考虑循环荷载下颗粒破碎的宕渣路基渗透系数预测

本文旨在揭示循环荷载作用下中-强风化泥岩宕渣破碎行为与渗透特性的内在机理。利用PFC 6.03D进行循环三轴数值模拟,借助内置Fish语言监测不同循环加载次数下宕渣试样级配、破碎率、孔隙率的动态演化规律。通过对不同加载次数下的土体级配曲线形态的分析,给出一种能描述土类多种连续级配形态的负指数型级配表达式,并讨论了其普适性。以级配方程为枢纽,构建了综合考虑颗粒组构、孔隙特征影响的渗流路径的迂曲度模型。同时,以迂曲度为修正系数,对斯托克斯孔隙流渗透系数公式进行修正。由此实现了考虑循环荷载作用下颗粒破碎的中-强风化泥岩宕渣路基渗透系数预测。研究结果表明:位点深度加深,修正潜在破碎势Bp*明显降低,而修正相对破碎势Br*与位点深度并无明显关联,Br*变化趋势可分为迅速增长、缓慢增长、收敛3个阶段;孔隙率变化呈现类似规律。所提出的负指数级配方程对4种典型级配(凹形、S形、类直线形、凸形)均具有良好适用性。修正迂曲度略大于仅考虑单一颗粒形态的迂曲度,复杂的颗粒形态使得流域内流线更加曲折,引起整体迂曲度增大。渗透系数k敛随Br*增长呈抛物线状衰减,且位点越浅,k衰减愈明显;存在临界加载振次使各位点k值收敛。本研究可为中-强风化泥岩宕渣路基服役状态评估提供新思路。

塔里木盆地富满断控破碎体油藏储集类型特征与注水替油效果

塔里木盆地走滑断裂控制的超深油气藏是近年来中国油气勘探开发最重要领域之一,但目前该类型油藏的储集空间类型并不清楚,不同储集空间类型与注水效果关系不明确,严重制约了富满油田的高效开发。在充分分析野外露头、岩心、成像测井以及动态监测资料的基础上,系统剖析了断控破碎体的3种主要储集空间类型及其与注水效果的关系。提出了断控破碎体的概念,指出富满油田主要为断控破碎体油藏,研究结果表明:①断裂空腔型储集体主要分布在断裂带的核部,由断层滑动面产状变化引发内部体积调整形成了“空腔”型洞穴。埋藏条件下的储集空间相对较为封闭,内部孔隙空间较大,注水后原油置换率较高,部分油井动用储量的注水采收率可高达93%。②角砾间孔隙型储集体主要分布在断裂带的核部,由相邻的角砾相互支撑而形成角砾间不规则储集空间类型。该类储集体分布较为均匀,孔隙度中等,单位压降下的产液量较高,但是由于储集空间内部连接并不通畅,注水后置换率较低,需要研究探索构建立体结构井网来提高开发效果。③构造裂缝型储集体主要分布在断裂带的损伤带和过程带,在断层带的两侧和端部发育形成一定宽度的裂缝带。裂缝带周边也会发育少量孔隙,部分区域会形成一定的渗流优势通道,因此注入水的流失量较大,注水效果相对于断裂空腔型储集体较差。研究成果支撑了富满油田上产原油350×10^(4) t,可助推注水开发方案和提高采收率方案的优化,对同类型油藏高效开发具有重要的借鉴意义。

苏南水网地区水域景观破碎化时空演变特征及驱动因子研究——以吴江区为例

以苏州吴江区为对象,选取1990、2000、2010、2020年土地利用数据,利用Fragstats4.2对1990-2020年水域景观破碎化演化特征进行定量分析,并借助地理探测器模型探讨水域景观破碎化时空特征的驱动因子。结果表明:(1)从景观水平破碎化特征分析来看,研究期内吴江区水域景观破碎化程度先增大后减缓:1990-2000年水域景观受到人工建设干扰,空间分布离散;2000-2020年水域景观破碎化程度降低、整体空间格局趋向整合。从类型水平破碎化特征分析,河流、湖泊及内陆滩涂在1990-2000年破碎化程度日益加剧,斑块空间分布离散,2000-2020年水域斑块连接性逐渐增强;水库坑塘斑块类型分布在1990-2010年破碎程度降低,2010年后破碎化程度上升。(2)吴江区水域景观破碎化受到自然、社会等多元因素影响,各因子对水域景观破碎化时空分异的影响明显不同,且各驱动因子间存在显著交互增强效应,其中人类活动强度因子影响最为显著。研究结果可为探明水域景观破碎化形成机理提供思路,对苏南水网地区生态环境保护和可持续发展具有参考意义。

