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内衬式地下洞室群氢能存储隆起破坏机制分析

岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 468-480页

作者：邱凯李树忱刘日成刘众众王宗昊中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 山东大学齐鲁交通学院山东济南250002

内衬式地下洞室群的隆起破坏机制分析对于提高氢气存储容量和储库安全性具有重要意义。基于HoekBrown强度准则和极限分析上限方法,推导分层岩体中内衬式地下洞室群的隆起破坏线函数,建立极限内压(Pu)的表达式,将理论分析结果与有限元软... 详细信息

内衬式地下洞室群的隆起破坏机制分析对于提高氢气存储容量和储库安全性具有重要意义。基于HoekBrown强度准则和极限分析上限方法,推导分层岩体中内衬式地下洞室群的隆起破坏线函数,建立极限内压(Pu)的表达式,将理论分析结果与有限元软件计算结果进行对比分析,并在此基础上探讨洞室群形状/布局参数对Pu和隆起破坏线的影响规律。结果表明:Pu理论解与数值解的误差范围处于1.57%~2.20%范围,且隆起破坏范围基本一致;Pu与附加荷载和洞室间距成正比,与洞室半径成反比,且对附加荷载的敏感性最高,半径次之,对洞室间距的敏感性最低;分层界面处各隆起破坏线间的水平距离与盖层厚度成正比;地面处水平隆起破坏范围间的差距与盖层厚度成正比;在内衬式洞室群库址选择时,可将土体黏聚力和内摩擦力作为安全储备,并综合考虑洞室半径对Pu和氢气容量的影响,同时根据隆起破坏范围规避地质构造缺陷区域。研究成果对于分层岩体中内衬式地下洞室群氢能存储库址选择、洞形设计具有指导意义。

关键词：地下工程氢能存储内衬式地下洞室群隆起破坏 Hoek-Brown强度准则极限分析

基于p阶线性模型的地埋管换热器流体温度分布研究

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太阳能学报 2024年第6期45卷 51-59页

作者：赵鹏张东海李晓昭张古彬寇亚飞高蓬辉中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室徐州221116 深地科学与工程云龙湖实验室徐州221006 中国矿业大学土木与力学学院徐州221116 河南省地质调查院郑州450001

利用自主研发的分层热响应测试系统,获取沿深度方向上(竖向)管内流体温度实测数据,对比p阶线性分布模型计算结果和实测数据,研究两种典型工况条件下分层岩土介质中管内流体竖向分布规律和最佳p值。结果表明:恒热流工况时,p=-5阶线性分... 详细信息

利用自主研发的分层热响应测试系统,获取沿深度方向上(竖向)管内流体温度实测数据,对比p阶线性分布模型计算结果和实测数据,研究两种典型工况条件下分层岩土介质中管内流体竖向分布规律和最佳p值。结果表明:恒热流工况时,p=-5阶线性分布模型能够准确预测管内流体温度分布;恒温工况时,最佳p值随流量的变化而变化,其关系为:|p|=7.361ln V+6.684。

关键词：地热能地埋管换热器岩土传热地质结构分层参数估值

TA2/AZ31B/2024Al爆炸焊接复合板界面微观结构特征及其动态力学性能

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爆炸与冲击 2024年第4期44卷 139-156页

作者：梁汉良罗宁陈彦龙芮天安潘玉龙中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 安徽宝泰特种材料有限公司安徽宣城242500

运用平行法爆炸焊接工艺,开展了TA2/AZ31B/2024Al多层轻质金属板材爆炸焊接实验。通过扫描电镜、电子背散射衍射、分离式霍普金森压杆及三维轮廓扫描等测试技术,对多层爆炸焊接复合板界面微观结构特征、材料物相变化规律、复合板材动态... 详细信息

