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压缩条件下不同形状玄武岩柱破裂机理数值模拟研究

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力学与实践 2022年第1期44卷 88-99页

作者：王永艺龚斌唐春安大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

压缩条件下,不同形状玄武岩柱的强度和变形存在差异,且其破裂机理和破坏模式亦存在区别。本文构建不同形状的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA3D-CT软件的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化... 详细信息

压缩条件下,不同形状玄武岩柱的强度和变形存在差异,且其破裂机理和破坏模式亦存在区别。本文构建不同形状的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA3D-CT软件的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型,并分别赋予节理、岩石的材料力学参数,其中,考虑节理及岩石的非均质性。进一步开展不同侧压条件下的玄武岩柱数值试验,以研究其强度和变形特性,及其破裂机理与破坏模式。研究表明:对于侧压0 MPa的情况,尺寸1.5 m×3 m,3 m×3 m,6 m×3 m的玄武岩柱的抗压强度随柱体倾角的增加大致呈U型分布;对于侧压6 MPa的情况,尺寸1.5 m×3 m,3 m×3 m,6 m×3 m的玄武岩柱的抗压强度随柱体倾角的增加大致呈V型分布。分别以尺寸1.5 m×3 m,6 m×3 m,柱体倾角β为15°和45°的玄武岩柱为例,研究其在不同侧压条件下的破裂机理及破坏模式,分析了加载过程中应力集中、裂纹萌生、扩展、破碎带形成的全过程,以及声发射特征。

关键词：压缩形状玄武岩柱破裂机理声发射数值模拟

压缩条件下玄武岩柱尺寸效应及破裂机理数值模拟研究

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应用力学学报 2023年第2期40卷 364-377页

作者：王永艺唐春安夏英杰大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室大连116024

为研究压缩条件下玄武岩柱强度和变形的尺寸效应,及其破裂机理和破坏模式,本研究构建不同尺寸的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA3D-CT的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型... 详细信息

为研究压缩条件下玄武岩柱强度和变形的尺寸效应,及其破裂机理和破坏模式,本研究构建不同尺寸的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA3D-CT的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型,并分别赋予节理、岩石的材料力学参数,其中,考虑节理及岩石的非均质。开展压缩条件下的玄武岩柱数值试验,分析侧压、垂直柱轴方向(Ⅰ/Ⅱ)对玄武岩柱的力学尺寸效应的影响,以及玄武岩柱破裂过程的应力场演化与损伤破裂特征。研究表明:对于垂直柱轴方向Ⅰ的情况,当侧压为0 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应;当侧压为2 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为4、6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。对于垂直柱轴方向Ⅱ的情况,当侧压为0、2 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应;当侧压为4 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。当侧压为0~8 MPa,随着模型尺寸的增加,试件抗压强度的横观各向异性系数变化范围为0.75~1.15;试件等效变形模量的横观各向异性系数变化范围为0.90~1.15。因此,玄武岩柱可近似为横观各向同性。分析了不同侧压、模型尺寸、垂直柱轴方向(Ⅰ/Ⅱ)条件下玄武岩柱的节理开裂情况、应力集中、裂纹萌生扩展、破碎带形成的全过程,以及声发射特征。

关键词：玄武岩柱尺寸效应侧压破裂机理数值模拟

深地热开采热能提取效率研究及对EGS-E的启示

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工程科学学报 2022年第10期44卷 1799-1808页

作者：李迎春孙文明亢方超唐春安大连理工大学深地工程研究中心大连116024 广东石油化工学院机电工程学院茂名525000

深地热资源因其储量大、清洁、可持续等优点在近年受到广泛关注.不同的深地热开发系统具有不同的热储改造方式,而这些热储改造方式决定了其与流体工质的换热效率及采热量.通过COMSOL Multiphysics多场耦合软件系统对比了高渗透率、贯穿... 详细信息