深部破碎软岩巷道超前控顶加固及控制爆破技术

随着矿山开采深度逐渐增加,深部破碎围岩工程地质条件转为复杂多变,极大程度上影响巷道等工程施工过程及后续使用安全;为确保深部破碎软岩巷道施工过程中安全及质量,提出了软岩巷道超前控顶加固及控制爆破技术。针对钟九铁矿-550 m水平6号交岔点岩体裂隙极为发育、稳定性差等特点,拟采用超前控顶措施加固顶板围岩,提高深部破碎软岩巷道的承载力。为便于6号交岔点掘进施工,沿6号交岔点东北侧方向划分17个掘进区,并采用“四步”台阶法分段施工。针对同段起爆数码电子雷管,起爆器系统可随机设置单发雷管起爆间隔时间为3~5 ms,实现同段炮孔单孔单响,降低爆破振动对6号交岔点影响。根据不同掘进区总体岩性情况,优化支护方式(管棚支护、W型钢带及锚索支护等联合支护方式等),确保6号交岔点后续使用期安全。试验结果表明:采用超前控顶加固、控制分区爆破技术,降低破碎软岩巷道顶板偏帮、下沉,保证6号交岔点断面成型效果,削减其支护、后期维护等综合成本达8.7%,该技术可为类似巷道施工提供一定指导建议。

基于结构张量的走滑断裂破碎带地震识别——以富满油田超深层碳酸盐岩为例

塔里木盆地超深层奥陶系碳酸盐岩走滑断裂破碎带发现了丰富的油气资源,但由于超深层地震资料分辨率低,难以精准刻画走滑断裂破碎带,制约了走滑断控油气藏的高效评价与目标优选。根据富满油田走滑断裂破碎带的地震响应特征,在构造导向滤波基础上,利用结构张量方法计算特征值和特征向量,通过时窗选取与纵向厚度叠加加强反映沿断裂方向的投影能量,突出走滑断裂破碎带,刻画其边界与强度。结果表明:该方法更清晰地刻画了走滑断裂的分布,可以识别更小规模的走滑断裂;实现了超深层碳酸盐岩走滑断裂破碎带宽度与强度的刻画,可以用来评价走滑断裂破碎带的发育程度;将该方法应用于圈闭评价、井位部署、井轨迹设计、钻井监测等,大幅提高了钻探成功率与单井油气产量。

带电射流非稳态破碎的可视化试验

采用高速数码相机对毛细管带电射流破碎形态的演化过程进行了可视化研究,探讨了大流量下带电射流破碎的基本形态及射流不稳定破碎模式的转变,分析了物性参数、电压及液体流量对带电射流破碎模式的影响.采用半球形毛细管喷嘴研究锥射流模式向简单射流模式演化的过程,采用普通毛细管喷嘴对比研究去离子水和乙醇的静电简单射流雾化模式.结果表明:在特定电压下,随着流量增加,锥射流模式可以逐渐过渡为简单射流模式;当初始状态为射流时,随着电压增加,大流量下的去离子水静电雾化射流破碎模式主要为曲张不稳定破碎和鞭动不稳定破碎;表面张力较小的无水乙醇更容易产生破碎,还出现了鞭动辅助分叉模式和枝状破碎模式.

