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煤原位注入超临界水制氢升温阶段的热流耦合数值模拟研究

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矿业研究与开发 2024年第1期44卷 228-236页

作者：张子翔赵阳升冯子军太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

地下煤层原位注入超临界水制氢是一种煤的新型转化技术。基于多孔介质多场耦合原理,提出了煤层原位注入超临界水升温阶段的热流耦合数学模型,采用数值模拟的方法对煤层及顶底板岩层的温度分布、孔隙压力等的演化规律进行了研究。结果表... 详细信息

地下煤层原位注入超临界水制氢是一种煤的新型转化技术。基于多孔介质多场耦合原理,提出了煤层原位注入超临界水升温阶段的热流耦合数学模型,采用数值模拟的方法对煤层及顶底板岩层的温度分布、孔隙压力等的演化规律进行了研究。结果表明:注入超临界水后,注入井附近温度和渗流速度迅速升高并逐渐向外扩展,随后温度继续升高至大约1050℃后不再升高,流速最高可达到5.89cm/s,且随时间推移,注入井附近流速略有降低;生产井附近流速6个月前呈负指数增长,6个月后生产井附近温度和流速基本保持恒定;整体压力在1a内缓慢升高,距离注入井700m外温度在1a内变化很小。

关键词：煤原位气化超临界水制氢升温阶段热流耦合模型数值模拟

花岗岩干热岩体裂隙的大位移动态剪切-渗流特征

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煤炭学报 2023年第3期48卷 1139-1154页

作者：赵鹏冯子军南翰墨李杰太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

水力剪切是干热岩地热、页岩气等深部能源开采的又一重要技术手段,水力剪切在提高储层渗透性的同时还会诱发地震。水力剪切增透和注入诱发地震的本质均是节理裂隙/断层的剪切-渗流。为深入研究不同诱因下,节理裂隙/断层岩体的剪切-渗流... 详细信息

水力剪切是干热岩地热、页岩气等深部能源开采的又一重要技术手段,水力剪切在提高储层渗透性的同时还会诱发地震。水力剪切增透和注入诱发地震的本质均是节理裂隙/断层的剪切-渗流。为深入研究不同诱因下,节理裂隙/断层岩体的剪切-渗流特性演化特征,利用自主研发的高围压大位移实时剪切渗流装置,研究了花岗岩干热岩体裂隙在剪切蠕变、剪应力增加、水压力增加和位移速率增加4种诱因引起的滑动过程中的渗流特征,并利用现有的速率-状态方程分析了诱发地震过程中裂隙/断层的摩擦特性。结果表明:①在三轴静水压力下,花岗岩裂隙内的注水压力与注水流量之间呈线性关系,裂隙的等效张开度与渗透率随法向应力的增加呈负指数衰减特征。②剪切蠕变、注水压力、剪切应力速率和剪切位移速率4种诱因所引起的裂隙/断层的黏滑均导致裂隙/断层的渗透性显著增加,且滑移变形和滑移速率越大,渗透率增幅越大。4种诱因中,剪切蠕变引起的渗透率增幅最小,剪切应力速率引起的渗透率增幅最大。③在剪切-渗流过程中,速率-状态摩擦定律仍然可以用于分析裂隙/断层的稳定性特征,随着黏滑次数的增多,剪切应力降、b值(即摩擦因数随时间或变形的降幅)及滑移速率等摩擦参数在规则黏滑中以对数形式增长,断层滑移的不稳定程度增加;而在混沌黏滑中,上述参数符合朗格缪尔方程,并趋向于0,断层滑移的不稳定程度降低。

关键词：水力剪切注入诱发地震剪切-渗流干热岩地热储层改造

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断层岩体剪切滑移变形及其临界应力判别准则

太原理工大学学报 2022年第6期53卷 997-1003页

作者：赵鹏冯子军太原理工大学矿业工程学院太原030024 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室太原030024

为揭示断层岩体在滑动摩擦过程中的应力及运动规律,利用自主研制的裂隙岩体大位移剪切变形装置,研究了单裂隙花岗岩在法向应力等梯度递减过程中的剪切滑移特征及滑移临界应力状态。摩擦强化作用下,单裂隙花岗岩的失稳滑移变形不会无限增... 详细信息

为揭示断层岩体在滑动摩擦过程中的应力及运动规律,利用自主研制的裂隙岩体大位移剪切变形装置,研究了单裂隙花岗岩在法向应力等梯度递减过程中的剪切滑移特征及滑移临界应力状态。摩擦强化作用下,单裂隙花岗岩的失稳滑移变形不会无限增长,其滑移临界剪切应力约为该状态下法向应力的1.79倍,在法向应力等梯度降低过程中,最大剪应力降低速率平均约0.145 MPa/s,最大滑移速率平均约8.4μm/s,最大滑移加速度平均约0.547μm/s^(2);借助莫尔-库仑失稳准则建立了临界滑移条件下各应力参数之间的理论模型,将模型与实测参数比较,认为该模型可以较好地匹配实验结果。该结果对预判及评估深度地层裂隙岩体失稳滑移及临界应力状态有一定的参考价值。

