基于多区组合煤体的煤与瓦斯突出动力学机制

煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)严重影响煤炭安全开采,其背后涉及的众多科学问题仍未解决。为降低煤体力学性质各向异性对突出研究的困扰,构建多区组合煤体模型;基于上覆岩层应力分布特征及应力波传播机制确定“弱区”煤体位置,将研究对象由“突出中心体”具体为“弱区”。由于外部动载扰动是导致突出的激发条件,采用冲击试验研究应力波在层状组合煤岩体中的传播规律,构建组合煤岩体应力-应变本构模型。进而明确卸载波作用下,煤体轴向多层层裂是煤体质点内撞击形成加载冲击波在自由面反射形成拉应力波导致的;煤体径向平面,由于泊松效应形成卸载波追赶塑性加载波的情形,生成多个径向裂隙及环向裂隙,得到煤体层裂片厚度动态演化规律。从而明确在外部动载扰动下,煤体“弱区”最先破坏,轴向产生多层层裂、径向平面产生多个径向及环向裂隙的三维损伤路径。基于此,提出一种基于多区组合煤体的突出动力学机制,将突出划分为准备、启动、发展、终止四个阶段。突出准备阶段,煤体上覆岩层应力转移、集中,高瓦斯压力梯度形成,为后续煤体失稳破坏创造条件;突出启动阶段,煤体受外部动载扰动,轴向“弱区”煤体最先发生破坏、形成多层层裂,径向平面形成多个径向及环向裂隙;突出发展阶段,吸附态瓦斯解吸与游离态瓦斯积聚形成高压瓦斯抛出煤体,导致突出继续向深部煤体发展,形成二次损伤;突出终止阶段,积聚形成的瓦斯压力低于煤体抗拉强度,形成稳定的纺锤形突出腔体,突出终止。该机制初步解释了突出过程中“响煤炮”“口小腔大”突出孔洞等动力现象成因,为矿井防突工作提供了新思路。

大水矿山导水通道及帷幕薄弱带可视化研究

大水矿山主要通过构筑阻水帷幕进行水害治理,由于地质条件的复杂性和技术水平的制约,帷幕构筑时极易形成薄弱带,从而导致帷幕堵水效果较差。本文以恒辉铁矿区为例,在对矿床构造、地层、岩性、水位、注浆情况以及物探资料进行综合研究的基础上,确定了该矿床帷幕薄弱带主要发育在帷幕东北、东南及南部一带。同时借助3DMine软件建立了矿区三维水文地质模型,全方位、可视化地展示了导水通道及帷幕薄弱带与矿体、巷道等的位置关系。研究成果可辅助矿山对巷道及帷幕进行优化设计,为矿山安全生产及灾害预防提供依据。

基于高陡交填界面软弱带影响下黄土填方边坡失稳模式研究

近年来,我国黄土高原地区为了扩大土地可利用资源,开展了大范围的填沟造地、平山造城等工程建设。针对高陡原始坡-填方坡交填界面可能存在的灾变隐患开展了室内物理模型试验,发现黄土填方边坡在连续强降雨下会沿高陡交填界面发生整体滑移失稳。进一步通过有限元数值模拟对交填界面处无软弱带、不同软弱带厚度与弱化系数等工况进行了对比分析,证明了交填界面通过该处滋生的相对软弱带对填方边坡的稳定性产生影响,软弱带的不断发展在降低填方边坡稳定性系数的同时也改变了潜在最危险滑面的位置。设定的弱化系数对稳定性系数的影响可划分为3个阶段:无影响阶段、等速陡降控制阶段、等速缓降控制阶段;其中定义的“关键弱化系数”是对边坡稳定性开始产生影响的临界弱化系数,在实际工程中应采取相应措施来避免软弱带弱化系数降到其“关键弱化系数”之下。降雨诱发基于高陡交填界面软弱带影响下黄土填方边坡的失稳模式可归纳为:坡表侵蚀并形成冲沟→坡脚多级局部滑塌、交填界面软弱带逐步发展→土体沿交填界面滑移下错及坡脚剪出→剪切裂缝贯通、填方体整体滑移失稳。研究成果可为修筑在陡坡上的黄土填方边坡防灾减灾工作提供理论支撑。

基于正交各向异性理论表征断层的变形行为

总结了"介质弱化带"和"摩擦接触"这2类常见断层模型在地壳动力学数值模拟研究中的应用研究进展,再利用2者各自的特点,引入复合材料力学中各向异性理论,结合断层产状给出了针对不同走向、倾角的断层各向异性本构方程。数值模拟试验对比研究显示:基于正交各向异性本构关系的断层模型不但能够避免断层垂直方向上的形变场畸变现象,而且能够有效地刻画断层两盘相对滑动,模拟结果与基于接触摩擦断层模型的模拟结果吻合良好。该模型可以在研究区域构造复杂,接触计算收敛困难的情况下替代摩擦接触模型。