深地热资源因其储量大、清洁、可持续等优点在近年受到广泛关注.不同的深地热开发系统具有不同的热储改造方式,而这些热储改造方式决定了其与流体工质的换热效率及采热量.通过COMSOL Multiphysics多场耦合软件系统对比了高渗透率、贯穿裂隙(管道)、随机裂隙和随机裂隙+贯穿裂隙热储模型的热能提取效率,研究了水力作用、热力作用和热储裂缝间距对裂隙开度的影响.研究结果表明高渗透热储的热能提取效率最高,其次是随机裂隙热储,随后是随机裂隙+贯通裂隙热储,最小的是贯通裂隙(管道)热储.热储裂隙开度演化受基岩冷却收缩和裂隙流体压力的竞争影响.增加基岩的冷却收缩和裂隙流体压力均能提升总裂隙开度;但是当基岩冷却收缩起主导作用时(热力作用),系统的注入能力提升;而当裂隙流体压力起主导作用时(水力作用),系统的注入能力降低.减小裂隙间距可以显著增加裂隙的热力作用开度和总开度.当裂隙间距减小到50 m时,热力作用开度增加为水力作用开度的4.8倍.因此对EGS-E(基于开挖的增强型地热系统)的主要启示为:(1)通过优化爆破或水力压裂等工艺参数,使崩落的干热岩尽量破碎,形成高渗透率热储,可大幅增加热交换面积,提高热能提取效率和采热量;(2)在EGS-E热储分层致裂中,应尽量减小层间距,进而增加热储的整体裂隙开度,达到提高换热效率的目的.

关键词：深地热开采热储换热效率裂隙开度基于开挖的增强型地热系统裂缝间距热交换面积

多关键层结构下不同采厚覆岩移动及围岩响应特征

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煤炭科学技术 2022年第6期50卷 211-218页

作者：原富珍马克唐春安王苏健郭涵宇大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学岩石破裂与失稳研究中心辽宁大连116024 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司陕西西安710070 陕煤化工集团铜川矿业有限公司下石节煤矿陕西铜川727000

针对多关键层结构下煤厚复杂工作面覆岩移动及围岩应力问题,采用RFPA-Strata数值模拟方法研究了多关键层结构下不同采厚关键层破断特征及不同关键层破断前后支承应力响应特征。结果表明:①采高小于2.5 m时仅低位关键层破断且能够形成稳... 详细信息

针对多关键层结构下煤厚复杂工作面覆岩移动及围岩应力问题,采用RFPA-Strata数值模拟方法研究了多关键层结构下不同采厚关键层破断特征及不同关键层破断前后支承应力响应特征。结果表明:①采高小于2.5 m时仅低位关键层破断且能够形成稳定的砌体梁结构,此时低位关键层能够承载自身及其上方至中位关键层下方岩层重量,煤体仅需承载低位关键层下方软岩重量及附加载荷,煤岩体承载力较好,超前支承应力峰值随采高增加逐渐增大。②采高大于3 m时中位、低位关键层均发生破断,中位关键层破断后形成砌体梁结构,此时中位关键层能够承载自身及其上方至高位关键层下方软岩重量;低位关键层破断后其断裂的岩块未能与前方未完全破断的岩层铰接,低位关键层为悬臂梁结构,此时煤体需承载煤层上方至中位关键层下方岩层重量及附加载荷,超前段煤岩体发生大量剪切破坏导致煤岩体承载力降低,超前支承应力峰值随采高增加逐渐减小。③关键层运动影响支承应力分布特征,关键层完全破断后低位关键层下沉位移量减小,超前支承应力峰值大小及其距煤壁的距离随关键层破断均减小。④采高大于3 m时,低位关键层破断后主要影响超前支承应力峰值点距煤壁距离,峰值大小变化较小;中位关键层层破断后主要影响支承应力峰值大小,峰值点距煤壁距离变化较小。

