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单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏特征研究

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岩土力学 2019年第7期40卷 2637-2644页

作者：武晋文冯子军梁栋鲍先凯中北大学理学院山西太原030051 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 中国辐射防护研究院中核高放废物地质处置评价技术重点实验室山西太原030024 内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010

大型水力压裂是干热岩地热能开发中人工储留层建造的最有效手段,其核心力学问题为高温、高压下岩石的水力破岩机制。通过单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏试验,研究固-热耦合作用下花岗岩的水力破岩机制。结果表明:高温对花岗岩... 详细信息

大型水力压裂是干热岩地热能开发中人工储留层建造的最有效手段,其核心力学问题为高温、高压下岩石的水力破岩机制。通过单轴应力下带钻孔花岗岩注入高温蒸汽破坏试验,研究固-热耦合作用下花岗岩的水力破岩机制。结果表明:高温对花岗岩破裂有很大的促进作用,热效应导致强度弱化,降低破裂压力。高速率注入430℃和350℃蒸汽破坏试验中,破裂压力比常温水压裂至少降低58%;低速率注入400℃和450℃蒸汽破坏试验中,花岗岩破裂压力比常温水压裂降低75%。注蒸汽破坏过程可分为热破裂损伤和宏观裂缝扩展两个阶段。高温蒸汽产生的热应力在钻孔周围随机发生热破裂,随着注入蒸汽时间的增加,热破裂范围由钻孔附近逐渐向远处扩展,热破裂分布密度增大,为宏观裂缝的产生提供便利条件。初始宏观裂缝首先出现在钻孔两侧,沿着最终形成的宏观裂缝轨迹扩展,直到试样破坏。与常温水压裂相比,低速率注蒸汽破坏是一个缓慢的延性拉破坏过程,裂缝相对钻孔不对称扩展,宽度小于水力压裂裂缝宽度。

关键词：水力压裂花岗岩高温岩体声发射

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矩形顶管施工的数值模拟研究

施工技术 2013年第S1期42卷 410-412页

作者：庞臣军鲍先凯内蒙古科技大学建筑与土木工程学院内蒙古包头014010

结合包头市阿尔丁大街地下通道顶管工程,采用三维有限元计算软件ANSYS模拟了矩形顶管施工的过程,着重分析了在动力荷载作用下的矩形顶管施工对施工现场周围土体位移产生的影响。通过研究,得到了矩形顶管施工对土体扰动的影响范围以及在... 详细信息

结合包头市阿尔丁大街地下通道顶管工程,采用三维有限元计算软件ANSYS模拟了矩形顶管施工的过程,着重分析了在动力荷载作用下的矩形顶管施工对施工现场周围土体位移产生的影响。通过研究,得到了矩形顶管施工对土体扰动的影响范围以及在横、纵两个方向上的变化规律,并与工程实测资料进行了对比,证明了数值模拟对顶管法施工有重要的工程指导意义。

关键词：矩形顶管法数值模拟土仓压力注浆压力顶进速度

基于Weierstrass-Mandelbrot函数的岩体裂隙映射重构

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岩土力学 2024年第10期45卷 3058-3070页

作者：刘宏伟陈世江许有俊张旭鲍先凯内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010 内蒙古科技大学矿山安全与地下工程院士工作站内蒙古包头014010 内蒙古科技大学内蒙古自治区高校城市地下工程研究中心内蒙古包头014010 六盘水师范学院矿业与机械工程学院贵州六盘水553004

重构岩体裂隙对精准构建裂隙岩体模型以及准确获取其力学性质具有重要意义。鉴于此,为使重构裂隙与天然状态相吻合,提出了D-n_(max)阈值公式,修正了用于岩体裂隙模拟的Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数。通过二值化灰度图像对Barton10... 详细信息

重构岩体裂隙对精准构建裂隙岩体模型以及准确获取其力学性质具有重要意义。鉴于此,为使重构裂隙与天然状态相吻合,提出了D-n_(max)阈值公式,修正了用于岩体裂隙模拟的Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数。通过二值化灰度图像对Barton10条剖面线进行数字化,经试错法及综合分析法,以等差方式确定10个粗糙度水平的Hurst值。通过对10条剖面线进行傅里叶变换得到了幅值特征新参数Spp,结合起伏角标准差σ_i线性构建新裂隙粗糙度系数(joint roughness coefficient,简称JRC)计算公式。采用二分法获得目标JRC值对应W-M函数的最佳尺度常数G值,建立了JRC与W-M函数的映射关系。W-M函数考虑了随机项,实现了重构裂隙的差异化。对重构裂隙进行粗糙度定量化研究和室内试验,验证了新参数Spp、新JRC计算公式及映射关系的有效性。所作研究为拓展岩体裂隙获取方法提供了新的思路,为裂隙岩体力学性质研究奠定了基础。