断层面的有限单元模拟方法综述

有限单元法是研究地球科学问题的重要工具之一。本文概述了国内外学者利用以连续介质理论为基础的有限单元法研究地学,特别是地震学、地壳形变学科时,对具有非连续性特点的断层所采用的几大主流处理方法,并阐述了各断层模型基础上(弱化带模型、劈节点模型、接触模型以及块体模型)所展开的地学研究。

密度锁内分区模型研究

通过实验研究流速对密度锁内温度场和分层的影响,并建立了分区模型。研究结果表明:密度锁可分为混合区、分层区和恒温区,其中分层区又可分为强分层与弱分层,分层界面则位于混合区与分层区之间。此外,本文还将密度锁内温度场分为5类,其中第2类温度场最好,是密度锁正常工作时的最佳选择。

页岩水力裂缝网络形态及激活机制研究

针对页岩体积压裂后量化复杂裂缝网络构成及裂缝激活程度的问题,基于有限元、全局嵌入黏聚区域模型以及真实页岩露头,建立了预制结构弱面的复杂水力缝网模型。在考虑全耦合应力-流体影响下,研究了弱面逼近角、水平应力差、压裂液黏度以及排量对裂缝网络组成、几何形态以及SRV的影响,提出能够量化分析裂缝网络构成以及裂缝激活程度的裂缝相对激活程度概念。研究结果表明,页岩压后裂缝几何形态受力学性质最弱的弱面控制,分别呈轴对称与中心对称网络状分布;裂缝网络由主导游离气传输的弱面型裂缝与主导吸附气传输的基质型微裂缝共同构成;弱面逼近角、水平应力差以及压裂液黏度对SRV长轴的影响并非呈现单调性变化,逼近角的增加、水平应力差、压裂液黏度以及适当排量的降低会导致SRV短轴增加;水平应力差对裂缝相对激活程度的影响也并非呈现单调性变化,弱面逼近角、压裂液黏度以及排量的增加会引起基质型微裂缝相对激活程度、激活裂缝总长度的增加以及弱面型裂缝相对激活程度的降低。

含软弱带岩基上拱坝的应力计算及可靠度分析

拱坝结构的可靠度分析,主要的困难在于考虑坝基岩体材料的不均匀、不连续性,本构模型的弹塑性以及庞大的计算工作量。为解决上述困难,应用弹塑性模型,通过拱坝确定性的应力计算与分析,进一步明确可靠度分析的主要区域和需要研究的关键问题,然后应用响应面技术计算有关区域的可靠度并获得可靠指标的变化规律。在对一拱坝结构计算分析的基础上,针对拱坝建基面和基岩内软弱带区域进行可靠度计算与分析,得出可靠指标的变化规律,验证这一分析方法的正确性和实用性。

转炉局域搅拌和混匀效果的水模型实验

为研究转炉的局域搅拌和混匀效果,以55 t转炉为原型,建立转炉水模型,在不同喷吹条件下,通过多点测量的方式,对转炉进行水模拟实验。结果表明:纯底吹条件下,底部中心处的混匀时间较短;顶吹条件下,底部中心处搅拌最弱;顶底复吹条件下,随着枪位的升高,熔池内4个测量点的混匀时间均先变小后增大,并找到平均混匀时间最短的底吹方式,在此底吹布置方式下的枪位为0.16 m时,侧壁面的上部和下部以及环流中心附近混匀效果较好,枪位为0.20 m时,底部中心处的混匀时间最短。进一步比较底吹对称布置和非对称布置下的搅拌和混匀效果可知,底吹喷嘴的非对称且集中布置更有利于改善转炉内流场,减少搅拌弱区。

考虑发育薄弱区对管涌发展影响的数学模型研究

为了揭示发育薄弱区对管涌发展的影响机制,进行了管涌砂槽模型试验和颗粒流数值模拟,建立了3组模型,以研究孔隙通道的空间发育对颗粒运移过程的影响,分析了土体内部细颗粒运移引起管涌破坏的动态过程。根据数值模拟结果,分析了管涌发展过程中试样细观及流体的变化规律,并与砂槽模型试验结果进行了比较,模拟与模型试验结果较吻合。结果表明,薄弱区越发育,压力分布调整的趋势越强,颗粒运移的趋势相应增加,达到破坏需要的时间越短。数值模拟获得的临界水力梯度与室内试验以及理论分析结果均比较接近,证明了采用颗粒流程序研究管涌问题是合理的,对研究存在薄弱区的砂土管涌现象具有明显的优势和广阔的应用前景。所揭示的结果有益于管涌机制的更深入研究。

