页岩破裂能量分布与临界特征：巴西劈裂试验分析

"页岩巴西劈裂试验的能量分布与临界特征分析" 页岩作为一种重要的非常规能源储藏地层，其脆性破坏特征在工程实践中具有显著的影响，尤其是在页岩气开采过程中的压裂作业。巴西劈裂试验是研究材料在拉伸作用下断裂特性的常用方法，对于页岩而言，这种试验能够揭示其在不同加载速率下的能量分布规律。在本研究中，科研人员选取了四川盆地南部地区的龙马溪组钙质页岩作为样本，进行了三种不同加载速率（0.005, 0.05, 0.5 mm/min）的巴西劈裂试验，并配合声发射技术来监测和分析岩石破坏过程。 首先，研究发现无论加载速率如何，岩石破坏过程中释放的能量遵循幂定律分布，即能量的概率密度函数服从幂律分布。这一发现揭示了页岩在破坏时的能量分布具有普适性，不受加载速率影响，同时表现出时间上的幂律无尺度分布特征，意味着能量释放的不均匀性在不同时间尺度上保持一致。 其次，局部应力下的能量分布同样符合幂定律，与整体破坏的能量分布规律相吻合。在不同应力阶段，能量概率分布曲线呈现出向整体破坏状态靠拢的趋势，表明在页岩破坏的过程中，局部能量积累和释放的过程与整体破坏有密切关系。 进一步的研究指出，当应力达到最大应力的90%，即σ=0.9σmax时，系统进入临界状态。此时，能量分布曲线与幂值分布曲线开始接近，并最终在岩石完全破坏时重合。这为理解和预测页岩的破坏机制提供了关键的临界特征。 此外，通过与纤维束模型的数值模拟结果对比，当应力达到试件破坏应力的90%后，观察到分叉率ξ的急剧增加，这是临界现象的典型表现。这一现象验证了试验结果的准确性，也为理解页岩在压裂过程中的动态响应提供了有力的理论支持。 该研究通过页岩巴西劈裂试验揭示了页岩在拉伸破坏下能量分布的统计特征和临界特性，为页岩气开采中的压裂设计提供了理论基础。这些发现不仅有助于优化压裂工艺，减少资源浪费，还能为地质灾害预防提供科学依据。