CSAMT深埋长大隧道破碎岩体靶向勘察研究

铁路深埋长大隧道因其埋深大、里程长,同时伴随复杂多变的地质问题,致使地质勘察难以查明、查细,特别是对深埋长大隧道破碎岩体空间分布的精准定位一直是工程勘察中的难题。基于CSAMT三维正反演理论,研究建立了针对深埋长大隧道中破碎岩体靶向勘察模式,从而实现“点-线-面”的精准勘察。通过开展基于四面体网格的CSAMT三维正演和有限内存拟牛顿法的三维反演研究,以及二、三维模型分析对比,验证三维CSAMT在铁路隧道勘察中的优势。在滇西地区某深埋长大隧道TBM掘进工区开展三维“点-线-面”靶向勘察试验,结果表明该勘察体系可靠且精度高,精准探明了TBM卡机工区段前方的花岗岩蚀变带影响范围及其空间展布形态,确定了断层破碎带的影响范围及其空间展布形态,有效提高深埋长大隧道勘察精度。布置靶向测线从“点-线-面”进行三维CSAMT勘察这一思路,对深埋长大隧道的勘察工作提供一定的应用参考价值。

基于Bayes算法与数值模拟的缓倾斜破碎薄矿体采矿方法优选

为实现某锰矿顶板破碎低品位缓倾斜薄矿体安全高效经济开采,首先根据开采条件设计出5种技术可行的采矿方法,然后基于贝叶斯(Bayes)和蒙特卡洛(Monte Carlo)方法建立涵盖技术和经济共17项评价指标的采矿方法优选体系进行采矿方法优选。研究结果表明,浅孔进路V型掏槽后退/前进采矿法、中深孔进路V型掏槽/平行抛掷采矿法和浅孔接钎头斜向掏槽采矿法的综合得分依次为0.524、0.193、0.214、0.228和0.221,浅孔进路V型掏槽后退采矿法最优。最后采用MIDAS数值模拟对优选出的采矿方法的4种不同跨度采场的稳定性进行分析,其采场跨度12 m时可在采场稳定性和矿石回收率之间取得较好平衡。综合考虑技术、经济和安全指标的采矿方法及采场结构参数优化思路,可为该矿山选出安全高效采矿方案,并可供类似矿山参考借鉴。

冲击压缩载荷作用下损伤砂岩的动态能量演化及破碎特征

开挖和构造运动等外部扰动使岩体处于不同程度的损伤状态,损伤岩体内缺陷的产状、密度和大小与预制裂隙岩体存在显著的差异。本研究基于Weibull分布,分析了冲击载荷作用下损伤岩体的耗能密度增长率与静态损伤因子之间的理论关系,并通过室内试验开展验证。采用不同上限静态预压后使砂岩处于不同程度的损伤状态,并用CT成像进行验证。然后,利用高速摄像机和几何分形技术探究了不同驱动压力作用下不同损伤砂岩的破裂过程和破碎特征。实验结果验证了耗能密度增长率关于静态损伤因子的函数关系式服从Weibull分布,耗能密度增长率随着损伤因子的增加逐渐增大;随着砂岩损伤程度或驱动压力的增加,破碎岩块的数量和破碎程度都增加。这些研究成果扩展了岩石动力学理论,验证了冲击载荷下损伤砂岩的能量演化、破裂过程和碎裂特征,还为动力灾害显现下岩体的风险解危提供了参考。

冲击荷载引起的颗粒破碎对钙质砂液化特性的影响

钙质砂具有孔隙率高、强度低、易破碎的特点。同时,钙质砂在波浪和地震等振动荷载的作用下,也具有发生液化的可能性。为探究钙质砂颗粒破碎与抗液化强度的关系,对南海永兴岛的钙质砂开展了三轴试验研究工作。首先,利用小型手动冲击装置对钙质砂进行破碎处理,获取了不同相对破碎率(Br)的试样,然后利用多功能动三轴仪分别对原始试样和不同破碎程度的试样进行了液化试验。结果表明:在相同围压和密实度条件下,钙质砂的抗液化强度(CRR)随着Br的增大而降低,但降低速率会随着Br的增大而减小。另一方面,相对密实度的增大会削弱颗粒破碎对钙质砂抗液化能力的影响。最后,为了定量评价颗粒破碎对钙质砂抗液化强度的影响,建立了Br-CRR的数学关系。

