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热冲击作用下岩石宏细观破裂规律及其在地热开采中的应用

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热冲击作用下岩石宏细观破裂规律及其在地热开采中的应用

作者：董赟盛太原理工大学

学位级别：硕士

人类从未停止对地球奥秘的探索。随着发展需求的扩大和科技水平的进步,全世界对地球科学的研究逐渐向深部进军。深地工程在生产生活的各个领域都拥有着不可撼动的地位,如地热能开发利用、煤炭地下气化开采、高温隧洞设计施工、核废料深... 详细信息

人类从未停止对地球奥秘的探索。随着发展需求的扩大和科技水平的进步,全世界对地球科学的研究逐渐向深部进军。深地工程在生产生活的各个领域都拥有着不可撼动的地位,如地热能开发利用、煤炭地下气化开采、高温隧洞设计施工、核废料深埋储存等。这些深地工程都会受到高温作用的影响,且开发过程中大多伴随着温度的剧烈变化。而岩体在热冲击作用下的破裂特征和物理力学性能与常温环境不同,地表岩体工程的理论基础和技术体系难以适用,建设开发难度极大。因此对热冲击作用下岩体的破裂特征和物理力学性质演变规律进行分析研究,对深地工程开发的理论发展和实践应用具有重要意义。本文以华南地区某地热能开发示范工程为研究背景,采用宏细观物理力学试验与数值模拟相结合的研究方法,对以石灰岩为主的三种典型岩石（砂岩、石灰岩、花岗岩）进行分析研究。探究热冲击作用下岩石的细观热破裂特征和宏观物理力学性质演变规律。最后立足于工程应用,采用COMSOL Multiphysics5.4商业软件进行数值模拟计算,研究THM耦合作用下地热能开采期间储层岩体渗透性的演变规律,得到以下主要结论:（1）热冲击作用下石灰岩细观破裂规律。600℃范围内高温石灰岩在热冲击作用下,加热温度越高、冲击温差越大,热冲击作用效果越明显,石灰岩细观热破裂程度越高。（2）热冲击作用下石灰岩力学行为演变规律。600℃范围内高温石灰岩在热冲击作用下,加热温度越高、冲击温差越大,石灰岩宏观物理力学性能劣化程度越高。（3）三种岩石热冲击破裂特征及规律。三种典型岩石经过热冲击处理后,随加热温度的升高,其热破裂特征和物理力学性质演变规律具有相似性;随热冲击温差的增大,其热破裂特征及物理力学性质演变规律具有差异性。（4）THM耦合作用下地热储层渗透性演变规律。高温、大埋深储层有助于岩体发生热破裂和剪切破裂,进一步增强储层渗透性;且储层初始温度越高、埋深越大,渗透性越强。因此可以通过岩体所受热冲击程度和应力状态判断地热储层渗透性强弱程度。

关键词：地热开发热冲击作用岩石破裂特征物理力学性质多场耦合数值模拟

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石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律研究

岩石力学与工程学报 2022年第S01期41卷 2823-2833页

作者：董赟盛郤保平何水鑫辛国旭杨欣欣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

为探究石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律,应用高分辨X射线三维CT检测系统对经过不同温度热冲击试验处理的标准石灰岩试件进行观测,结合图像处理软件统计并计算石灰岩二维分形参数,对石灰岩热冲击破裂后的二维分形参数演化规律进行... 详细信息

为探究石灰岩热冲击破裂二维分形参数演化规律,应用高分辨X射线三维CT检测系统对经过不同温度热冲击试验处理的标准石灰岩试件进行观测,结合图像处理软件统计并计算石灰岩二维分形参数,对石灰岩热冲击破裂后的二维分形参数演化规律进行研究。结果表明:高温石灰岩在20℃水中热冲击冷却时,随着温度由200℃升至600℃,二维分形维数D单调递增,且D在200℃~400℃上升幅度小于400℃~600℃阶段。对于裂隙强随机分布的石灰岩,引入裂隙发育指数K,并得到在20℃水中热冲击下K关于石灰岩温度T的拟合关系式;400℃石灰岩在不同温度水中热冲击破裂,随着水温由20℃升至100℃,任意方向的二维分形维数逐渐减小,且具有方向差异性;400℃石灰岩在不同温度水中热冲击破裂,裂隙面三维分形容量维数与二维分形维数演变规律一致,且两者具有高度拟合的线性关系。研究结果可以丰富和发展高温岩石力学理论。

关键词：岩石力学石灰岩热冲击破裂分形规律显微CT

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冷却介质对花岗岩热冲击破裂程度的影响研究

岩石力学与工程学报 2023年第S02期42卷 4006-4017页

作者：何水鑫郤保平董赟盛曹钰贾鹏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试验室山西太原030024

为探明水温变化对花岗岩热冲击过程的影响,基于热冲击传热理论,设计并进行不同热源温度下的恒温对流加热试验,通过理论推导及数据分析,获得如下结论:(1)高温花岗岩在处于常温未沸腾状态的水中热冲击冷却时,温度梯度和热冲击破裂程度随... 详细信息