关键词：岩体裂隙自仿射分形 Weierstrass-Mandelbrot函数裂隙粗糙度系数(JRC) 映射重构

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全长粘结式锚杆锚固机理及受力特性分析

矿业安全与环保 2010年第5期37卷 78-80页

作者：鲍先凯李义内蒙古科技大学建筑与土木工程学院内蒙古包头014010 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024

全长粘结式锚杆支护是各种岩土工程广泛应用的支护形式,但由于对全长粘结式锚杆的锚固机理和受力特征认识不清,使其在设计和应用上存在一定的局限性。从研究全长粘结式锚杆和围岩的作用机理入手,深入探讨其锚固机理和受力情况,进而为全... 详细信息

全长粘结式锚杆支护是各种岩土工程广泛应用的支护形式,但由于对全长粘结式锚杆的锚固机理和受力特征认识不清,使其在设计和应用上存在一定的局限性。从研究全长粘结式锚杆和围岩的作用机理入手,深入探讨其锚固机理和受力情况,进而为全长粘结式锚杆的设计和工程应用提供参考依据,具有重要的理论与工程实际意义。

关键词：锚杆锚固机理剪应力中性点

高压电脉冲水力压裂法煤层气增透的试验与数值模拟

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岩石力学与工程学报 2017年第10期36卷 2415-2423页

作者：鲍先凯杨东伟段东明武晋文内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 中北大学理学院山西太原030051

为了提高低渗透性煤层气的抽采效率,揭示高压电脉冲水力压裂技术对煤体产生裂缝的效果及裂缝的扩展演化规律,通过实验室试验,对煤样进行单纯静水压裂(3 MPa)和相同水压力(3 MPa)、不同放电电压(5,10 k V)条件下的高压电脉冲水力压裂试验... 详细信息

为了提高低渗透性煤层气的抽采效率,揭示高压电脉冲水力压裂技术对煤体产生裂缝的效果及裂缝的扩展演化规律,通过实验室试验,对煤样进行单纯静水压裂(3 MPa)和相同水压力(3 MPa)、不同放电电压(5,10 k V)条件下的高压电脉冲水力压裂试验,应用CT扫描技术分析了煤样内部裂纹的起裂、发展、分布情况;建立数值模拟分析水压电脉冲作用下裂隙的发展规律和裂缝周边的应力分布情况。研究结果表明:在相同静水压力作用下,高压电脉冲水力压裂煤层比单纯静水压力致裂效果明显;放电电压越高,在裂隙尖端产生的拉应力值越大,煤体易产生疲劳损伤破坏,裂隙易产生、易发展;放电电压越高,裂纹数量越多,裂纹的起裂时间更早,裂缝延伸长度更长,宽度更宽,致裂效果更好;可证明高压电脉冲水力压裂煤层方法有效,技术可行。

关键词：岩石力学瓦斯抽采煤层气水压致裂高压电脉冲

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加载速率效应下恒温花岗岩损伤破坏规律研究

地下空间与工程学报 2024年第3期20卷 788-799,847页

作者：鲍先凯姜斌于超云时睦涵张武内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010 内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心内蒙古包头014010 内蒙古自治区土木工程安全与耐久重点实验室内蒙古包头014010

为研究恒温花岗岩的加载速率效应,以60℃恒温花岗岩试样为实验对象,开展不同加载速率下花岗岩单轴压缩试验并采用声发射技术实时监测并进行数值模拟计算,分析试样的力学特性和破坏演化规律。结果表明:随加载速率增加,花岗岩弹性模量先... 详细信息

为研究恒温花岗岩的加载速率效应,以60℃恒温花岗岩试样为实验对象,开展不同加载速率下花岗岩单轴压缩试验并采用声发射技术实时监测并进行数值模拟计算,分析试样的力学特性和破坏演化规律。结果表明:随加载速率增加,花岗岩弹性模量先减小后增大,泊松比先增大后减小;0.005 mm/s加载速率下试件声发射信号曲线平滑、增长缓慢,0.01 mm/s、0.015 mm/s加载速率下声发射信号曲线曲率急剧增加,而0.02 mm/s加载速率下声发射信号断崖式上升;不同加载速率下的张拉裂纹散点分布靠近AF轴,剪切裂纹散点分布均远离AF轴,张拉裂纹散点远多于剪切裂纹;声发射RA-AF演化特征分析和数值模拟分析都很好地印证了花岗岩低加载速率下的破坏形式是以张拉为主的张拉-剪切混合破坏,高加载速率下的破坏形式主要为张拉破坏,这与试验结果高度吻合。