关键词：断层岩体摩擦滑动剪切变形莫尔-库仑准则

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砂岩的三维非线性损伤蠕变特性

矿业研究与开发 2023年第10期43卷 139-144页

作者：王丹冯子军张子翔太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

岩石的蠕变性质对预测巷道围岩失稳、保障矿山生产安全等具有重要影响,岩石蠕变本构模型的建立是研究岩石蠕变变形特性的重要依据。针对传统蠕变模型难以反映岩石的加速蠕变阶段特征的问题,提出了一种改进的西原体模型,建立了一个可变... 详细信息

岩石的蠕变性质对预测巷道围岩失稳、保障矿山生产安全等具有重要影响,岩石蠕变本构模型的建立是研究岩石蠕变变形特性的重要依据。针对传统蠕变模型难以反映岩石的加速蠕变阶段特征的问题,提出了一种改进的西原体模型,建立了一个可变黏性系数的黏性元件,用来替代传统西原体模型中的常规黏性元件,并推导出改进后的西原体模型的本构方程和一维、三维蠕变方程。通过不同应力等级下的三轴压缩蠕变试验,采用Origin软件对该模型进行参数辨识及曲线拟合,对比分析实际试验数据与模型参数,结果表明:试验实际数据值与理论计算值吻合度均大于0.93,改进的西原体模型能够准确描述岩石加速蠕变阶段的特征,验证了该模型的正确性和适用性,具有重要的理论意义。

关键词：砂岩三轴压缩蠕变试验非线性损伤蠕变模型西原体模型

定向热冲击花岗岩体内部温度场分布及其演化特征研究

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矿业研究与开发 2023年第11期43卷 107-114页

作者：米晨冯子军陈正男张超太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

为了探究热力定向破断煤层坚硬顶板新型方法的可行性,利用自主研制的定向热传导温度控制系统,研究了高温热源作用下花岗岩定向热冲击破裂效果,揭示了岩石不均匀受热情况下温度演化规律及其与破裂的内在联系。结果表明:不同位置升温速率... 详细信息

为了探究热力定向破断煤层坚硬顶板新型方法的可行性,利用自主研制的定向热传导温度控制系统,研究了高温热源作用下花岗岩定向热冲击破裂效果,揭示了岩石不均匀受热情况下温度演化规律及其与破裂的内在联系。结果表明:不同位置升温速率随时间变化呈现先升高后降低的趋势,花岗岩试样的破坏并非于升温速率到达峰值时产生,花岗岩的破坏是热冲击效应及高温对岩石性质的弱化综合作用下的结果;随着热冲击温度的升高,非加热向测点的升温速率有很大程度的上升,对定向热冲击破岩存在一定的不利影响;在更高温度的热源作用下,花岗岩破裂时间缩短,在试验条件下热冲击温度与破裂时间的关系可用Allometricl模型进行有效拟合。研究结果可为热力定向破断坚硬岩石新型破岩方法的深入研究提供理论参考依据。

关键词：花岗岩定向热冲击温度场分布升温速率破裂时间

三轴应力下超临界水对寺河矿无烟煤渗流与变形特性的影响规律研究

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煤炭工程 2023年第12期55卷 167-172页

作者：武群杰冯子军张超赵阳升太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学原位改性教育部重点实验室山西太原030024

为了探索煤层在原位超临界水环境下改性的渗流和变形特性,将煤炭超临界水处理技术和原位改性采矿技术相结合,以?25 mm×50 mm寺河矿无烟煤为样本,在三轴应力条件下开展了超临界水环境下的渗流及变形特性研究。研究结果表明,在365、400、... 详细信息

为了探索煤层在原位超临界水环境下改性的渗流和变形特性,将煤炭超临界水处理技术和原位改性采矿技术相结合,以?25 mm×50 mm寺河矿无烟煤为样本,在三轴应力条件下开展了超临界水环境下的渗流及变形特性研究。研究结果表明,在365、400、435℃的亚临界和超临界水注水条件下,无烟煤的渗透率分别比原煤下降了56.75%、96.93%和94.99%,整体渗透率的变化趋势为先快速降低再略微升高;实验初期无烟煤的渗流通道会逐渐闭合,持续注热一段时间后,渗流现象会再次恢复,恢复时间约43.5、24.54、19.81 h;渗流恢复同时伴随剧烈的轴向压缩变形,试验温度越高,最终轴向压缩应变越大,约为0.06、0.11、0.16。