关键词：覆岩移动多关键层结构支承应力围岩

含下卧软层地基极限分析数值试验及承载力安全性研究

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岩土力学 2010年第3期31卷 956-960页

作者：姜谙男唐春安大连理工大学土木水利学院大连116024 大连海事大学交通工程与物流学院大连110004

含下卧软层的地基在工程中比较常见,但目前对其破坏机制和承载力计算还依赖于很多的假设条件和经验。基于极限分析和快速拉格朗日数值模拟方法,对含下卧层地基的加载破坏过程进行应变控制的数值试验。首先用Prandtl的极限承载力解析解... 详细信息

含下卧软层的地基在工程中比较常见,但目前对其破坏机制和承载力计算还依赖于很多的假设条件和经验。基于极限分析和快速拉格朗日数值模拟方法,对含下卧层地基的加载破坏过程进行应变控制的数值试验。首先用Prandtl的极限承载力解析解验证了数值试验的有效性,然后对一个含下卧层的地基模型按照不同加载尺寸进行加载数值试验,发现模拟结果存在明显的荷载尺寸效应。模拟获得不同荷载条件下的极限承载力以及相应的应力-应变曲线、渐进破坏模式、下卧软层的沉降规律。进一步将下卧层的地基承载力加载安全系数与强度折减系数进行对比,发现折减系数与加载系数随荷载尺寸变化的趋势相同,但前者的数值偏小。

关键词：地基承载力下卧软层极限分析数值试验安全系数.

基于秦岭输水隧洞微震参数的机器学习岩爆预测模型

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Journal of Central South University 2023年第1期30卷 289-305页

作者：马克申青青孙兴业马天辉胡晶唐春安 State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering(Dalian University of Technology) Dalian 116024China Institute of Rock Instability and Seismicity Research Dalian University of TechnologyDalian 116024China Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin China Institute of Water Resources and Hydropower ResearchBeijing 100038China

随着地下工程不断向深部发展,岩爆的频次和强度日益增加。为了实现对岩爆烈度等级的预测,本文引入6种机器学习算法,建立了6个岩爆预测模型。以秦岭输水隧洞工程289天的微震监测数据与岩爆案例为基础,构建岩爆烈度等级预测数据集。在建... 详细信息

随着地下工程不断向深部发展,岩爆的频次和强度日益增加。为了实现对岩爆烈度等级的预测,本文引入6种机器学习算法,建立了6个岩爆预测模型。以秦岭输水隧洞工程289天的微震监测数据与岩爆案例为基础,构建岩爆烈度等级预测数据集。在建模过程中,首先讨论了数据不均衡对模型性能的影响,得出Borderline-SMOTE1是消除数据不均衡最有效的方法。其次,对6个模型性能指标进行分析,发现Adaboost算法的岩爆预测模型性能最好,其精度、宏F1值、微F1值均最高,分别为0.938、0.937和0.938。最后将Borderline-SMOTE1-Adaboost岩爆预测模型应用于秦岭输水隧洞工程2020年6月1日至2020年6月10日的岩爆烈度等级预测,10次强烈岩爆均被准确预测,验证了通过微震参数来预测岩爆烈度等级的有效性,表明了Borderline-SMOTE1-Adaboost岩爆预测模型可为深埋隧道施工过程中岩爆灾害的预警提供参考。

关键词：微震岩爆预测机器学习过采样

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增强地热系统研究现状:挑战与机遇

工程科学学报 2022年第10期44卷 1767-1777页

作者：亢方超唐春安李迎春李天娇门金龙广东石油化工学院机电工程学院茂名525000 大连理工大学深地工程研究中心大连116000

开发地热资源,尤其是深部干热岩地热资源,是加快能源结构转型,顺利实现“双碳”目标的重要途径.增强地热系统经历了50余年的发展,在深部地热资源开采方面取得了丰富的研究成果和施工经验.回顾增强地热系统的发展历程,总结热储特征、储... 详细信息

