不同射孔角度对页岩压裂效果的影响

水力压裂是非常规油气开采的关键技术。在进行水力压裂的过程中,水力裂缝和天然裂隙相互作用形成复杂缝网是非常规油气高效开采的前提,而射孔方案设计对缝网的复杂程度有着重要影响。为了更深入研究压裂缝网的演化机理,模拟真实节理裂隙岩体在水力压裂中的裂缝扩展过程,从而科学、合理地优化射孔方案,本文采用全局嵌入cohesive单元的方法,利用Python进行二次开发创建DFN离散裂隙网络,建立了考虑离散裂隙网络的岩体天然裂隙模型,同时设置相同条件下不考虑DFN离散裂隙网络的模型进行对比,研究不同角度射孔方案对压裂效果的影响。通过MATLAB编程提取加载过程中的声发射定位图和声发射能量数据,对裂纹破裂机理和扩展过程进行了进一步分析。结果表明:天然裂缝的活化受射孔间产生的应力阴影、射孔与天然裂缝的角度影响;查明页岩的天然裂缝分布规律,设法提高射孔与天然裂缝的角度,使水力裂缝更容易与天然裂缝沟通并沿着天然裂缝扩展,从而形成复杂缝网。

含雁列式断续节理的岩质边坡失稳机制模拟研究

岩质边坡的阶梯状破坏是一种常见的失稳破坏类型,其稳定性主要受岩质边坡内部的不连续结构面和岩桥控制。为了探究雁列式裂纹间相对位置的复杂变化对节理岩质边坡阶梯状破裂面形成的影响,基于零厚度黏聚力(Cohesive)单元,采用重力增加法开展了考虑裂隙倾角、岩桥倾角、岩桥长度的含雁列式裂纹岩质边坡阶梯状破坏数值模拟。通过对于模拟结果的编程处理,实现了节理岩质边坡破坏过程中的声发射模拟,结合岩质边坡破坏过程的应力、位移云图,进一步分析了节理岩质边坡阶梯状破裂面形成的演化过程与力学机制。研究表明:节理岩质边坡模型的破坏模式可分为持续破坏型和渐进破坏型,渐进破坏模式的出现主要与裂纹倾角和岩桥倾角有关;岩质边坡阶梯状滑裂面的形成是一个岩桥从下至上逐渐贯通的过程,其破坏过程分为等速变形阶段和加速变形阶段;随着裂纹倾角的增加,岩质边坡的岩桥贯通所需要的荷载逐渐增加;随着岩桥长度的增加,岩质边坡内部岩桥破裂贯通所产生的声发射事件数和裂纹扩展总长度逐渐减小;相比于裂纹倾角和岩桥长度,岩桥倾角对于节理岩质边坡中岩桥贯通与阶梯状破裂面形成的影响较小。本文研究了多种工况下含雁列式断续节理岩质边坡的失稳机制,以期为该类型岩质边坡的稳定性评价与失稳防控提供一定的理论参考。

深部开采中的强扰动特性探讨

深部岩体具有高地应力、高地温、高渗压的独特赋存环境,其采动影响远较浅部复杂。通过将深部岩体的赋存环境和深部开采的扰动特征两方面相结合,系统分析了深部岩体开采中的强扰动特性。首先对扰动激励的动静组合特点进行了分析。根据深部开采中的应力变化路径,给出了不同深度类型下原岩应力状态以及扰动应力状态的分布区域,揭示了深部开采中应力变化更加复杂的必然性,并初步给出了考虑赋存深度、开采工艺、岩体重度、残余应力以及采动速度影响的岩体卸荷速率计算公式。根据深部开采中的动力扰动类型和波动传播规律,分析指出了深部岩体中的流体压力传播特征,揭示了深部动力扰动时间延长和扰动范围扩大的特点。然后基于扰动状态概念(DSC)对扰动影响水平进行了分析。通过对深部岩体能量蓄积、能量耗散以及释放规律的分析,定义了基于能量特征的扰动函数,可以籍此构建基于DSC的深部岩体统一本构模型,并定量描述深部岩体扰动的大小。最后定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应变状态,将其划分为原岩弹性区、开挖损伤区(EDZ)以及开挖破碎区,其中开挖损伤区又可分为峰前损伤区、塑性流变区、外部损伤区。并初步给出了开挖损伤区大小的计算公式,讨论了各项参数的意义及影响因素。研究表明,深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦合环境使其在更大范围内受到扰动的影响,EDZ的范围将显著增大,并表现出复杂的时空演化特征。利用扰动状态概念(DSC)建立的扰动函数,以及基于能量分析建立的开挖损伤区(EDZ)大小计算公式,可以定量刻画深部扰动的程度,分别反映了深部扰动激励增大和扰动影响增大的特点。