为探明水温变化对花岗岩热冲击过程的影响,基于热冲击传热理论,设计并进行不同热源温度下的恒温对流加热试验,通过理论推导及数据分析,获得如下结论:(1)高温花岗岩在处于常温未沸腾状态的水中热冲击冷却时,温度梯度和热冲击破裂程度随着水温的增大而减小;在沸水中热冲击冷却时,温度梯度和热冲击破裂程度显著大于在常温未沸腾水中热冲击时。(2)试验证明沸水的对流换热系数比常温未沸腾水大一个数量级以上。高温花岗岩在0℃~100℃范围的水中热冲击冷却时,由于沸腾导致的对流换热系数剧变对热冲击的影响显著大于热冲击温度差和岩石材料导热系数造成的影响;(3)在实际工程中,通过改变流体介质的对流换热系数,而非改变材料导热系数和温度差,来增强或避免热冲击破裂现象,是更加经济、节能、有效的方法。研究成果为花岗岩热冲击破裂的精细刻画做出贡献,同时为涉及热冲击破裂的实际工程提供指导。

关键词：岩石力学花岗岩热冲击冷却介质温度差对流换热系数相态变化

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砂岩热冲击破裂特征及其孔隙连通性分析

岩土工程学报 2022年第10期44卷 1925-1934页

作者：杨欣欣郤保平何水鑫董赟盛辛国旭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

为研究高温砂岩在水中热冲击冷却后的破裂特征及损伤规律,利用显微CT技术,对600℃的高温砂岩在不同温度水中热冲击冷却后孔隙的细观结构特征进行了分析。对冷却介质温度与孔隙发育特征之间关系进行分析,并对孔隙分形维数的变化趋势进行... 详细信息

为研究高温砂岩在水中热冲击冷却后的破裂特征及损伤规律,利用显微CT技术,对600℃的高温砂岩在不同温度水中热冲击冷却后孔隙的细观结构特征进行了分析。对冷却介质温度与孔隙发育特征之间关系进行分析,并对孔隙分形维数的变化趋势进行研究,研究结果表明:高温砂岩热冲击处理后,萌生大量孔、裂隙,孔隙间较脆弱的地方产生喉道,并逐渐发育扩展,同时孔隙发育扩大,最终大量孔隙连通形成连通团。随着冷却介质温度的降低,生成的连通团体积增大,砂岩渗透率增大,破坏程度增强。砂岩孔隙体积分数与分形维数线性正相关,孔隙体积分数越大,分形维数越大,砂岩损伤越严重,分形维数可用于表征其损伤程度。600℃高温花岗岩、石灰岩、砂岩在水中热冲击冷却后的孔隙、裂隙发育特征具有较大差异。花岗岩表现为明显的脆性断裂,砂岩孔隙发育明显,石灰岩萌生孔隙的同时有裂隙发育。

关键词：砂岩热冲击 CT扫描孔隙连通团分形维数渗透性

传导加热下花岗岩中热冲击因子试验测定与演变规律分析

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岩石力学与工程学报 2020年第7期39卷 1356-1368页

作者：郤保平何水鑫成泽鹏李晓雪董赟盛杨欣欣辛国旭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

岩石热破坏过程中,传热、细观破裂、宏观力学3个因素密切相关,热冲击因子是能够定量表征热对岩石破坏强度的重要物理量,基于热冲击因子可计算获得岩石内某一时刻的动态热应力,进而确定热破坏的具体时刻和热破坏程度。为了研究获得热传... 详细信息

岩石热破坏过程中,传热、细观破裂、宏观力学3个因素密切相关,热冲击因子是能够定量表征热对岩石破坏强度的重要物理量,基于热冲击因子可计算获得岩石内某一时刻的动态热应力,进而确定热破坏的具体时刻和热破坏程度。为了研究获得热传递过程中热冲击因子的演变规律,对传导加热下花岗岩内温度场、温度梯度、热冲击因子进行试验测定,研究结果表明:(1)花岗岩在恒定热源传导加热下经历快速升温、缓慢升温、温度相对稳定3个阶段;(2)温度梯度在升温阶段变化较大,温度梯度与热源温度和时间密切相关,单位时间内温度梯度的变化率不同;(3)花岗岩体内热冲击因子具有分布非均质性和无规律性,对岩体结构变化的敏感性,以及传导加热过程中波峰动态移动性;(4)循环加热造成花岗岩体破坏的实质在于矿物颗粒在动态热应力的频繁作用下发生分离,裂隙逐渐萌生、扩展、延伸,形成裂缝贯通岩体,导致岩体热破坏。热冲击因子演变规律的试验测定与研究,以及基于热冲击因子的动态热应力计算和岩石热破坏判别准则,可促进岩石热破坏理论的进一步发展。

关键词：岩石力学热破坏理论热冲击因子试验测定演变规律

花岗岩热冲击前后导热性能与特征对比试验研究

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矿业研究与开发 2021年第5期41卷 87-95页

作者：何水鑫郤保平成泽鹏李晓雪杨欣欣辛国旭董赟盛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

热冲击破裂对花岗岩的热物理性质造成了很大影响。为了探明热冲击对花岗岩的导热性能、导热特征的影响,对热冲击处理前后的花岗岩在传导加热条件下的温度场、温度梯度场进行试验测定。研究结果标明:(1)冲击热应力破坏了花岗岩矿物颗粒... 详细信息

