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煤–过渡层–岩组合体物理力学特征试验及数值模拟研究

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 184-205页

作者：姚文杰刘学伟刘滨范瑛朱磊郑志湖北工业大学土木建筑与环境学院湖北武汉430068 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 广西大学土木建筑工程学院广西南宁310030

深部煤系地层中,漫长成岩过程使得部分煤层与岩层之间存在一个岩性过渡区,过渡区与上下岩层、煤层共同组成了一个组合结构。为研究过渡层高度对煤岩组合体变坏特征的影响,首先提出煤、岩石及过渡层3种人工材料的配比设计及煤–过渡层–... 详细信息

深部煤系地层中,漫长成岩过程使得部分煤层与岩层之间存在一个岩性过渡区,过渡区与上下岩层、煤层共同组成了一个组合结构。为研究过渡层高度对煤岩组合体变坏特征的影响,首先提出煤、岩石及过渡层3种人工材料的配比设计及煤–过渡层–岩(CFR)组合体试样的制作方案。在此基础上,开展不同过渡层高度的人工CFR组合试样的单轴压缩试验。基于离散元数值模拟软件PFC,采用刚性簇和球颗粒分别表示过渡层中的煤和岩石颗粒,通过其比例变化构建一种过渡层和CFR组合结构PFC表征模型。结合试验结果,对模型参数进行标定并验证算法的有效性。试验与数值模拟结果表明:随着过渡层高度增加,试样强度、峰前耗散能和声发射b值呈现先降低后增加的趋势,弹性应变能呈现逐渐增加的趋势。数值模拟的微裂隙角度分布范围也随着高度增加先缩小后增大,微裂纹萌生区域逐渐由煤层转移到过渡层,声发射定位则逐渐集中至煤与过渡层界面处。研究结果表明过渡层的存在显著改变了煤岩组合结构的物理力学特性。

关键词：岩石力学煤–过渡层–岩组合强度特征数值模拟破坏机制

高温加热-液氮冷冲击处理后花岗岩声发射演化特征及损伤本构模型

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岩土工程学报 2024年

作者：薛熠张智豪刘嘉蔡承政张志镇高峰时旭阳张云西安理工大学西北旱区生态水利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

通过液氮(LN2)压裂在储层中形成大规模裂隙网络，可以有效提高干热岩储层的热能提取效率。为研究液氮冷冲击作用对不同温度储层的压裂机理和致裂效果的影响，本文对经过高温加热(25℃-400℃)和液氮冷冲击处理后的花岗岩试样进行单轴压... 详细信息

通过液氮(LN2)压裂在储层中形成大规模裂隙网络，可以有效提高干热岩储层的热能提取效率。为研究液氮冷冲击作用对不同温度储层的压裂机理和致裂效果的影响，本文对经过高温加热(25℃-400℃)和液氮冷冲击处理后的花岗岩试样进行单轴压缩试验，分析了花岗岩力学强度及声发射等多项参数的演化特征，并进一步构建了考虑声发射参数的损伤本构模型，用于评价和预测高温加热-液氮冷冲击处理后花岗岩的变形和强度特征。结果表明，高温和液氮冷冲击的联合作用显著劣化了花岗岩力学性能，峰值强度逐渐降低，最大降幅达到32.8%。同时随着加热温度的升高，不同矿物颗粒之间的热膨胀变形存在差异，导致矿物颗粒之间变形不协调。随着初始加热温度的升高，声发射最大b值平均值显著上升，最大增幅达到32.2%，且声发射振铃计数的初始静默阶段对应的应变量大幅度降低，最大降幅达到54.3%。随着加热温度的升高，液氮冷冲击作用使得微裂纹的生长更为密集，花岗岩在外部荷载作用下，微裂隙不断扩展贯通，更容易形成剪切变形，发生剪切破坏的起始应力水平逐渐下降，最大降幅达到62.3%，同时RA-AF散点值在剪切区域占比增加，最大增幅达到29.5%。此外，本文以声发射振铃累计计数为变量构建了考虑声发射参数的损伤本构模型，能够描述不同高温和液氮冷冲击处理后花岗岩各力学参量在变形破坏过程中的演化特征。

关键词：花岗岩声发射高温加热-液氮冷冲击损伤破坏本构模型

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基于贝叶斯优化的改进地应力分级判据

岩石力学与工程学报 2024年

作者：段淑倩赵庚辰熊杰程江权徐鼎平赵金帅郑州大学土木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江苏大学土木工程与力学学院

为提高地应力级别评估的准确率，本研究收集了115组工程实例，通过对工程数据及地质因素的分析，建立多岩体指标融合数据库。选取测点埋深、主要岩性和GSI三个指标对《水利发电工程地质勘察规范》(GB 50287–2016)提出的强度应力比判据... 详细信息