运用平行法爆炸焊接工艺,开展了TA2/AZ31B/2024Al多层轻质金属板材爆炸焊接实验。通过扫描电镜、电子背散射衍射、分离式霍普金森压杆及三维轮廓扫描等测试技术,对多层爆炸焊接复合板界面微观结构特征、材料物相变化规律、复合板材动态力学性能及材料冲击断口特征开展了系统研究。研究结果表明:焊后多层轻质金属复合板的4个焊接界面均呈现出爆炸焊接特有的波形结构特征,结合界面处无明显缺陷,总体焊接质量良好。结合界面处晶粒发生细化并形成细晶区,1060Al过渡层内晶粒组织由于强塑性变形呈现典型的拉长层状晶粒特征,4个结合界面处均出现明显的变形织构与再结晶织构特征。沿X方向的试样最大动态抗压强度达605 MPa,分层断口界面三维形貌呈现近似水面波纹的独特结构特征。沿Z方向的试样最大动态抗压强度达390 MPa,断口界面三维形貌呈现明显的纤维状韧性断裂特征。

关键词：轻质金属多层复合板爆炸焊接界面微观结构动态力学性能

跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理及控制技术研究

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 14-28页

作者：郭志飚赵元欣杨东山高敬威尹松阳蒯孝辉中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

针对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形大不易支护的问题,以棋盘井煤矿东区11101工作面运输巷为工程背景,探究跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理,研究“切顶卸压+恒阻锚索”支护对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形的控制效果。建立力学分析模... 详细信息

针对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形大不易支护的问题,以棋盘井煤矿东区11101工作面运输巷为工程背景,探究跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理,研究“切顶卸压+恒阻锚索”支护对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形的控制效果。建立力学分析模型研究断层及切顶卸压自成巷顶板各相关参数对巷道直接顶应力的影响,将切顶卸压自成巷顶板变形过程划分为4个阶段,研究巷道顶板各阶段及总垂直位移量计算方法并给出计算公式,并将相关参数代入公式求解跨断层切顶卸压自成巷顶板垂直位移量;利用3DEC数值模拟软件建立跨断层切顶卸压自成巷数值计算模型,研究断层附近巷道顶板应力应变演化规律及恒阻锚索控制效果,研究结果表明:数值模拟上下盘巷道顶板变形数据与理论分析所得数据结果误差分别为1.14%、4.04%;恒阻锚索能够有效减小巷道顶板变形,与未使用恒阻锚索模型相比,上盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至16.8%,下盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至50.7%;上下盘巷道顶板在工作面回采过巷道测点断面过程中出现不同程度的应力集中,其中上盘巷道顶板的垂直应力集中值大于下盘巷道,分别为5.72 MPa和4.48 MPa;恒阻锚索通过减缓断层附近巷道顶板变形速率,待巷旁碎石帮充填完成后与碎石帮共同对巷道顶板变形进行控制;将11101工作面运输巷围岩位移监测数据与理论模型计算结果相比较,误差均在10%以内,证明“切顶卸压+恒阻锚索”支护方式对跨断层巷道顶板变形具有良好的控制效果。

关键词：切顶卸压跨断层开采 3DEC 顶板变形应力应变演化恒阻锚索

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考虑变井阻的多元复合地基固结理论研究

工程力学 2024年第6期41卷 44-54页

作者：白垚卢萌盟杨康赵明中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 浙江木石建设项目管理咨询有限公司浙江杭州311199

该文以塑料排水板联合水泥搅拌桩多元复合地基为研究对象,通过假定排水板的渗透系数随时间呈指数型衰减,考虑了排水板在固结过程中的淤堵效应对地基固结性状的影响。同时,该文还考虑排水板的涂抹效应、水泥搅拌桩的扰动效应以及土体的径... 详细信息

该文以塑料排水板联合水泥搅拌桩多元复合地基为研究对象,通过假定排水板的渗透系数随时间呈指数型衰减,考虑了排水板在固结过程中的淤堵效应对地基固结性状的影响。同时,该文还考虑排水板的涂抹效应、水泥搅拌桩的扰动效应以及土体的径-竖向耦合渗流,推导得出多元复合地基的固结控制方程及其解答。通过与已有解答和现场试验的对比分析,验证该文解答的正确性。最后,采用参数敏感性分析法对多元复合地基固结性状进行研究。研究结果表明:复合地基井阻因子θ对固结后期影响较大,当θ值较大时,径向渗流由于排水板的淤堵效应将提前终止,最终仅由竖向渗流使得地基达到完全固结;初始渗透系数k_0越大,井阻因子θ越小,涂抹作用越弱,板和桩的置换率越高,复合地基固结速率就越快。