关键词：无烟煤超临界水渗透率热变形

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高温三轴应力下石灰岩热膨胀特性演化规律

矿业研究与开发 2023年第10期43卷 133-138页

作者：陈正男冯子军阴伟涛张超太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室山西太原030024

石灰岩作为地下工程中常见的岩层,其热力耦合作用下热变形在核废料深层封存、煤炭地下气化、地热资源开发等高温地下工程中至关重要。利用伺服控制多功能三轴试验系统,研究了高温三轴应力状态下石灰岩热膨胀的演化规律。试验结果表明:... 详细信息

石灰岩作为地下工程中常见的岩层,其热力耦合作用下热变形在核废料深层封存、煤炭地下气化、地热资源开发等高温地下工程中至关重要。利用伺服控制多功能三轴试验系统,研究了高温三轴应力状态下石灰岩热膨胀的演化规律。试验结果表明:高温三轴应力下实时升温过程中,三轴应力压缩裂隙闭合和抑制矿物颗粒膨胀,随着温度的升高微裂隙伴随不断的开闭竞争关系,石灰岩热应变曲线呈阶梯状,并随着静水压力的增大,热应变大小及阶梯波动逐渐减小。热力耦合作用下,由于石灰岩固体骨架在温度作用下发生热破裂和软化,高温阶段三轴应力对热膨胀系数抑制作用增强。500℃升温过程中石灰岩热膨胀平均系数存在阈值压力,当静水压力不小于25 MPa时,热膨胀系数显著衰减。

关键词：热力耦合石灰岩热膨胀

煤的热解破裂过程——孔裂隙演化的显微CT细观特征

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煤炭学报 2015年第1期40卷 103-108页

作者：冯子军赵阳升太原理工大学矿业工程学院山西太原030024

利用μCT225FCB型高精度工业CT试验机进行了不同温度下褐煤、气煤细观结构演化的显微CT试验,发现煤在低温阶段(300℃),有机质的热解导致煤中大量孔隙裂隙的形成,煤的这种产生孔隙裂隙的方式与无机岩石(如花岗岩、砂岩等)明显不同,称这... 详细信息

利用μCT225FCB型高精度工业CT试验机进行了不同温度下褐煤、气煤细观结构演化的显微CT试验,发现煤在低温阶段(300℃),有机质的热解导致煤中大量孔隙裂隙的形成,煤的这种产生孔隙裂隙的方式与无机岩石(如花岗岩、砂岩等)明显不同,称这种因热解作用导致煤等一类富含有机质的岩石发生破坏的现象为热解破裂。与无机岩石的热破裂过程相比,煤的热解破裂在破裂机理、裂纹起始位置、裂纹形态方面具有显著的独特性。煤热解破裂过程中,当温度低于300℃时因煤中自由水和自由气体的散失而形成以细长裂纹为主的孔隙裂隙系统;当温度高于300℃时因煤中热解产物的逸出而形成以圆形或椭圆形孔洞为主的孔隙裂隙系统。300℃前新生裂隙不仅起始于煤中的硬质颗粒之间,更普遍的起始于有机质中;300℃后孔隙裂隙的形成主要起始于有机质内。

关键词：煤热解破裂显微CT 细观特征

片上多处理器中延迟和容量权衡的cache结构

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计算机研究与发展 2009年第1期46卷 167-175页

作者：肖俊华冯子军章隆兵中国科学院计算技术研究所系统结构重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100049

片上多处理器中二级cache的设计面临着延迟和容量不能同时满足的矛盾,私有结构有较小的命中延迟但是减少了cache的有效容量,共享结构能增加cache的有效容量但是有较长的命中延迟.提出了一种适用于CMP的cache结构——延迟和容量权衡的ca... 详细信息

片上多处理器中二级cache的设计面临着延迟和容量不能同时满足的矛盾,私有结构有较小的命中延迟但是减少了cache的有效容量,共享结构能增加cache的有效容量但是有较长的命中延迟.提出了一种适用于CMP的cache结构——延迟和容量权衡的cache结构(TCLC).该结构是一种混合私有结构和共享结构的设计,核心思想是动态识别cache块的共享类型,根据不同共享类型分别对其进行优化,对私有cache块采用迁移的优化策略,对共享只读cache块采用复制的优化策略,对共享读写cache块采用中心放置的优化策略,以期达到访问延迟接近私有结构,有效容量接近共享结构的目的,从而缓解线延迟的影响,减少平均内存访问延迟.全系统模拟的实验结果表明,采用TCLC结构,相对于私有结构性能平均提高13.7%,相对于共享结构性能平均提高12%.

关键词：片上多处理器 TCLC 二级cache 复制迁移中心放置