烟丝加工过程中的破碎规律研究

为探索烟丝在加工过程中的破碎规律,设计不同切丝宽度和尺寸的烟丝,研究滚筒、流态化、机械输送等关键加工环节前后烟丝的结构变化规律。结果表明,随着烟丝加工进行,各规格烟丝不断破碎,烟丝的特征尺寸降低,破碎度升高,主要表现在>7.10 mm和4.50~7.10 mm等尺寸较长的烟丝质量分数不断降低,<2.00 mm的烟丝质量分数不断升高,不同处理间3.35~4.50 mm的烟丝质量分数变化差异最大。滚筒加工过程中烟丝质量分数的变化率整体较大,其中滚筒干燥过程最大,其次是振动输送、干燥后的提升输送和风送过程,风选和干燥前的提升等过程较小。加工后1.0 mm宽度烟丝、1.0 mm宽度断丝的烟丝、0.8 mm宽度烟丝和0.8 mm宽度断丝的烟丝特征尺寸变幅分别达到1.86 mm、1.09 mm、1.65 mm和1.08 mm,其破碎度分别达到33.51%、26.35%、33.39%和27.43%。综上,>7.10 mm和4.50~7.10 mm等特征尺寸较大及同一断丝或未断丝处理下宽度较窄的烟丝在加工过程中更易破碎,应根据加工的需求,关注特定尺寸的烟丝质量变化规律,在原料消耗允许的范围内,开展烟丝结构调控和工艺优化。

滇中芹河隧洞软岩破碎段围岩大变形与支护结构相互作用研究

软岩大变形是滇中引水工程建设中较为突出的工程地质问题之一,以大楚段芹河隧洞4#支洞为研究对象开展软岩大变形特征及承载结构受力研究。4#支洞在施工过程中发生影响洞室稳定的问题,洞周围岩大变形不同程度侵限,导致钢拱架扭曲断裂、喷混凝土掉落现象时有发生。为了充分认识隧洞变形特征、破坏模式及成因机制,结合工程地质勘察、现场监控量测、数值反演及施工模拟分析等手段和方法对其进行综合研究。研究成果表明:破碎软岩洞段施工期围岩监测变形量大、变形速率较快,变形具有明显的时效性;围岩完整性差,洞周变形差异大;围岩以剪切破坏为主;围岩时效变形对支护结构受力影响大,部分承载结构受力超限,导致局部结构破坏。可见,针对破碎的软岩隧洞施工,需要采取超前注浆、减少减小施工扰动、及时跟进初期支护、尽快封闭成环,加强施工期围岩变形监测,选取合理的衬砌支护时机,实时指导和优化隧洞支护结构施工设计。

穿断层破碎带隧道围岩大变形控制双梯度注浆机制

近些年,中国西部大量深埋隧道工程因关键线路控制无法避让一些活动性断裂,常常在跨越断裂带范围内出现围岩大变形破坏现象,例如侵限、偏压、塌方、底鼓等灾害,严重影响隧道工程施工和运营的安全可持续发展。为了控制断层破碎带隧道围岩大变形,隧道工程设计者和建设者采用了多种控制方案,例如超前注浆、多层钢拱架被动支护、锚杆索主动支护等,但是都因断层破碎带围岩强度过低而出现超前注浆诱发围岩拉裂破碎、主动支护锚杆锚固力不足等现象。为解决上述难题,首先,提出一种增强穿断层破碎带隧道围岩强度的双梯度注浆技术,建立双梯度注浆概念模型,构建3种双梯度注浆模式;然后,确定特定工况下注浆材料粒径梯度与注浆压力梯度的适配条件;最后,通过理论分析、物理模型试验和现场试验,探索双梯度注浆机制及其控制效果。研究结果表明:1)随着开挖步序的增加,穿断层破碎带隧道拱肩变形最大,构造应力对围岩稳定性影响较大。2)在双梯度注浆作用下,浆液扩散效果良好,围岩未出现大面积脱落破坏,隧道周围岩体应力分布均匀。3)双梯度注浆形成了坚硬交叉浆脉骨架,达到了应力补偿效果,将围岩变形量从原来的3 100 mm控制到278 mm以内,实现了“零换拱、零侵限、零突涌”的目标。

