深部岩体力学与开采理论研究进展

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”和“强时效”的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了“高保低损”型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。

粤港澳大湾区地热资源潜力评估

粤港澳大湾区是中国参与全球竞争的重要空间载体,为平衡其区域经济发展对能源的需求与生态环境保护问题,大力开发地热资源是一种重要的途径。作者从大地构造、地层岩性和地温场特征分析入手,论证了大湾区赋存地热资源的可能性,综合考虑深部地温、岩石热物理性质和大地热流值等要素,通过建立网格单元对水热型和干热岩型地热资源量进行定量评价,并识别圈定地热资源高值区。初步研究结果表明:1)大湾区深、大断裂交汇发育,花岗岩广布,形成了有利于地热赋存和输送的地质环境,大地热流值也印证了该区域存在地热异常和良好热源。2)通过地温估算发现,当地层深度在1.3 km以下时,地温能达到70℃以上;当地层深度在5 km时,地温在168.81～233.61℃,干热岩具有较高的开采价值。3)大湾区5 km深度范围内,地热资源总量为5.83×1017 kJ,采收率取30%,预计可获取的地热能折合标准煤5.94×10~9 t,同时减少排放4.04×10~9 t的CO_2。4)地热资源赋存相对高值区主要沿东北向深大断裂带分布,集中在佛山、中山、江门、深圳和香港局部地区,单位面积上的资源赋存量为5.19×10~5 t/km2标准煤,建议为地热勘察与开采的重点区域。

基于弥散燃料颗粒开裂的金属基体裂纹特征模型

金属基弥散燃料元件在特殊工况下会发生表面起泡失效。燃料颗粒开裂是金属基体开裂的前提条件,只有当金属基体开裂后元件才会发生表面起泡。燃料颗粒开裂后,裂纹宽度和塑性区长度等裂纹特征决定了金属基体开裂行为。基于弹塑性断裂力学和应力平衡条件,建立了基于弥散燃料颗粒开裂的金属基体裂纹特征模型。计算结果表明:裂纹张开位移随退火温度和燃耗深度的升高而增加;裂纹尖端塑性区长度主要与退火温度相关。裂纹张开位移和塑性区长度的计算结果与实验数据均符合较好,验证了金属基体裂纹特征模型的有效性。

基于可视化的固态电解质材料机器学习筛选与预测

【目的】随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出,能源消费领域电气化进程将进一步加快,其中在储能技术领域,锂电池是当前最具发展潜力的技术之一,已被广泛地应用在国民生活的方方面面。传统的锂电池所采用的液态电解质存在漏液、易燃和爆炸等多方面的潜在安全隐患,能量密度和安全性更高的固态电解质被认为是代替液态电解质的理想解决方案。当前,寻找具有高离子电导率等特性的固态电解质材料仍然是当前的研究热点。【应用背景】传统的材料研究采用“试错”模式,基于已知经验与材料物理化学特性进行假设,然后进行实验验证,通过对上述过程的反复迭代,最终找到目标材料。上述过程耗时费力,限制了相关材料的研发进程。近年来,机器学习等方法被广泛引入并用于新材料的研究中,但却缺少辅助工具帮助材料领域专家分析和理解机器学习模型,并实现对满足特定性能需求的材料预测。【方法】在这种背景下,我们基于可视化相关技术,建立了材料数据可视分析系统,期望促进材料科学家更高效地寻找高性能固体电解质材料。【结果】我们基于可视化技术对多种机器学习算法的结果进行重构和展示,并通过不同视图对材料之间的关系进行可视化对比和分析,结合我们实验分析得到的一些案例,最终给出了预测。【结论】最终,经过材料实验反馈,证实了部分预测材料的优良性能,验证了该系统的有效性。

基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型

根据弥散燃料颗粒开裂后裂变气体的3种释放途径,分别建立了裂纹连通释放模型、气泡连通释放模型以及原子扩散释放模型,综合得到了基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型,并采用该模型对裂变气体释放量进行了计算。结果表明:裂变气体释放量主要由裂纹连通释放途径贡献;燃耗深度越高,裂变气体释放量的增加速率会越大;随着退火温度的增加,裂变气体释放量迅速增加,而退火时间越长,裂变气体释放量的增加速率越低。通过裂变气体释放量模型计算得到的裂纹宽度与实验观察到的裂纹宽度符合较好,对比结果验证了基于弥散燃料颗粒开裂的裂变气体释放模型的合理性。

金属基弥散燃料元件失稳肿胀的静态弹塑性模型

针对金属基弥散燃料元件金属基体开裂导致的失稳肿胀,在不考虑粘塑性变形情况下建立了裂纹面的静态弹塑性模型,采用有限元模拟对静态弹塑性模型进行了验证。当金属基体发生全屈服后,其主要变形方式从弹性变形转变为塑性变形;根据金属基体的主要变形方式,分别建立金属基弥散燃料裂纹面的弹性变形模型和塑性变形模型;结合内应力与弯矩的平衡条件,获得了裂纹面弹塑性变形的临界转变条件。弹性变形模型和塑性变形模型的计算结果与有限元模拟结果符合较好,验证了金属基弥散燃料失稳肿胀的静态弹塑性模型的有效性。