苹果-花生间作系统细根形态变异及地下竞争

苹果-花生间作系统是晋西黄土区主要的农林复合系统之一,目前一些粗放的经营方式导致苹果和花生之间对地下资源竞争激烈,降低了间作系统的经济效益。为缓解苹果-花生间作系统的种间地下竞争,提出科学的管理实践策略,采用分层挖掘法对苹果-花生间作系统、苹果单作系统和花生单作系统进行根系取样,其中苹果树树龄为7年,苹果树和花生的种植密度分别为500和8万3 333株/hm2。定量研究间作苹果和间作花生细根的形态变异和种间地下竞争状况。结果表明:1)苹果细根主要分布在距苹果树行1. 7 m范围内,随着距苹果树行距离的增加,间作苹果细根生物量密度逐渐减小,而间作花生细根生物量密度逐渐增大,两者的细根生物量密度均在树行南侧大于北侧,且均小于相应的单作; 2)苹果细根主要集中在0～60 cm土壤深度,在20～40 cm土壤深度分布最多,而花生细根集中分布在0～20 cm土壤深度,且间作苹果和间作花生的细根生物量密度在各土层均小于相应单作;3)和单作相比,间作苹果的细根移动到更深的土壤中,而间作花生的细根移动到更浅的土壤中,且两者的细根垂直重心均随着距苹果树行距离的增加向深层土壤移动; 4)间作苹果和间作花生在整个间作区域对地下资源产生竞争,且在苹果树行南侧的种间地下竞争大于北侧,距苹果树行0. 5～1. 7 m区域的苹果-花生间作系统种间地下竞争指数大于0. 53,为种间地下竞争的主要区域。为了有效的缓解苹果和花生之间对地下资源的竞争,花生可以种植在距苹果树行1. 7 m外的区域,并加强间作区域0～20 cm表层土壤的水分和肥料投入,距苹果树行越近,灌溉和施肥可以适当增加,且苹果树行南侧的投入可适当多于北侧。

晋西黄土区苹果大豆间作系统果树遮阴强度的时空分布

农林复合是晋西黄土区重要的水保经济林经营方法,苹果大豆间作系统是其中最常见的一种,定量解析苹果大豆间作系统遮阴强度的时空动态分布特征及其规律,可以为基于光环境的果农间作系统配置模式提供一定的理论基础,为晋西黄土区水土保持工作与农业可持续发展做出贡献。本研究以晋西黄土区5年生苹果与大豆的间作系统为研究对象,通过定位监测和数学分析相结合的研究方法对间作系统中果树遮阴强度的时空分布及其对大豆的影响进行研究。根据光合有效辐射实测值绘出遮阴强度的单日变化图表和生长期变化图分析出遮阴强度的时空分布规律以及与大豆产量的相关程度。结果表明:1)苹果大豆间作系统内遮阴强度从果树中心位置向四周递减,树行北侧、南侧平均遮阴强度分别为0. 29和0. 22,果树西侧、东侧平均遮阴强度分别为0. 26和0. 24; 2)间作作物在结荚期、开花期及苗期等不同物候期的日平均遮阴强度分别为0. 28、0. 17和0. 14; 3)试验样区大豆生物量和产量分布也表现为从4角果树位置向试验区中心位置递增,果树遮阴强度与大豆的生物量和产量显著负相关且结荚期遮阴强度对产量影响最大。为了有效缓解苹果大豆间作系统的种间光竞争,大豆应集中种植在间作系统的中心区域,同时苹果树行的北侧和西侧的种植量应略小于苹果树行的南侧和东侧的种植量。此外,在大豆的结荚期可以采用铺设反光膜等增加林下光合有效辐射的农艺措施来增加大豆的产量。

架空输电线路动态增容等效散热暂态测量模型

随着电能需求日渐增长,通过动态增容技术评估架空线路潜在输电能力成为迫切需求。传统动态增容模型由于风速测量精度及设备安装维护等问题难以推广实施。基于非接触式等效测量原理,提出一种架空线路动态增容等效散热暂态测量模型,该模型既可快速准确评估导线载流量,测量设备又独立于导线便于安装维护。在模型建立过程,分别提出数值差商求导法和解析求导法2种数据处理方法对模型微分方程进行求解。基于铝球的有限元仿真,分析不同数据处理方法对等效测量模型计算结果的影响。最后通过搭建微风风洞实验平台模拟铝球装置的运行,利用实验数据对模型进行求解,确定模型计算所需的暂态数据量,并将模型计算结果与IEEE Std 738^(TM)-2012标准结果对比,以验证模型的准确性。研究表明,采用解析求导法,在保证实时性前提下,模型误差≤6%,满足工程应用要求,所提出的等效散热暂态测量模型可实时动态准确地评估架空导线载流量。