关键词：花岗岩加载速率声发射振铃 RA-AF演化特征损伤破坏

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农村住宅建筑绿色化改造对策

建筑技术 2017年第12期48卷 1250-1252页

作者：白胤汪俊杨旭光鲍先凯内蒙古科技大学建筑与土木工程学院内蒙古包头014010

通过对山东多处新农村社区的调研,发现弃旧建新模式下的住宅建筑普遍存在的问题,绝大多数农民更倾向于在原有住宅基础上进行拆旧建新。农村绿色化改造应根据实际情况合理采取拆旧建新和弃旧建新两种方式,针对拆旧建新方式的农村在拟建... 详细信息

通过对山东多处新农村社区的调研,发现弃旧建新模式下的住宅建筑普遍存在的问题,绝大多数农民更倾向于在原有住宅基础上进行拆旧建新。农村绿色化改造应根据实际情况合理采取拆旧建新和弃旧建新两种方式,针对拆旧建新方式的农村在拟建及建造完成不久的两类住宅建筑,在个体及整体规划上给出绿色化改造建议。

关键词：新农村社区拆旧新建绿色化改造

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煤岩体在水中高压放电下致裂效果的定量评价

岩石力学与工程学报 2020年第4期39卷 715-725页

作者：鲍先凯刘源郭军宇曹嘉星赵金昌武晋文内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014010 太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 中北大学理学院山西太原030051

为了研究水中高压放电对低渗透性煤体的致裂效果,设计在3MPa水压中高压脉冲放电压裂试验,利用CT扫描系统和孔裂隙特征分析软件,通过研究煤样内部裂隙的几何形态参数、分形维数及裂隙宽度概率密度函数的变化,定量分析煤岩体在不同加载压... 详细信息

为了研究水中高压放电对低渗透性煤体的致裂效果,设计在3MPa水压中高压脉冲放电压裂试验,利用CT扫描系统和孔裂隙特征分析软件,通过研究煤样内部裂隙的几何形态参数、分形维数及裂隙宽度概率密度函数的变化,定量分析煤岩体在不同加载压裂方式下的裂纹扩展规律。研究结果表明:在相同水压条件下,高压电脉冲水压压裂煤体的效果明显优于单纯3 MPa水压的压裂效果;放电电压越高,煤样内部裂隙的数量和节点数量越多、总长度越长、平均宽度越宽以及裂隙率越大;放电电压越高,分形维数和裂隙分布初值的对数值越大,即裂隙越复杂,大裂隙所占比例越大;放电电压越高,裂隙宽度越宽,宽度分布范围也越广。由此可见,水中高压脉冲放电对煤体具有良好的致裂效果。

关键词：采矿工程裂隙几何形态参数分形维数概率密度函数定量分析

水中高压电脉冲压裂煤岩体裂纹断裂演化特征研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：鲍先凯张童崔广芹姜斌张晓凡乔建龙内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古科技大学内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心内蒙古自治区高校城市地下工程研究中心

水中高压电脉冲压裂煤岩储层是提高煤层气开采效率的重要手段。为研究水中高压电脉冲压裂煤岩体过程中的裂纹断裂演化特征及规律，基于声发射技术，通过开展水中高压电脉冲压裂煤岩体试验，利用振铃、能量定量分析了不同放电电压作用下... 详细信息

水中高压电脉冲压裂煤岩储层是提高煤层气开采效率的重要手段。为研究水中高压电脉冲压裂煤岩体过程中的裂纹断裂演化特征及规律，基于声发射技术，通过开展水中高压电脉冲压裂煤岩体试验，利用振铃、能量定量分析了不同放电电压作用下裂纹断裂演化特征，事件分布以及分形维数分析了裂纹发育扩展规律，结合PFC2D颗粒流数值模拟，与试验声发射参数对比，进一步从细观尺度研究了裂纹起裂扩展形态特征。研究表明：(1)静水压一定的条件下，不同放电电压致裂煤岩体存在最佳放电次数，煤岩体试件声发射累积振铃计数、最大振铃计数以及累积能量达到峰值，达到最佳放电次数后继续放电，各参数逐渐减小。(2)随着放电电压、放电次数增加，煤岩体内部形成大量微裂纹和多条斜向45°的X形主裂纹，达到最佳放电次数后继续放电，微裂纹数量、规模、密集程度基本不再增加，而贯通性主裂纹进一步发育、扩展，长度继续增加。(3)随着放电次数增加，分形维数值逐渐减小，裂纹逐渐从随机、无序性微裂纹向有序性、贯通性主裂纹调整，裂纹复杂程度逐渐减小。(4)数值模拟结果显示，钻孔水中放电后煤岩体钻孔周围形成了大量微裂纹和数量不等的主、次裂纹，随着放电电压和放电次数的增加，主裂纹长度增加明显。研究结果可为水中高压电脉冲压裂煤岩储层技术应用提供理论支撑。

关键词：水中高压放电声发射裂纹断裂演化 PFC数值模拟