热冲击破裂对花岗岩的热物理性质造成了很大影响。为了探明热冲击对花岗岩的导热性能、导热特征的影响,对热冲击处理前后的花岗岩在传导加热条件下的温度场、温度梯度场进行试验测定。研究结果标明:(1)冲击热应力破坏了花岗岩矿物颗粒之间的结合状态,导致花岗岩固体骨架发生破裂,形成大量热冲击裂纹,最终导致花岗岩导热性能变差、导热特征异常;(2)热冲击破裂产生的裂纹对温度、温度梯度的分布有很大影响,且温度、温度梯度的分布与裂纹产生的位置具有高度相关性;(3)传导加热下花岗岩的升温过程可按照升温速率分为快速升温、缓慢升温、稳定3个阶段。(4)热冲击后花岗岩在传导加热过程中温度梯度到达峰值、稳定值的时间均受到热冲击前的用时长。热冲击对花岗岩导热性能的影响的研究促进了岩石热破坏理论的进一步发展。

关键词：热冲击青海共和花岗岩导热性能温度场温度梯度场

基于流-固耦合理论的水体下盾构隧道施工渗流规律

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太原理工大学学报 2020年第5期51卷 634-640页

作者：郤保平陈路海董赟盛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 济南城建集团有限公司济南250000

借助有限差分软件FLAC3D,依托太原地铁2号线双塔西街—大南门站下穿迎泽湖区段盾构隧道工程,基于流-固耦合理论分别建立5,10,20,30 m湖水深度下该区段隧道流-固耦合三维计算模型,对比分析4种湖水深度下盾构隧道开挖过程中地表的沉降量... 详细信息

借助有限差分软件FLAC3D,依托太原地铁2号线双塔西街—大南门站下穿迎泽湖区段盾构隧道工程,基于流-固耦合理论分别建立5,10,20,30 m湖水深度下该区段隧道流-固耦合三维计算模型,对比分析4种湖水深度下盾构隧道开挖过程中地表的沉降量、围岩渗透性和管片内力分布。结果表明:盾构隧道地表沉降量及水平位移随湖水深度的增大而增大;各工况下隧道周围的孔隙水压力随着盾构隧道的开挖而显著减小,水力坡降在隧道拱顶、拱腰两侧明显增大,致使隧道拱顶、拱腰两侧极易发生涌水事故;流-固耦合作用下,盾构管片内力与水头压力呈正相关性,盾构隧道管片配筋设计中应考虑上覆水体水头压力对其产生的显著影响。

关键词：流-固耦合水下隧道盾构隧道施工扰动地表沉降渗流规律内力分布

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自我解放的时空——论朗西埃的“戏剧政治”

四川戏剧 2024年第5期 64-68页

作者：董赟四川师范大学文学院

观众与表演者的共同在场,是戏剧区别于其他艺术类型的基本特征。朗西埃之前的戏剧理论,或以表演者为中心,或以观众为中心,在本为身体共在共享的戏剧感性世界中预设了表演者与观众二元且不平等的秩序关系。朗西埃所谓的“戏剧政治”,正... 详细信息

观众与表演者的共同在场,是戏剧区别于其他艺术类型的基本特征。朗西埃之前的戏剧理论,或以表演者为中心,或以观众为中心,在本为身体共在共享的戏剧感性世界中预设了表演者与观众二元且不平等的秩序关系。朗西埃所谓的“戏剧政治”,正在于“身体共在”的戏剧存在形式所致力的表演者与观众在根本上的平等。即只要在剧场中,打破现实给予表演者与观众的不平等预设,在平等来临的时刻,就发生了真正意义上的解放——自我的解放。

关键词：戏剧表演观看解放政治

生命世界的辩证法——基于行动元理论解读《老人与海》

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中学语文教学 2024年第5期 48-51页

作者：董赟余虹四川师范大学文学院 610068

从行动元理论解读《老人与海》,发现这篇小说的“一个人可以被毁灭,但不能给打败”的作品主题,蕴藏着对生命存在的三个维度思考,即个人总是置身于竞生、依生、共生的生命世界中。老渔夫和鱼之间是主体与客体的竞生关系,陆地与老渔夫之... 详细信息

从行动元理论解读《老人与海》,发现这篇小说的“一个人可以被毁灭,但不能给打败”的作品主题,蕴藏着对生命存在的三个维度思考,即个人总是置身于竞生、依生、共生的生命世界中。老渔夫和鱼之间是主体与客体的竞生关系,陆地与老渔夫之间是社会与个人的依生关系,大海与男孩之间是自然与人类的共生关系。这三个维度、三组关系交织一体,呈现出生命的丰富与赓续的精彩;而这正是《老人与海》所展示的生命世界的辩证法。

关键词：行动元生命世界辩证法《老人与海》