开发地热资源,尤其是深部干热岩地热资源,是加快能源结构转型,顺利实现“双碳”目标的重要途径.增强地热系统经历了50余年的发展,在深部地热资源开采方面取得了丰富的研究成果和施工经验.回顾增强地热系统的发展历程,总结热储特征、储层改造以及示范项目的终止原因,分析商业化面临的挑战,探讨未来的探索方向和发展机遇,能够有效服务我国深部地热资源开发和示范项目的建设.在经历研究和开发阶段后,增强地热系统进入示范和商业化的飞速发展阶段,截至2021年末,世界累计的增强地热系统数量已达41个,累计发电装机量为37.41 MW;储层地质条件的复杂性和差异性以及现有改造技术对储层原位地质环境的依赖性,难以形成“可复制”的热储改造模式,由此导致的热储质量差等问题是制约增强地热系统发展的主要原因;建立典型的干热岩增强地热系统示范项目或探索基于采矿技术的增强地热系统,突破热储改造对原位地质条件的依赖性,形成“可复制”的深部地热资源开采体系,是增强地热系统未来的发展方向,也是实现深部地热资源大规模商业化的关键出路.

关键词：深部地热能增强地热系统干热岩热储改造热矿共采

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湿度扩散诱发的节理岩体时效变形特性研究

水利学报 2012年第3期43卷 315-322页

作者：唐世斌唐春安大连理工大学岩石破裂与失稳研究所辽宁大连116024

湿度对岩体结构性能的影响显著,不仅造成岩体物理力学性能弱化,还在一定程度上产生湿涨变形,进而改变岩体的应力状态,大大增强岩体的时效变形特性。为了分析节理岩体在高湿度环境下的时效变形,采用湿度-应力-损伤耦合数值模型对水敏感... 详细信息

湿度对岩体结构性能的影响显著,不仅造成岩体物理力学性能弱化,还在一定程度上产生湿涨变形,进而改变岩体的应力状态,大大增强岩体的时效变形特性。为了分析节理岩体在高湿度环境下的时效变形,采用湿度-应力-损伤耦合数值模型对水敏感岩体隧洞开挖后的变形量、围岩内的湿度扩散,以及应力演化进行了数值分析。通过对单组和2组节理岩体的变形、应力、湿度扩散的分析,揭示了节理弱面对湿度扩散和岩体变形的强化作用。开挖隧洞拱顶和底板变形量的分析结果表明高湿度环境是水敏感岩体隧洞产生底鼓的重要原因之一。湿度扩散引起隧洞顶部和底部围岩产生大量破坏,致使相应部位的位移量陡增。此外,单组节理对岩体的湿度扩散的方向起到明显的导向作用,而多组相互斜交的节理则在一定程度上削弱了湿度扩散的各向异性。

关键词：节理岩体时效变形湿度扩散损伤演化

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岩土体的非均质性及力学参数的条件模拟赋值

岩石力学与工程学报 2002年第1期21卷 13-17页

作者：胡小荣俞茂宏唐春安西安交通大学建筑工程与力学学院西安710049 东北大学岩石破裂与失稳研究中心沈阳110006

根据工程岩土体通常为非均质体,其力学参数具有空间变异二重性,应看成是空间随机场这一事实,对工程岩土体经过分级分区后,各分区岩土力学参数随机场的空间变异性分析以及岩土工程有限元计算中单元体力学参数的条件模拟赋值作了探讨。应... 详细信息

根据工程岩土体通常为非均质体,其力学参数具有空间变异二重性,应看成是空间随机场这一事实,对工程岩土体经过分级分区后,各分区岩土力学参数随机场的空间变异性分析以及岩土工程有限元计算中单元体力学参数的条件模拟赋值作了探讨。应用条件模拟法对单元体力学参数进行赋值不仅能同时考虑到岩土力学参数随机场所具有的空间变异二重性特征,而且比克立格法能更真实地再现岩土力学参数随机场所具有的离散性和波动性。

关键词：岩土体非均质性空间变异性有限元条件模拟岩土力学