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深部采矿岩石力学进展

煤炭学报 2024年第1期49卷 75-99页

作者：何满潮武毅艺高玉兵陶志刚中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 吉林大学建设工程学院吉林长春130021

随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积... 详细信息

随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题,论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展,主要包括:(1)提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法,进行了千米深井现场工程应用;(2)构建了深部“非均压建井”模式,研发了实现深井稳定提升的SAP系统,形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法;(3)研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统,揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性;(4)研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统,阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为;(5)提出了深部巷道开挖补偿支护理论,进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术;(6)研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统,提出了热害治理和热能资源化利用方法,建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用,可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。

关键词：深部开采岩石力学 110/N00工法巷道变形围岩控制矿井热害

三轴剪切下砂土应变局部化宏微观特性演化规律离散元分析

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3586-3596页

作者：王思远蒋明镜石安宁天津大学建筑工程学院天津300350 苏州科技大学土木工程学院江苏苏州215009 同济大学土木工程减灾国家重点实验室上海200092 同济大学土木工程学院上海200092

探究土体变形和剪切带空间演化特征对于评估岩土结构的稳定性具有重要意义。使用离散元法模拟砂土在柔性边界下三轴剪切试验,分析剪切带内外的宏微观特性演化规律,探究砂土应变局部化的宏微观跨尺度联系。首先,在离散元模拟中使用考虑... 详细信息

探究土体变形和剪切带空间演化特征对于评估岩土结构的稳定性具有重要意义。使用离散元法模拟砂土在柔性边界下三轴剪切试验,分析剪切带内外的宏微观特性演化规律,探究砂土应变局部化的宏微观跨尺度联系。首先,在离散元模拟中使用考虑颗粒形状影响的三维完整接触模型;随后,在三轴模拟中使用柔性边界代替刚性边界以保证剪切带的充分发展;最后,与已有试验进行对比验证模拟有效性,并从宏微观关联角度对其结果进行分析。结果表明:使用考虑颗粒形状影响的三维完整接触模型及柔性边界的三轴离散元模拟可以较好的再现净砂试样的应力-应变和体积响应及剪切带的发展过程;剪切带内外部的平均纯转动率(APR)值、孔隙率、力学配位数、各向异性系数等宏微观特征差异明显;随着轴向位移的增加,带内APR值、孔隙率均大于带外而力学配位数带外大于带内;剪切带内局部孔隙率及各项异性对试样整体孔隙演化和各向异性有重要影响。

关键词：土力学离散元模拟柔性边界应变局部化三轴压缩宏微观特性

孔隙水实时作用下冻结饱水砂岩的三轴压缩试验

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采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 836-844页

作者：冯梅梅袁抗生中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室力学与土木工程学院江苏徐州221116

为研究孔隙水压力实时作用下冻结饱水砂岩的力学特性,开展了4个地应力梯度下砂岩常温(20℃)和负温(-5℃)、有孔隙水压力和无孔隙水压力条件下的三轴压缩力学特性研究,并对冻结前后砂岩试样进行微观扫描电镜测试。结果表明:低温冻结可以... 详细信息

为研究孔隙水压力实时作用下冻结饱水砂岩的力学特性,开展了4个地应力梯度下砂岩常温(20℃)和负温(-5℃)、有孔隙水压力和无孔隙水压力条件下的三轴压缩力学特性研究,并对冻结前后砂岩试样进行微观扫描电镜测试。结果表明:低温冻结可以强化砂岩试样的三轴抗压强度,冻结后形成的孔隙冰可以隔绝孔隙水的流动;孔隙水压力在常温和负温情况下均会弱化砂岩三轴抗压强度,且在常温状态下更为显著;随着地应力的增大,常温情况下孔隙水压力对砂岩试样三轴抗压强度的弱化作用逐渐变强,负温情况下则相反;有孔隙水压力冻结的砂岩弹性模量普遍低于同地应力条件下无孔隙水压力冻结砂岩试样,且弹性模量随着地应力的增大先增长然后逐渐衰弱;砂岩试样在常温条件下加载破坏面多为平滑的剪切破坏,冻结之后破坏面多呈“S”状;有孔隙水压作用的砂岩试样微观结构中有更多的冻结散落颗粒和碎屑,冻结条件下更为显著。

关键词：冻结砂岩孔隙水压力三轴压缩强度演化规律微观结构

KNO_(3)熔盐复合相变材料储热性能调控机理研究

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工程热物理学报 2024年第4期45卷 1106-1113页

作者：余银生陶于兵周俊杰汤松臻郑州大学机械与动力工程学院郑州450001 西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室西安710049

本文将热物理性能优异的SWCNT掺杂到KNO_(3)熔盐相变材料中,构建KNO_(3)-SWCNT熔盐复合相变材料的微观物理模型,对KNO_(3)-SWCNT熔盐复合相变材料的储热性能进行分子动力学模拟研究,计算得到了熔盐复合相变材料的微观结构参数和储热性... 详细信息