为提高地应力级别评估的准确率，本研究收集了115组工程实例，通过对工程数据及地质因素的分析，建立多岩体指标融合数据库。选取测点埋深、主要岩性和GSI三个指标对《水利发电工程地质勘察规范》(GB 50287–2016)提出的强度应力比判据进行改进。通过对Hoek-Brown强度准则的推导，得到其与强度应力比判据的内在联系，进而设计修正参数，并借助贝叶斯优化方法确定修正后的强度应力比判据。研究结果表明：改进后的强度应力比判据较规范推荐判据的准确率提升了26.7%。该研究可为地应力分级提供有效依据，进而提高工程的安全性和稳定性。

关键词：岩石力学高地应力强度应力比判据地下工程贝叶斯优化

杭州湾富浅层气区工程超前排气井井距优化研究

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工程地质学报 2024年第1期32卷 194-205页

作者：郭江涛王勇贾鹏飞张军杰陈成西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室西安710069 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武汉430071 中国中铁大桥勘测设计集团有限公司武汉430051

对遭遇浅层气灾害地质的工程,一般防治措施多为建设前期布设超前排气井进行控制性排气。深入了解排气过程中气藏内部的气水运移规律,对于排气井井距的设计和高效率排气有重要意义。基于非饱和土两相渗流原理和杭州湾富浅层气区的典型概... 详细信息

对遭遇浅层气灾害地质的工程,一般防治措施多为建设前期布设超前排气井进行控制性排气。深入了解排气过程中气藏内部的气水运移规律,对于排气井井距的设计和高效率排气有重要意义。基于非饱和土两相渗流原理和杭州湾富浅层气区的典型概化地质模型,利用数值模拟方法研究了有控排气条件下气藏内部气水界面运移过程,探讨了影响超前排气井布设的因素,提出一种井距优化方法,并在实际工程中应用。结果表明:不同井口排气速率下,气藏内部气水分布形态与气体排放效果显著不同;工程超前排气井井距的设置可以淹井时间最长和剩余气藏厚度最小进行优化;原始气藏压力是影响井距优化的最显著因素,而储气层下部渗水系数、气藏厚度等并不影响最优井距的确定;调节井距对改善竖向排气井的排气效果随原始气藏压力系数减小而减弱;原始气藏压力系数大,井距适当减小,反之,可适度增加;对于气藏压力系数小的工程,建议发展水平排气井布设技术,以改善排气效果。此外,工程超前排气井的井距设置还应考虑与建(构)筑物的合理安全距离,达到高效、安全和避免投资浪费的目的。

关键词：浅层气非饱和土排气井气水运移淹井时间剩余气藏厚度

基于围压因素的分级应力扰动下砂岩损伤破裂特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 542-555页

作者：杨圣奇杨景孙博文刘广建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 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 绍兴文理学院浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室浙江绍兴312099

受制于采掘活动的频繁应力扰动,地下工程围岩的稳定性问题日渐突出,严重制约了地下矿产资源的安全高效开采。为了探究不同埋深下岩体在应力扰动过程中的损伤破裂机制,以常规三轴试验为基础,开展4组围压下的分级应力扰动室内试验,基于力... 详细信息

受制于采掘活动的频繁应力扰动,地下工程围岩的稳定性问题日渐突出,严重制约了地下矿产资源的安全高效开采。为了探究不同埋深下岩体在应力扰动过程中的损伤破裂机制,以常规三轴试验为基础,开展4组围压下的分级应力扰动室内试验,基于力学分析、声发射分阶段定位及损伤评价指标演化特征,确定分级应力扰动下岩石力学的损伤劣化规律及细观裂纹发育特征,建立岩石损伤状态—微观裂纹发育特征—损伤评价指标变化三者之间的关联。结果表明:(1)分级应力扰动下,岩石峰值强度和峰值轴向应变随围压升高逐渐增大。应力扰动各阶段轴向应变增量均呈现初期小幅波动,中期缓慢增加,后期快速增加的趋势;平均弹性模量呈现初期小幅波动后快速降低的趋势。(2)围压通过限制裂纹扩展降低岩石损伤累积速率,高围压下岩石能承受更多级应力扰动,且恒压阶段蠕变特征更明显。(3)加载前期,岩石内部裂纹发育仅在既有损伤区域的重复压密破坏和临近区域少量微裂纹的发育,扰动后期随着轴力的升高会使得围压限制作用减弱造成裂纹快速扩展。(4)岩石内部在加载不同阶段微裂纹发育的数量、尺度的变化能有效的体现在声发射b值和ΔF值,与岩石损伤程度耦合度较高,可用来定量评估岩石损伤状态。研究结果可为工程岩体的围岩稳定和损伤评估提供一定的指导和借鉴。

关键词：岩石力学应力扰动力学特征裂纹发育声发射损伤指标

基于模态分解和深度学习的煤矿微震时序预测方法

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煤炭学报 2024年

作者：秦长坤赵武胜贾海宾高未己陈郁川于万泉梁记忠陈卫忠山东新巨龙能源有限责任公司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中国科学院大学

