深地工程多维信息感知与智能建造的发展与展望

随着大数据、云计算、人工智能等数字技术的加速演进,各领域智能化、信息化、数字化已成为未来的大势所趋。深地工程作为国家重大战略科技问题,必然面临智能化升级。然而,深部岩体“三高一扰动”的复杂特征给深地工程智能化转型带来严峻的挑战。为实现深地工程与数字技术的高效融合,研究基于“感知-传送-解译-分析-决策”的智能化实践路径,系统回顾了地下工程中智能感知、实时传输、信息解译、数据分析、智能决策等领域的代表性研究进展,并针对性提出了“多感知、快响应、大数据、优方法、精模型、强平台、易推广”的深地工程智能建造发展方向。研究表明:①前沿的深地工程感知技术包括:光纤传感器、MEMS传感器、计算机视觉、自动化机器人等,待数据采集完毕后,通过兼具配置简单、容错能力强、可移动性好等优点的无线通信协议完成数据的实时响应,以实现深地工程监测数据的精准感知与实时传输;②深地工程原位监测技术获取的数据类型主要包括图像、波、点云等,对原始数据解译及分析的模型众多,采用新一代的人工智能技术,如:人工神经网络和深度学习技术,可显著提高解译与分析的效率;③智能决策系统具备高效的学习能力,能够适应复杂环境下的不确定性,通过循环自主学习,以进行决策问题的智能解答。当前,我国深地工程智能建造的政策与产业体系已基本建立,大量智能建造系统已应用于实践。基于此,从智能感知与信息解译、围岩评价及安全评估、围岩控制与动态修复、平台开发及应用推广等4个方面展望了数智化深地工程的发展方向,进而构建了基于多源信息的深地工程围岩稳定性综合评价与分析系统构想。

深地科学与深地工程技术探索与思考

21世纪的深地科学进入了新的发展阶段,深地科学规律尚未探明,深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性,地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。因此首先从地球科学的视角定义了深地科学:以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象,旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度(深层和超深层)科学奥秘;理清了深地科学与地球科学的区别与联系:即深地科学是在已知地球科学知识体系上的延伸,是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向,包含于地球科学;定义了深部与深地工程科学的本质:即针对现有浅部工程的科学规律与技术无法适用于深部工程的难点,探索深部工程相关科学规律,突破深部工程关键基础科学问题,匹配人类在深部工程活动中的地灾防控需求,进而指导深部资源安全高效绿色开发、深部工程空间有效利用。提出深地工程技术定义,即指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备,为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。最后,进一步明确了深地科学的研究内容与规划,以及深地工程技术内涵与攻关方向(即深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深地隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维),以期促进深地科学领域的发展。

深部煤层原位保压保瓦斯取心技术装备及初步应用

深部煤层瓦斯含量精准测定是矿井瓦斯灾害防治和煤层气高效开发利用的基本前提。煤层传统取心技术普遍采用开放式取心,需利用估算方法获得煤层取心过程中的瓦斯损失量,难以保证煤层瓦斯原位参数的准确性和有效性。基于“原位保真取心”学术思想,开发了深部煤层原位保压保瓦斯取心技术,研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取心器,并基于三维数值仿真对取心器外管、保压舱体结构与关键薄弱部件进行了强度校核。同时,依托自主研发的保压取心实验室模拟测试平台,测定并分析了保压控制器的保压能力,通过煤矿现场试验验证了取心器的可靠性。研究结果表明:自主研制的取心器具有保压能力强、保压时间长、防扰动性能稳定等优势;取心器在内部流体压力20 MPa和1000 N m扭矩作用下等效应力为121.1 MPa,远小于材料屈服强度,满足强度设计要求;取心器在20 MPa荷载作用下等效应力为63.9 MPa,满足强度设计要求;取心器整体在19.4 MPa压力条件内可持续稳定运行,可以满足大部分深部煤矿瓦斯测试需求;现场测试表明保压保瓦斯取心器的保压控制器闭合情况良好,现场取心率达100%。研究成果可为深部煤层瓦斯含量精准测定奠定理论、技术和装备基础,对于煤矿瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发具有重要意义。

深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究

高温影响深部煤炭资源开采等工程活动,而传统陆地硬岩取心方法没有保温措施,忽略了温度对岩石物理力学性能的影响,导致获得的参数失真,影响深部煤炭等资源安全高效开采。为攻关深部岩石保温取心技术,提出采用环氧树脂基空心玻璃微珠材料作为保温材料应用于保温取心设备。开展了材料的物理、力学性能测试,结果表明:随微珠含量增加,保温材料导热系数呈显著下降趋势,但其力学性能出现弱化;同时,不同强度类型微珠含量增大时,保温材料力学性能降低,由于荷载承担对象的变化,会在不同体积分数处出现拐点;材料保温性能与强度是一对矛盾体,随微珠增加呈现出博弈竞争规律。为定量评价保温材料性能,定义了保温材料强度导热比,发现S60HS微珠体积分数为30%、40%、50%时的保温材料综合强度导热比分别为1.796、1.719、1.737,优于其他同类型材料,初步确定可以作为深部岩石取心保温材料。试验结果为深部岩石保温取心提供可能,进而为深部煤炭等资源开采提供支撑。

煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题,近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而,现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈,对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标,提出了负碳高效充填开采技术全新构想,系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵,提出和建立了由CO_(2)、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO_(2)Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想;提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上,明确了煤矿负碳高效充填开采“基础研究—技术攻关—工程示范”的“三阶段”发展规划,构建了煤矿负碳高效充填开采理论与技术体系构想;评估了煤矿负碳高效充填CO_(2)封存能力,可望实现煤炭负碳开采、低碳利用的煤炭开发利用全过程自身实现碳中和的新格局。

锦屏大理岩原位应力环境水软化特性分析

中国水电资源主要集中在西部高山峡谷地区,将水电站建筑物布置在极深洞室群常常是经济且较优的选择。受典型河谷地貌特征和区域强烈高地应力、高渗透压环境影响,极深洞室围岩力学特性演化规律和长期稳定性是亟需解决的关键科学问题。不同赋存深度应力环境下,水岩耦合作用对岩石力学性质的影响尚不明确,导致深部岩体工程面临一定的风险性和低效性。基于自主设计并研制的深部原位应力环境岩石饱水试验系统,开展锦屏大理岩原位应力环境与无压环境下饱水时长为1、23、60和100 d的水软化试验,并进行5组不同围压下的三轴压缩试验。研究发现:深部原位应力环境下锦屏大理岩饱水100 d后峰值强度劣化程度约为无压饱水100 d的3倍,其余力学参数(如内聚力、内摩擦角等)劣化度也远大于无压饱水条件;锦屏大理岩峰值强度劣化度随水岩耦合环境深度的增加(100、1000、1400、1800和2400 m)均呈现先减小后增大的非线性变化特征;通过探索锦屏大理岩水软化机理,发现摩擦弱化效应与孔隙水压力作用共同造就了锦屏大理岩峰值强度非线性变化规律。结果表明,原位应力环境下的水软化效应及其对围岩力学性质的影响更加突出,在对深部地下工程进行稳定性分析时必须考虑围岩水软化特性,该结论对锦屏地下工程的建设和维护具有重要的指导意义。

激光热裂砂岩可钻性及力学参数特征研究

目前浅部易开采煤炭资源逐渐枯竭,传统钻进技术在深层煤炭资源勘探开发时往往面临破岩效率低、钻进成本高和环境污染等问题。因此,亟需引入新型辅助钻井破岩技术破解此类难题。聚焦于新型激光辅助破岩技术,以坚硬砂岩为研究对象,系统开展了不同时长激光作用后砂岩的力学、可钻性试验,旨在探究激光作用下坚硬砂岩温度场时空演变特性、砂岩表面裂纹的扩展特征及力学参数和钻进效率。结果表明,随着激光作用时间的增加,砂岩表面裂纹由2条逐渐扩展为5条,裂纹面积由6.78 mm^(2)增加到36.85 mm^(2);温度场的演化特征符合高斯分布规律,由热熔融区向低热区呈环状递减,激光照射15 s后达到热平衡,温度场演化趋于稳定;激光照射50 s后砂岩抗压强度、弹性模量降幅最高分别可达74.6%、92.7%,轴向峰值应变从0.52%不断增加到1.65%,表明岩石经激光作用后呈现由弹性状态向半塑性/塑性状态转变的趋势;激光作用50 s后砂岩进尺速率由0.09 mm/s增加到4.30 mm/s,失重比由2.73%增加到27.36%;合理设置激光参数有助于提高破岩效率与降低钻进成本,在照射20 s时砂岩进尺速率和失重比增幅最大,此时可达到更快更经济的破岩目的;研究初步论证了激光辅助破岩技术的高效性与可行性,为深部高效破岩钻进技术提供理论基础。

煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型

传统煤层勘探方式采用开放式取心工具获取煤样,并通过理论估算的方式计算损失气。导致所测得的煤样含气量普遍偏低,严重制约煤层气开发利用,影响煤矿安全开采。为满足深部煤层勘探需要,创新设计了一款煤层地面井保压取心工具,工具总长6.7 m,单次可取保压煤心样品3 m。为提高深部煤层保压取心可靠性和成功率,构建了孔底液体环境下保压控制器闭合轨迹模型,并通过实验测试和理论推导获取了控制器触发弹片弹力转矩的变化曲线。为验证闭合轨迹模型的准确性,了解保压控制阀盖在钻井液环境下的翻转闭合过程,进行了保压控制器触发闭合室内实验。结果显示,实验所测得阀盖运行轨迹与理论计算结果的偏差小于5%,验证了模型的准确性。在此基础上,优化了煤层地面井保压取心工具内保压控制器触发系统,并在深度为30 m的试验井下,密度1.1 g/cm^(3)、黏度60 s的膨润土基泥浆环境中进行了8次孔底抽拉触发实验,保压控制器均能稳定闭合,成功率为100%,并能保证压力在14 MPa时连续工作至少350 min无泄漏,证实了保压控制器触发系统的可靠性。本文所建立模型可以实现井下保压控制器运行轨迹预测,进而可以针对不同钻井液体系设计、优化触发系统,从而提高深部煤层保压取心成功率。