关键词：多元复合地基排水板变井阻效应固结淤堵效应

页岩储层甲烷原位燃爆压裂理论与技术研究进展

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中国矿业大学学报 2024年第3期53卷 435-455页

作者：翟成曲占庆邓守春孙伟福罗宁王宇刘厅郭天魁吴飞鹏刘静宋正昶陈尚斌杨威蔡承政中国矿业大学安全工程学院中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心中国石油大学(华东)石油工程学院中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室中国矿业大学力学与土木工程学院中国矿业大学低碳能源与动力工程学院中国矿业大学资源与地球科学学院中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室

页岩气通常以吸附和游离状态赋存于暗色泥页岩、高碳泥页岩等产气岩中，是一种清洁、高效的能源资源.相比于常规天然气藏，页岩气储层普遍具有低孔隙度、低渗透率的特点，压裂改造提高页岩气采收率是“十四五”期间我国能源开发的重点... 详细信息

页岩气通常以吸附和游离状态赋存于暗色泥页岩、高碳泥页岩等产气岩中，是一种清洁、高效的能源资源.相比于常规天然气藏，页岩气储层普遍具有低孔隙度、低渗透率的特点，压裂改造提高页岩气采收率是“十四五”期间我国能源开发的重点攻关方向.本文创新性提出了一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂的技术构想，该技术利用页岩气储层原位解吸产生的甲烷气体与注入的助燃剂协同燃爆，产生高温高压气体冲击压裂页岩储层，创造立体裂缝网络，为页岩气提供高效运移通道.论文全面分析了甲烷原位燃爆压裂的技术构想、可行性以及关键科学问题，包括甲烷-助燃剂协同起爆机制及燃爆压力波传播特性、甲烷燃爆对井筒介质的瞬态冲击动力学响应特征与控制机制、多级燃爆压裂立体缝网逐级构建及效果评价技术等3个关键研究内容，基本涵盖了当前甲烷原位燃爆压裂理论与技术研究的最新进展.研究认为，燃爆冲击载荷作用对页岩复杂缝网的形成和扩展具有显著促进作用，甲烷燃爆压裂不需要消耗大量的压裂液，也不涉及火工品的地上运输和混合等过程，安全、经济和环保优势非常明显，是一项前瞻性、变革性技术，有助于实现我国页岩气开采技术的创新突破.

关键词：深部页岩储层甲烷原位燃爆燃爆压裂理论燃爆压裂技术

关闭矿井采空区破碎岩体再断裂机制及空隙结构演化特性

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 104-114页

作者：孟凡非浦海倪宏阳卞正富中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学教育部矿山生态修复工程中心江苏徐州221116 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116

受“双碳”政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形... 详细信息

受“双碳”政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形演化特性。笔者基于颗粒离散元数值方法,建立浸水及侧向约束压缩条件下不同级配的破碎岩体数值模型,分析破碎岩体变形行为及二次断裂演化特性,追踪颗粒从岩体骨架结构剥离及空隙内运移规律。得到如下结论:破碎岩体压实过程应力随应变增长可分为3个阶段:初始阶段(00.275)。快速增长阶段应力-应变曲线出现明显波动,破碎岩体二次断裂及应力重分布现象在该阶段最明显。破碎岩体热储环境下空隙率的变化值与初始空隙率成正比,最大达到0.2。当破碎岩体内岩块粒径悬殊大时,接触键应变能最大,断裂能增长缓慢。岩块与颗粒密集区接触部分断裂分布多,与空隙接触部分断裂分布极少。颗粒未剥离岩块时,随岩块运动,整体运动路径复杂速度较小;颗粒剥离瞬间速度突然增大,与岩块碰撞导致速度改变。当颗粒速度减小到与周围岩块相近时,将造成空隙空间的堵塞。研究结果可为关闭矿井储热空间换热效率评估提供理论依据。