绿化覆盖率对城市绿地破碎度与地表温度的关系的影响

优化绿地空间配置(如破碎度)是改善城市热环境的有效途径。然而绿地破碎度对城市热环境的影响可能随绿化覆盖率的变化而变化,对改善城市热环境提出了巨大挑战,但相关研究十分缺乏。以长沙市为例,利用Landsat地表温度表征城市热环境,使用解译于高分2号遥感影像的城市绿地图在1 m像元尺度量化绿化覆盖率和绿地破碎度(用绿地边界密度表征)。以419个1 km格网为分析单元,应用分段线性回归揭示绿化覆盖率与绿地破碎度间的非线性关系,识别绿化覆盖率阈值并以此为标准将419个1 km格网划分为高绿化覆盖率区和低绿化覆盖率区。以1 km格网平均地表温度为因变量,绿化覆盖率、绿地破碎度、水体覆盖率和裸地覆盖率为自变量从研究区、高绿化覆盖率区和低覆盖率区3个方面建立多元线性回归模型阐明绿地破碎度对地表温度的影响。最后进行方差分解分析绿化覆盖率、绿地破碎度和其他土地覆盖率对地表温度的独立和联合影响。结果显示,1)绿地破碎度随绿化覆盖率的增加先增加后降低,阈值为44.9%。2)整个研究区,4个指标可解释69.1%的地表温度变异,地表温度随绿化覆盖率、水体覆盖率、裸地覆盖率和绿地破碎度的增加显著降低。3)低绿化覆盖率下绿地破碎度显著影响地表温度,高绿化覆盖率下绿地破碎度对地表温度呈不显著正影响。4)在研究区和不同绿化覆盖率区域,绿化覆盖率对地表温度的独立影响均高于绿地破碎度的独立影响。建议长沙城市绿地规划管理在提高绿化覆盖率的同时可提高低绿化覆盖率区域绿地破碎度以改善城市热环境。

超深层“断裂破碎体”概念和地质模式及其地震表征方法

“断裂破碎体”是塔里木盆地富满油田超深层碳酸盐岩储层的一种重要赋存类型。对于该类储集体,目前尚存在着概念不清晰和地质模式不明确、缺乏适用的地震表征方法等问题。为此,利用野外露头、钻井、地震和生产动态等资料阐述“断裂破碎体”概念的内涵,建立了超深层碳酸盐岩油气藏“断裂破碎体”四种地质发育模式,并形成了超深层碳酸盐岩“断裂破碎体”智能地震内部结构刻画技术。研究结果表明:①“断裂破碎体”具有三个方面的内涵,即发育背景主要为超深碳酸盐岩台内致密灰岩地层;在断裂破碎作用下,内部孔—渗储集性能较好,储集空间类型多样(主要包括断裂破碎角砾间孔、张扭作用形成的空腔以及中、高角度裂缝);油藏的通源、油气运移的输导有利,油藏高度可达千米,是超深层致密灰岩储层油气聚集的极为有利部位。②“断裂破碎体”发育六种断裂构型要素,组成了单一滑动面、压隆核带、张扭空腔、栅状缝网等四类内部结构模式。③采用“有条件的对抗深度学习网络”能够较好地刻画断裂破碎体内部结构,预测结果的地质意义较为明确,并与实际情况吻合。该成果在实际生产中得到了较好的应用,对“断裂破碎体”油藏的高效勘探与开发具有实用和推广价值。

双轴木材破碎机刀片齿形仿真分析与优化

针对某型双轴木材破碎机的刀具易磨损、寿命低等问题,在推导出齿辊刀片所受切向力的理论计算公式基础上,运用SolidWorks绘制刀片的三维模型;基于ANSYS Workbench的刀片静力学分析,揭示刀片所受应力和最大变形量的分布规律,明确最大应力和最大变形量发生位置;最后通过ANSYS优化工具对木材破碎机刀片进行尺寸参数优化。结果表明:在刀片性能不受影响的前提下,优化后刀片所受最大应力和最大变形量都有一定的减小,力学性能有所改善。