架空地线预绞丝端口断裂机理的试验分析

预绞丝端口可能会因工频短路电流流经架空地线时发生断股甚至断线,从而影响电网的安全稳定运行;因此,有必要探究架空地线预绞丝端口的断裂机理。分析一起发生在预绞丝端口的架空地线断线事故,提取事故样品特征并对断线机理进行初步推测。设计并搭建试验平台对缠绕预绞丝的架空地线施加工频短路电流,从而还原工频短路电流流经架空地线预绞丝端口时的实际情况,结合事故断线样品的分析结果与试验研究结果,总结架空地线预绞丝端口的断裂特征以及断裂机理。研究表明:当工频短路电流流经缠绕预绞丝的架空地线时,预绞丝端口会产生剧烈的放电现象(包括电火花放电和电弧放电),电流的热效应与放电的热量会使预绞丝端口出现局部高温,导致架空地线机械强度骤降,最终无法承受两侧的轴向拉力而发生断裂。所总结的架空地线预绞丝端口的断裂特征可为后续相应的防范措施研究提供参考与指导。

一种基于风速等效测量的架空线路动态增容模型

现有的架空线路动态载流量计算模型对于风速的测量准确性提出较高要求,而现有测量技术很难满足此要求,因此,提出一种对风速进行等效测量的架空线路动态增容模型,也称为等效换热测量模型,在模型的实施过程中无需对风速进行测量。所提模型通过建立发热铝球和导线热损耗功率的关联性,实现对导线实时载流量的计算。利用有限元法仿真分析,讨论铝球的温度分布状态以及测温位置对模型计算结果的影响,并对所提模型进行验证。研究结果表明,当采用铝球表面稳态温度的最大值时,模型计算结果的相对误差不超过7%,满足工程应用的需求。因此,所提等效换热测量模型可克服风速测量相关的技术限制,提高架空线路输送电能的利用率。

一种基于环境去耦模型的架空导线动态增容方法

动态增容技术评估现有输电线路隐性输送容量以提升其电能输送能力,然而现有的动态增容技术由于设备的安装维护和环境传感器的限制难以推广实施。为此,提出架空导线动态增容的环境去耦模型。在模型的建立中定义环境热交换关联参数表征铝球装置与导线和环境之间的关联特性。利用最小二乘法确定参数的最优表达式,使模型的计算不依赖环境参数。最后设计并搭建环境模拟实验平台模拟铝球装置的运行。利用实验数据对模型进行求解,将模型的载流量计算结果与IEEE标准结果进行对比,验证了模型的准确性。研究结果表明应用环境去耦模型计算导线载流量时,模型的误差不超过7%。

架空导线动态增容的环境测量解耦模型及其实验验证

动态增容技术通过实时评估架空导线的载流量来挖掘导线的潜在电能输送能力,但现有的动态增容模型存在所需传感器数目较多或传感器安装维护困难等问题,为此,提出环境测量解耦的动态增容模型。首先,该模型建立铝球的暂态降温数据与环境变量的关联方程组;然后,从灵敏度的角度分析各环境变量的求解精度,并给出不同灵敏度的环境变量的求解方法,实现导线载流量的评估;最后,通过实验对环境测量解耦模型进行验证。实验结果表明,与IEEE Std 738‑2012标准的计算结果相比,模型的计算结果误差不超过4%。

Computation of fractal dimension of rock pores based on gray CT images

The characterization of pore structure in rocks is relevant in determining their various mechanical behaviors. Digital image processing methods integrated with fractal theory were applied to analyze images of rock slices obtained from industry CT, elucidating the characteristics of rock pore structure and the relationship between porosity and fractal dimensions. The gray values of pixels in CT images of rocks provide comprehensive results with respect to the attenuation coefficients of various materials in corresponding rock elements, and these values also reflect the effect of rock porosity at various scales. A segmentation threshold can be determined by inverse analysis based on the pore ratios that are measured experimentally, and subsequently binary images of rock pores can be obtained to study their topological structures. The fractal dimension of rock pore structure increases with an increase in rock pore ratio, and fractal dimensions might differ even if pore ratios are the same. The more complex the structure of a rock, the larger the fractal dimension becomes. The experimental studies have validated that fractal dimension calculated directly from gray CT images of rocks can give an effective complementary parameter to use alongside pore ratios and they can suitably represent the fractal characteristics of rock pores.