优点是实际航道实船航行试验无法比拟的 ，但要使模型试验能较精确地表征实际航道实船航行试验的特性，就必须对模型试验中可能产生的误差进行分析并找出修正误差的方法。本文首先推导出船舶运动的方程和操纵性指数 k′、t′,然后引入船模与实船之间的相似理论 ，分析指出船模与实船的操纵性由于尺度影响而不相似 ，即存在尺度效应 ，接着介绍几种尺度效应的修正方法 ,最后以配合水工模型的通航船模航行试验的几个实例验证上述的尺度效应修正方法。结果表明 ，本文介绍的几种修正方法实用有效，可为大型水利枢纽和港湾设计提供有价值的依据。

起的称为尺度效应（3）.在（3）式中弥散系数与流速的方差成正比.类同于饱和介质弥散系数的表达（13设弥散系数与平均流速成正比。源自：野外非饱和土壤水流运动速度的空间变异性... 《水科学进展》 1994年 杨金忠，叶自桐来源文章摘要：根据野外非饱和溶质运移试验资料，分析了港质运移速度的空间变异性，求得了呈对数正态分布的流速分布函数，并依此推导出有效弥散系数α=0．068t。根据流速的随机分布特征，分别用带有随机参数的对流模型、对流一弥散模型和传统的对流－弥散模型，求得了区域平均浓度分布及其方差．计算结果与实测结果拟合良好。

通过分析得到，浓度方差与浓度梯度成正比，与孔隙弥散系数成反比，方差最大值分布在浓度锋面附近。 当空间数据经聚合而改变其单元面积的大小、形状和方向时，分析结果也随之变化的现象。

天气系统的尺度效应

各类天气系统的空间尺度（水平的和铅直的）和时间尺度，以及特征的水平风速,都是根据实际观测确定的。但有些量到21世纪初还无法直接观测，只能按大气动力方程进行计算。

比如天气系统的特征铅直运动速度，可以根据连续方程由水平尺度和特征水平风速推算出来。各类天气系统的铅直运动速度有一定的特征数值，如行星尺度天气系统为10-1厘米/秒，天气尺度天气系统为10°厘米/秒，小尺度天气系统的铅直速度约为天气尺度天气系统100倍，即102厘米/秒。自40年代末期出现尺度分析方法以后，人们常常将完全的运动方程，按照各类天气系统的特征尺度进行简化，研究各类系统大气运动的规律以及系统的移动。如研究天气尺度天气系统可以应用准地转平衡近似和静力学关系，而中小尺度天气系统则不满足地转平衡和静力平衡。

尺度效应的尺度效应

介观性能度效应的结构特征介观（Mesoscopic）是指介乎与原子结构对应的微观尺度和连续介质理论适用的宏观尺度之间的尺度范畴。介观尺度并非一个确定的尺度区间，而应随具体材料的结构种类和所需要表征的材料性质而发生变化，这个尺度的基本特征是量子状态和经典状态的交叉和混合，因而赋予材料或器件许多优异的结构和功能特性。

材料的微结构特性是导致性能尺度效应的内禀原因，与材料中原子或分子键合状态有关，其敏感性从离子键到金属键到不同键合程度的高分子键到软物质。材料的此类微结构与晶体的最小结构单元（例如晶粒尺度、薄膜厚度等）、晶体缺陷（含缺陷复合体）及各种界面（晶界、相界）与表面有密切关联，同时强烈地受到材料服役外场条件的影响。尺度效应可引起主要相互作用力的不同，导致材料内禀性能及其规律和原理的质的区别。例如，薄膜材料发生形态演化的时间尺度在同等条件下远低于相应的体材料；随着线宽的降低，Cu膜蠕变行为发生的温度可由相应块体材料的高温区间逐渐降至室温；电子或声子的特征散射长度系纳米量级，当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流或热的传递方式就发生质的改变；铁电与介电薄膜的介电响应、相变及疲劳机制对尺度效应亦极其敏感；纳米金属的重要力学性质如强度、延性等具有典型的尺度效应；铁磁材料的磁学性能及非线性光学材料的非线性参量也会随着材料尺度的变化而发生显著的改变。

内陆河灌区土壤水分空间变异的尺度效应采用经典统计学和地统计学Kriging插值法研究了内陆河灌区土壤水分空间变异的尺度效应.结果表明，尺度对经典统计学参数中的中值和平均值的影响很小，对方差和变异系数的影响较大.在垂直剖面上，不同水平层次土壤含水量的方差和变异系数的变化规律随尺度而不同.土壤水分的等值线在垂直剖面上的分布规律在相同的尺度下是不同的，并且与经典统计学参数所反映的垂直变化规律也不相同，但相邻层次上具有相似性.在尺度变化的情况下，随着尺度的变大，土壤水分的等值线变得越来越稀疏，闭合中心的数量逐渐减少，位置发生移动.说明土壤水分空间变异性与采样点数目和采样尺度密切相关，随着采样尺度的增加，土壤性质的结构等级发生转变，不同结构性等级中，影响土壤水分的过程、因素不同。

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