本文将热物理性能优异的SWCNT掺杂到KNO_(3)熔盐相变材料中,构建KNO_(3)-SWCNT熔盐复合相变材料的微观物理模型,对KNO_(3)-SWCNT熔盐复合相变材料的储热性能进行分子动力学模拟研究,计算得到了熔盐复合相变材料的微观结构参数和储热性能参数,并采用SWCNT表面电荷修饰的方法调控熔盐复合相变材料的储热性能,并揭示了储热性能调控的微观机理。研究发现,随着SWCNT质量分数fm的增加,熔盐复合相变材料的导热系数增大,而黏度、熔化焓、熔点均降低;随温度的升高,导热系数与黏度均降低;当fm从0增加到4.43%和8.48%时,平均导热系数增强了2.26%和28.01%,熔化焓分别降低32.31%和45.19%,SWCNT表面正电修饰可以改变熔盐复合相变材料的微观结构,增强原子之间的相互作用势能,可对熔盐相变材料的储热性能有效地进行调控,熔盐复合相变材料的导热系数平均增加了21.21%。

关键词：熔盐相变材料微观结构储热性能调控机理

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高温后花岗岩损伤劣化机制晶粒模型数值研究

应用基础与工程科学学报 2024年第3期32卷 888-899页

作者：田文岭徐杰杨圣奇孙博文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

地热开采对缓解我国能源压力具有长远的战略意义,准确认识花岗岩高温损伤破裂行为,对促进地热开发具有关键作用.在颗粒流程序中构建晶粒模型(GBM)模拟高温后花岗岩单轴压缩试验,研究花岗岩高温后热裂纹分布特征,分析其强度及变形参数随... 详细信息

地热开采对缓解我国能源压力具有长远的战略意义,准确认识花岗岩高温损伤破裂行为,对促进地热开发具有关键作用.在颗粒流程序中构建晶粒模型(GBM)模拟高温后花岗岩单轴压缩试验,研究花岗岩高温后热裂纹分布特征,分析其强度及变形参数随温度演化,研究单轴压缩裂纹扩展过程.结果表明:该GBM单元可以较好反映花岗岩强度及破裂随围压及温度的演化特征,随着温度升高,晶粒边界裂纹由离散分布状态逐渐贯通形成宏观裂纹,而当温度大于600℃时出现大量的穿晶裂纹.常温压缩过程中,试样首先产生离散分布的晶粒边界裂纹,而600℃微裂纹扩展较充分,加载过程中晶粒之间产生滑动,但峰后试样同样由穿晶裂纹的扩展导致宏观破坏.从细观层面上探究了高温花岗岩损伤劣化机制,对保障地热开采具有重要意义.

关键词：岩石力学花岗岩高温颗粒流晶粒模型单轴压缩破裂

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不同充填度结构面抗剪强度尺寸效应试验研究

岩土工程学报 2024年第9期46卷 1820-1830页

作者：黄曼吴月伟刘丹洪陈杰杜时贵罗战友绍兴文理学院土木工程学院浙江绍兴312000 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室浙江绍兴312000 宁波大学岩石力学研究所浙江宁波315211

针对现有岩体结构面抗剪强度尺寸效应研究较少考虑充填程度差异影响的不足,首先基于渐进扩大法选取平均起伏差和平均起伏角相近的4种连续尺寸天然结构面形貌,并通过3D打印技术制作结构面面板,然后结合类岩石材料配制方法和毫米级充填装... 详细信息

针对现有岩体结构面抗剪强度尺寸效应研究较少考虑充填程度差异影响的不足,首先基于渐进扩大法选取平均起伏差和平均起伏角相近的4种连续尺寸天然结构面形貌,并通过3D打印技术制作结构面面板,然后结合类岩石材料配制方法和毫米级充填装置制备5种充填度的充填结构面,最后通过课题组自主研发的大型结构面直剪试验系统开展3种法向应力条件下的室内直剪试验,获得充填结构面的剪切力学与破坏特征,并分析临界充填度和抗剪强度尺寸效应特性。结果表明:随着充填度的增加,结构面剪切破坏模式主要由“岩-岩”剪断破坏逐渐转变为“岩-土界面”滑动破坏,且结构面归一化峰值抗剪强度逐渐减小,直至达到临界充填度时趋于稳定;随着结构面尺寸的增加,临界充填度逐渐增加,变化范围为1.6~2.0;无充填结构面抗剪强度存在较明显的正尺寸效应,而充填结构面抗剪强度尺寸效应较不明显。通过尺寸效应机理分析发现,在不考虑结构面平均起伏角的影响下,平均起伏高度是影响临界充填度和抗剪强度尺寸效应的主要因素。上述研究可为充填结构面抗剪强度尺寸效应模型建立奠定试验基础。

关键词：充填结构面 “岩-土界面”破坏抗剪强度临界充填度尺寸效应

爆炸荷载下聚脲涂覆含局部缺陷油气管道的失效判定研究

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振动与冲击 2024年第9期43卷 195-203,240页

作者：崔莹李章剑方军赵均海屈展赵奔西安石油大学土木工程学院西安710065 陕西省油气井及储层渗流与岩石力学重点实验室西安710065 西安石油大学机械工程学院西安710065 长安大学建筑工程学院西安710061