关键词：关闭矿井热储空间破碎岩体空隙结构裂隙分布特征

力-热耦合作用下煤岩动力学特性和破碎机理研究

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爆破 2024年

作者：李鹏龙罗宁索云琛柴亚博孙锐北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室

为了安全高效地进军深部煤炭资源开采，开展深地“三高一扰动”环境下煤岩的动态力学特性和破碎机理研究，采用自主改进的Φ50 mm高温同步分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，对25～200 ℃温度下煤岩进行动态冲击试验研究，并改进ZWT粘... 详细信息

为了安全高效地进军深部煤炭资源开采，开展深地“三高一扰动”环境下煤岩的动态力学特性和破碎机理研究，采用自主改进的Φ50 mm高温同步分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，对25～200 ℃温度下煤岩进行动态冲击试验研究，并改进ZWT粘弹性本构模型建立考虑温度效应的煤岩动态本构方程，基于有限差分-离散元数值模拟研究高温效应对煤岩裂纹发育规律及其动态强度的影响。研究表明：高温冲击作用下煤岩的动态应力应变曲线可划分为四个阶段：压密阶段、弹性阶段、裂纹增长阶段和软化失效阶段；随着温度的增加，煤岩的动态抗压强度和动态弹性模量劣化明显，失效应变呈现增加趋势，吸收能则呈现W型波动趋势；破碎粒径减小，分形维数则呈现明显的线性增加，抗压强度越低，破碎程度越高，破碎模式更为复杂；基于ZWT改进后的动态本构模型良好的表达高温冲击后的应力应变关系，但对压密阶段的表达不甚理想；模拟和试验结果显示煤岩在150 ℃高温后水成分和吸附气体活跃析出，煤基质受热膨胀破裂，出现明显细观裂纹，并逐渐发育为贯通裂纹，其中以剪切裂纹为主。煤岩在100 ℃下动态压缩的裂纹发育从受撞击面发育贯通，高温劣化煤岩强度。研究结论为“三高一扰动”深部复杂地况下煤炭资源安全高效开采提供基础理论支持。

关键词：深部煤岩力-热耦合分离式霍普金森压杆动态本构模型有限差分-离散元

含随机分布裂隙岩石饱和状态下电阻率数值计算研究

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地球物理学进展 2024年第3期 1141-1151页

作者：王祖坤宋雷王启睿任建威李海鹏何亚梦中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室军事科学院国防工程研究院

由于岩石损伤状态的变化会导致其电阻率的改变，故而解析岩石损伤与其电阻率间的定量关系，有助于采用电阻率法辅助损伤岩石分级评价.针对饱和盐水地层条件，为确定含随机分布裂隙岩石电阻率与其自身损伤状态参数间的关系.本文以裂隙数... 详细信息

由于岩石损伤状态的变化会导致其电阻率的改变，故而解析岩石损伤与其电阻率间的定量关系，有助于采用电阻率法辅助损伤岩石分级评价.针对饱和盐水地层条件，为确定含随机分布裂隙岩石电阻率与其自身损伤状态参数间的关系.本文以裂隙数量标度岩石损伤程度，构建了损伤岩石模型，并基于有限差分法提出了损伤岩石电阻率的数值计算方法，进行了不同基体电阻率和盐水电阻率水平、不同损伤程度的岩石电阻率数值计算.结果表明，基体电阻率和盐水电阻率以及岩石损伤程度对岩石电阻率均有影响，相同地层条件下，损伤岩石的电阻率是表征岩石损伤程度的可靠参数.采用岩石电阻率推算岩体的工程参数有一定随机性，但仍能在统计均值上反映岩体的损伤程度.本文所获得的回归关系式运用及对其随机性的讨论对岩石损伤程度分级评价具有积极意义.

关键词：电阻率随机分布裂隙岩石回归分析