三轴剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎、变形和强度特性的影响

钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与受剪时的排水条件有关。然而当前的研究很少考虑不排水剪切过程对钙质砂颗粒破碎和力学特性的影响。对不同初始相对密实度的钙质砂进行了一系列不同有效围压下的三轴固结排水和不排水剪试验,以研究剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎和力学性质的影响。结果表明:在相同的有效围压下,排水剪试验的颗粒破碎率高于不排水剪试验。在排水剪与不排水剪过程中,钙质砂的应力-应变曲线都表现为应变软化行为,其剪胀趋势受到初始相对密实度和有效围压的影响。钙质砂的临界状态与初始状态无关,与剪切过程中的排水条件有关,对于临界应力比和相变应力比,排水剪试验大于不排水剪试验。钙质砂的峰值有效内摩擦角随初始相对密实度、有效围压和颗粒破碎率的增大而减小,但是临界有效内摩擦角不受初始条件、有效围压和颗粒破碎的影响,两种有效内摩擦角都与剪切过程中的排水条件有关。对于峰值有效内摩擦角和临界有效内摩擦角,排水剪试验大于不排水剪试验。上述结果表明,钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与剪切过程中的排水条件具有明显的相关性。

泥石浆型复杂破碎岩体非线性渗流数学模型与实验研究

断层、陷落柱是影响承压水上煤层开采的主要隐患之一,由于其具有碎石块和泥质充填物(泥石浆)构成的复杂结构,其渗透性的确定通常以定性分析为主,缺少量化模型。为了研究泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的量化计算方法,开展了渗流实验研究破碎岩体非线性渗流规律,并基于多孔介质分形理论、非线性渗流理论,建立了考虑黏土成分及泥化充填作用的破碎岩体非线性渗流数学模型,最后与实验结果对比验证数学模型的准确性。结果表明:①陷落柱破碎带样品的粒度分布具有一定的分形规律,含有黏土颗粒的破碎带岩体遇水泥化后,分形维数增大,黏土充填封堵了大颗粒岩石碎块内部的大孔隙,降低了破碎岩体的渗透性;②随着破碎带岩体渗透率的降低,非线性开始发生时的临界压力梯度也增大,表明非线性临界压力梯度可以用来量化破碎岩体的阻隔水能力;③非线性开始发生时的临界压力梯度的实验结果与数学模型计算结果吻合,验证了模型的准确性。建立的破碎岩体非线性渗流数学模型首次尝试考虑了黏土成分及泥化充填作用对渗透性的影响,为泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的定量计算及水体下、承压水上等特殊开采条件下地质构造的阻隔水性能研究提供了一种新的研究思路。

基于颗粒破碎特性的盐岩集料基层级配组成设计研究

为实现内陆干盐湖区盐岩集料基层级配组成的科学设计,以罗布泊盐岩为研究对象,分析了不同粒径及含卤水率条件下单粒组盐岩集料颗粒破碎演化特征,构建了复杂粒组下盐岩集料级配转移模型,提出了盐岩集料基层级配组成设计方法,验证了盐岩集料基层级配组成设计方法的合理性,并对比了不同级配组成及失水率下盐岩集料的工程性质。结果表明:击实作用下各粒组盐岩集料均发生颗粒破碎,随着击实能量增加,盐岩集料级配趋于稳定,卤水的赋存会降低单粒组盐岩颗粒破碎率。Weibull分布可有效表征盐岩集料破碎颗粒级配分布特征。推荐的盐岩集料基层级配组成设计方法可有效推演盐岩集料基层的级配演化特征并实现考虑卤水影响的级配修正。盐岩集料颗粒间卤水盐分结晶有利于盐岩集料基层强度形成,失水率为75%的盐岩集料无侧限抗压强度可达到4.1 MPa,盐岩集料可用于干盐湖区公路基层填筑工程。

旋流器内气泡聚并与破碎行为

为了探究旋流器内气泡聚并与破碎行为的影响因素,采用高速摄像实验研究旋流器内的气液两相流。通过实验分析了气泡在旋流场中的聚并和破碎行为,考察不同工况条件对气泡聚并与破碎的影响,同时运用数值模拟进行验证。结果表明,入口速度提升会导致气泡的破碎频率增加,生成子气泡也越多,但同时加剧了气泡的聚并性能,促使气泡聚并成气核朝着溢流口方向运移,因此入口速度提升对气泡直径变化的影响呈正向作用。气体体积分数提升会导致旋流器内气泡直径和气核长度增大,降低了流场的旋流强度,使更多气泡聚并成气核从底流口流出,故气体体积分数对气泡直径变化的影响呈反向作用。