先存薄弱带对帕米尔弧形构造带形成的影响:来自构造物理模拟实验的制约

帕米尔弧形构造带的形成与先存弧形薄弱带密切相关,这些先存薄弱带如何在印度-欧亚板块碰撞初期就被活化是地学界关注的科学问题。本文利用构造物理模拟实验,研究先存弧形构造薄弱带如何影响帕米尔弧形构造带的形成。本文依据相似性准则,设计了两组构造物理模拟实验,包括先存弧形薄弱带(对比模型)和先存弧形薄弱带加地壳滑脱层。实验结果表明:①先存弧形构造带上继承性发育从而形成帕米尔弧形构造带是完全可能的;②在先存弧形薄弱带而无滑脱层的情况下,变形逐渐由南向北传递,呈现典型的前展式的变形过程,最终变形到达先存弧形薄弱带的时间较晚;构造样式上主要表现为一系列南倾断裂控制的变形带不断向北增宽;所造成的地形格局总体上呈现向北单调递减的地形楔形态;③在先存弧形薄弱带而有地壳滑脱层的情况下,先存弧形薄弱带在变形初期就立即活化,之后变形带才表现出从推板向北逐渐传递的过程,最终当变形量足够大时,会在弧形薄弱带前缘形成前锋断裂;构造样式上,表现为一系列的冲起构造;所造成的地形格局总体上为山-谷相间的形态;④帕米尔北缘的先存薄弱带如果在新生代印度-欧亚板块碰撞初期就开始活化,必须存在滑脱层(解耦层)。该新生代早期的滑脱层是否存在、位于什么深度和界面仍有待于进一步研究。

弱电网下考虑装置死区效应时的逆变器并网电能质量分析

弱电网接入下,逆变器-电网级联系统的阻抗不匹配易导致逆变器并网系统的稳定性能降低。为建立更准确的逆变器输出阻抗模型,以LCL型并网逆变器为例,将装置死区效应考虑到并网逆变器建模中。同时,考虑长线路对地分布电容的影响,建立弱电网下长线路分布参数模型并分析其输入阻抗幅频特性。基于此,采用基于奈奎斯特稳定判据的阻抗分析法分析并网系统稳定性并计算其稳定裕度,研究随着死区时间和长送出线线路长度的增加并网系统稳定裕度值的变化规律,并利用PSIM 9.0平台建立相关仿真模型,证明了理论分析的准确性和可行性。

渤海普Ⅱ类稠油过渡带弱凝胶驱增油预测模型

为解决海上普Ⅱ类稠油(>350 mPa·s)弱凝胶调驱应用实例少、增油潜力预测难度大的问题,基于渤海BN油田调驱矿场实践,利用数值模拟方法研究了弱凝胶调驱相对于天然能量(边水驱)开发的增油量与8个静态参数的相关关系,基于拉丁超立方实验方法建立均匀设计样本集,并采用多元回归方法建立了过渡带调驱增油潜力预测模型。模型适用于渤海相似普Ⅱ类稠油油田,参数范围为平均渗透率(1000~9000)×10^-3μm^2、变异系数0.1~0.9、边水倍数1~20、注采井距100~500 m、净毛比0.2~1.0、地层原油黏度为200~1000 mPa·s、油层厚度4~20 m、生产井距内含油边界距离0~200 m。模型预测增油量与实际产量相对误差平均为2.5%,满足工程应用精度要求。

贝加尔裂谷构造发育的主控因素:基于地球动力学数值模拟

贝加尔裂谷位于西伯利亚克拉通和萨彦-贝加尔造山带的拼合部位,两侧岩石圈结构及流变性存在明显差异,区域构造演化过程复杂.通过数值模拟方法,正演贝加尔裂谷区岩石圈形变过程,探讨下地壳流变性及先存薄弱缝合带对贝加尔裂谷构造发育的影响.结果显示:裂谷伸展中心两侧岩石圈下地壳流变学性质差异导致应力向造山带一侧传递,裂谷两侧发育不对称的构造样式,其中造山带一侧主要为大区域的铲状断层,而在克拉通一侧主要为小范围的高角度正断层;当岩石圈拼合部位存在先存薄弱缝合带时,会限制应力向造山带一侧传递,导致造山带一侧断裂的发育规模减小,裂谷呈现“窄且深凹陷”的不对称构造特征.

复杂地质条件下隧道仰拱开裂病害分析与治理研究

公路隧道仰拱开裂、隆起等病害给隧道顺利施工和安全运营带来极大隐患。本文以杨林隧道为工程背景,建立隧道薄弱区受力模型,提出重心受力分析理论,并采用监控量测和质量检测相结合的综合分析方法对仰拱结构病害诱发机理进行研究。同时,针对隧道仰拱病害发生的主要诱因提出切实可行的治理方案,避免了灾难性事故的发生。本文研究方法可为复杂地质条件下公路隧道仰拱病害机理分析与治理提供依据。