通过埋地静爆试验,对经聚脲弹性体材料加固的含局部缺陷埋地油气管道抗爆性能及损伤评价进行研究,同时结合所得试验数据进行数值模拟,建立了浅埋爆炸荷载下聚脲弹性体材料加固含局部缺陷埋地油气管道损伤失效评估准则。结果表明:在折合... 详细信息

通过埋地静爆试验,对经聚脲弹性体材料加固的含局部缺陷埋地油气管道抗爆性能及损伤评价进行研究,同时结合所得试验数据进行数值模拟,建立了浅埋爆炸荷载下聚脲弹性体材料加固含局部缺陷埋地油气管道损伤失效评估准则。结果表明:在折合距离为0.23 m/kg 1/3试验条件的浅埋爆炸荷载作用下,含局部缺陷普通管道与含局部缺陷聚脲管道迎爆面均发生了明显凹陷变形,含缺陷聚脲管道凹陷变形量较前者降低28.87%,且管道迎爆面及端部连接处易于遭受损伤;含局部缺陷普通管道迎爆面超压高于含局部缺陷聚脲管道且变形响应时间早于后者,表明聚脲材料可以有效降低爆炸冲击波压力峰值和推迟爆炸冲击波的作用时间。在进行爆炸荷载作用下管道的损伤失效判定时引入衡量管道横截面变形的截面临界椭圆度指标,最终建立了基于管道截面临界椭圆度的聚脲涂覆含局部缺陷埋地油气管道的超压-冲量损伤准则及判定公式。

关键词：爆炸试验损伤评估聚脲防护数值模拟超压-冲量曲线

氮化硼纳米管表面结构设计及其对环氧复合电介质性能调控机理

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物理学报 2024年第2期73卷 26-37页

作者：任俊文姜国庆陈志杰魏华超赵莉华贾申利四川大学电气工程学院成都610065

向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段,其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管(BNNTs),因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注.然而,表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极... 详细信息

向环氧树脂基体中加入纳米填料是实现其多功能化的常用手段,其中拥有一维纳米结构的氮化硼纳米管(BNNTs),因具有超高导热系数、宽能级带隙、高长径比、高力学强度而备受关注.然而,表面惰性、易团聚、与环氧树脂之间界面作用弱等缺点极大地制约了BNNTs进一步应用.基于此,本文提出采用表面包覆介孔二氧化硅(mSiO_(2)),并接枝硅烷偶联剂功能分子的方法,优化BNNTs表面特性.结果表明,通过表面结构设计及功能化,可显著改善BNNTs的分散特性,提升其与环氧树脂的界面作用.以此所制备的环氧复合电介质可实现力学韧性和导热系数的同步提升,并兼具较低的介电常数与损耗.此外,mSiO_(2)独特的纳米介孔结构赋予复合电介质大量的深陷阱,有效阻碍了电子的迁移,进而提高复合电介质的电气强度.本文为环氧树脂的多功能化提供了新思路,亦对揭示纳米填料表面特性-复合电介质微观结构-宏观性能之间的关联关系提供了一定实验数据支撑.

关键词：环氧树脂氮化硼纳米管介电性能界面调控

考虑流体热物理性质动态演化的高温岩石粗糙裂隙渗流传热效应研究

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岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1359-1370页

作者：申林方苏威张家明王志良李邵军徐则民昆明理工大学建筑工程学院云南昆明650500 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湖北武汉430071

为了研究高温岩体粗糙裂隙渗流-传热耦合作用机制,提高地热能的开采效率,基于格子Boltzmann方法采用双分布函数分别模拟渗流速度场及传热温度场的演化过程,考虑流体温度对其运动黏度及热扩散系数的影响,建立模拟粗糙岩石裂隙渗流-传热... 详细信息

为了研究高温岩体粗糙裂隙渗流-传热耦合作用机制,提高地热能的开采效率,基于格子Boltzmann方法采用双分布函数分别模拟渗流速度场及传热温度场的演化过程,考虑流体温度对其运动黏度及热扩散系数的影响,建立模拟粗糙岩石裂隙渗流-传热过程的数值计算模型,并结合经典算例验证计算模型的准确性。最后,基于该模型研究裂隙壁面粗糙程度、流体热物理参数动态演化等因素对其渗流-传热耦合作用机制的影响,并讨论裂隙壁面粗糙程度与地热提取性能指标之间的联系。研究表明:粗糙裂隙壁面的阻碍作用会增大惯性压降,降低渗流流速,使得流体与岩石基质间的传热更充分,出口处的流体温度更高。忽略流体温度对其运动黏度的影响,将会严重高估裂隙内的渗流流速,并低估其热突破时间。随着裂隙壁面粗糙程度的加剧,其热突破时间逐渐增加,而采热速率则呈减小的趋势。当裂隙壁面分形维数为1.0798时,其热突破时间比光滑裂隙增加了191.49%;而采热速率则仅为44.36%。此外,在裂隙两端压降相同的情况下,其壁面越光滑,在相同时间内获得的热回收率越高,但由于其热突破时间较短,使得在热突破时刻的热回收率显著降低。

关键词：岩石力学粗糙裂隙地热渗流-传热耦合格子Boltzmann方法