微震监测数据对煤矿冲击地压等动力灾害预测和预警具有重要作用，利用历史微震监测数据来预测未来微震事件的演化特征是提高冲击灾害预测和预警时效性与准确性的有效方法。然而，由于微震数据是典型的非平稳时间序列，一般的时序预测方... 详细信息

微震监测数据对煤矿冲击地压等动力灾害预测和预警具有重要作用，利用历史微震监测数据来预测未来微震事件的演化特征是提高冲击灾害预测和预警时效性与准确性的有效方法。然而，由于微震数据是典型的非平稳时间序列，一般的时序预测方法很难进行准确的预测。为此，本文提出了一种基于模态分解技术和深度学习方法相结合的微震时序预测方法。该方法首先使用自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）将微震数据分解为多个本征模态序列。然后，通过样本熵将分解后的序列重构为高频、低频和趋势序列。接着，利用变分模态分解（VMD）将高频和低频序列再次分解为多个新的本征模态序列，用作微震数据的多元特征时间序列。最后，将一定时窗内的微震多元特征时间序列和历史微震数据作为输入，下一时刻的微震监测数据作为输出，建立了卷积神经网络（CNN）和长短期记忆网络（LSTM）相结合的微震时序预测模型，并采用贝叶斯优化方法对模型的超参数进行寻优，提高微震预测的准确性。依托新巨龙煤矿多个工作面微震监测数据，使用本文方法对微震日最大能量、日平均能量和日频次进行了预测，并针对微震日最大能量数据进行了系列对比试验研究。结果表明，本文提出的方法能够较好地预测微震事件演化趋势，预测结果和实际监测值误差较小，具有良好的预测性能和泛化性能。研究成果可为矿井冲击灾害预测和预警提供参考和借鉴。

关键词：微震预测冲击地压模态分解深度学习时间序列

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

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基于摄影测量的三轴土体剪切带演化规律

工程科学学报 2024年第5期46卷 927-936页

作者：牟春梅李刘悦夏燚桂林理工大学土木与建筑工程学院桂林541004 广西岩土力学与工程重点实验室桂林541004

为实现土样局部变形的定向研究,同时优化土样的变形测量精度,将数字图像测量与三轴试验结合,在不对仪器做大型改造的条件下,运用摄影测量技术改良试验.以桂林地区红黏土为研究对象,试验全程对土样全表面进行受力变形监测,并还原土样的... 详细信息

为实现土样局部变形的定向研究,同时优化土样的变形测量精度,将数字图像测量与三轴试验结合,在不对仪器做大型改造的条件下,运用摄影测量技术改良试验.以桂林地区红黏土为研究对象,试验全程对土样全表面进行受力变形监测,并还原土样的三维重构模型,以此研究其应力应变关系、局部应变特性、剪切带演化规律.研究结果表明:(1)土样表面的剪切带内外区域具有截然不同的变形特征,带外区域变形较为均匀且变形量趋于稳定,而带内区域变形不均匀且变形量不断加剧;(2)根据土样表面不同区域间的局部应变差异,确定了剪切带开始形成、停止扩张及完全贯穿的临界状态,提出了一种判别剪切带发展阶段的方法;(3)根据判别方法,将剪切带的演化过程拆分为压缩变形、表面扩张、延伸贯穿、相对滑移四个阶段,并分析了各个阶段不同的变形规律与破坏机理.经摄影测量技术改良的三轴试验,能够得到更准确的土体局部本构关系和变形特性,为探索土的应变局部化现象提供了一种精确且经济的研究方案.

关键词：剪切带摄影测量三轴试验局部应变红黏土

基于知识图谱的中国碳捕集、利用与封存领域研究历程

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中国电机工程学报 2024年第13期44卷 5219-5235页

作者：李华洋邓金根谭强陈家傲董保宏朱施杰严科白炜政中国石油大学(北京)石油工程学院中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院岩土力学与工程国家重点实验室(中国科学院武汉岩土力学研究所)

碳捕集、利用与封存(carboncapture,utilization,and storage,CCUS)技术是目前国际上应对气候变化的重要手段，对实现碳减排目标、促进可持续发展具有重要意义。该文首先梳理我国有关CCUS政策的发展历程，然后通过文献计量和科学知识图... 详细信息

碳捕集、利用与封存(carboncapture,utilization,and storage,CCUS)技术是目前国际上应对气候变化的重要手段，对实现碳减排目标、促进可持续发展具有重要意义。该文首先梳理我国有关CCUS政策的发展历程，然后通过文献计量和科学知识图谱相结合的方法，基于中国知网数据库中2000年至2022年CCUS领域的研究文献(期刊论文和专利)，利用VOSviewer和Excel软件统计分析论文的年度发文趋势、载文期刊、资助基金、研究机构、发文作者和研究热点以及专利的年度公开数量、主题及学科分布和发明人，并以二氧化碳吸收剂和二氧化碳驱油技术为例分析CCUS流程中的若干重点技术的发展进程和趋势。最后，针对现阶段CCUS研究存在的问题提出一定的建议。

关键词：碳捕集、利用与封存文献计量大数据统计分析现状和趋势