天然气水合物降压分解传热特性分析

天然气水合物广泛存在于海底和冻土等极地环境中,是未来潜在的新型天然气能源.降压开采天然气水合物适合于大规模工程应用,边界传热是影响天然气水合物分解速度的重要因素.研究了天然气水合物降压开采的控制机理,建立了二维开采模型,分析了实验室小尺度下不同边界传热条件对天然气水舍物降压开采过程中温度、压力、饱和度以及产气率变化的影响.结果表明,水合物降压开采需要边界能量输入,边界绝热时产气总量为完全分解时的1/36,边界温度越高,水合物分解越快,边界温度为277.45K时分解速度为275.45K时的2.5倍,产气率越快,但对产气总量影响不大.     

水合物合成电容特性与降压开采二维实验研究

在天然气水合物二维开采模拟系统基础上,进行了水合物原位生成及分解过程的实验研究,探讨了温度、压力及电容的变化特性;开展了天然气水合物降压开采二维实验研究,得到了二维开采过程中各参数的动态变化规律,并对敏感因素进行了评价.在水合物合成过程中,随水合物饱和度的增加,水量的不断减少,电容量总体减小趋势明显.降压开采表明在二维平面上存在一定的压差与温差,其中温降随与开采井的距离增大而减小.产气过程分为流动阻力控制、分解速率控制以及残余气体采出三个部分,主要受分解速率和流动阻力共同影响.     

不同夯击方式下地表土体振动衰减规律研究

利用ABAQUS有限元软件建立大变形冲击模型,对6000kN·m能级不同夯击方式下的强夯引起的环境振动进行数值模拟研究,得到了离夯点不同距离处地表土体的加速度时程曲线,通过分析,获得了不同夯击方式下地表土体的振动衰减规律.结果表明:强夯引起的加速度随时间迅速衰减,周期在0.5s左右,强夯振动属于中低频范畴,同一夯点多次夯击时不会出现振动的叠加现象;不同夯击能组合、不同夯锤半径对"近场"及"远场"地表土体加速度的影响不同,对地表土体的振动衰减规律的影响也有所不同.     

充填步距对地表移动变形特征的控制影响

为了研究充填开采步距对覆岩移动及地表建筑物变形的影响,首先,采用弹性地基梁理论,建立了顶板的位移方程,并采用力学等效转换,推导得出了顶板最大跨距、控顶距与充填步距间的数学关系式,进而得到充填步距的理论计算公式;其次,根据地表建筑物的特性及对变形形式的敏感分析,得到建筑物的抗变形限值,并进一步计算得出地表沉陷的最大允许值,反算出顶板位移值,按照推导公式计算分析,得出顶板跨距及相应的充填步距.从而建立了充填步距与地表建筑物变形之间的相互关系,通过调整充填步距,达到控制顶板位移和地表沉陷以及保护建筑物的目的.通过实例应用分析,在设定地表水平变形为1 mm/m的变形限值时,得出充填步距为6.4 m,当井下充填步距设为该值时,实测地表下沉为237 mm,且水平变形值小于预设限值,达到了良好地控制地表移动变形及保护地面建筑物的效果.     

黄土地区某深基坑变形数值模拟分析

为了研究黄土深基坑在开挖进程的地表变形和支护结构水平位移变化规律,对咸阳地区某深基坑变形进行了监测,并运用有限元软件plaxis进行了分析计算.现场实测结果与计算结果吻合较好.在此基础上,分析了采用锚拉排桩支护的黄土深基坑在逐步开挖过程中支护结构的水平变形及地表变形规律.结果表明:随基坑逐步开挖及锚杆逐层施加,支护桩桩身水平位移增长趋势由线性变为非线性,水平位移最大点逐渐下移,曲线渐变近似呈"弓形";地表土体水平位移、竖向位移及影响范围均随开挖深度的增大而增大,与竖向位移相比,水平位移值大,影响半径大,沿地表衰减速度慢.     

海洋封存二氧化碳最佳注入深度与液滴大小

大气中大量温室气体的排放特别是二氧化碳,已被广泛认为是造成全球气候变化的主要原因.研究结果显示,将二氧化碳封存到海洋是可行的,二氧化碳水合物水是需要考虑的重要问题.关于二氧化碳水合物在海水中的生成、扩散、溶解规律,不同的学者提出了不同模型与结论,但仍有很多不确定因素.通过数值模拟分析得出,封存过程中二氧化碳的释放速率、溶解速率和上升速度都是需要考虑的重要参数,液滴半径越小或者注入深度越浅时,其溶解速率将会越快.在同一深度下液滴由大半径溶解成小半径时,在海水中的溶解速率将越来越快.液滴在海水中并非以同一速度往上运动,而是与液滴的大小和位置有关.当注入深度增加时,可允许溶解的液滴半径随之增加,其中当注入深度在1 800m时,可允许最大液滴半径为1.0cm,在1 000m深度下,可允许最大的液滴半径为0.5cm.     

超深地连墙施工对软弱地层扰动现场试验研究

为研究软土地层中超深地连墙施工对周边地层扰动影响,对苏州地铁5号线某车站地下连续墙施工进行现场监测研究.针对3幅相邻槽段施工,采用现场监测对施工过程中的土体侧向位移、地表沉降、分层土体沉降、周边建筑物沉降和土压力变化进行观测.发现单幅施工过程中,成槽开挖施工对地层扰动最大,地层变形显著;混凝土浇筑会对土体产生应力补偿,抑制地层变形;在混凝土硬化阶段,土体应力轻微释放,地层变形继续发展并趋于稳定.地层变形规律表明,浅层土体受扰动较大,土体变形较明显,最大土体侧向位移发生在地表,离槽段越近,沉降越明显,深层土体受到扰动则较小.相邻槽段施工对地层变形累积增加,但变化幅度较小.现场地连墙施工引起的周边建筑物沉降和倾斜均在可控范围内.     

垂直管内水合物浆液流动特性的CFD-PBM数值模拟

深海天然气水合物在固态开采过程中,当温度、压力平衡被打破时,开采管路中的水合物浆液由液固(水合物颗粒、海水)两相变为气液固(天然气、水合物颗粒、海水)三相的流动。以水合物浆液的气相为主要研究对象,采用CFD-PBM模型对气泡行为变化进行Fluent模拟,并对该模型进行了验证,模拟结果与实验值吻合度较高。结果表明,PBM模型模拟的浆液流态分布较为均匀,气泡的大小在流动过程中主要从小气泡到大气泡;气泡的初始速度对管道水利提升速度影响较大;在浆液湍动能为0.5 m2/s3、气含率为0.3时,气泡会出现二次聚并破碎。通过CFD-PBM计算得到水合物浆液体系中气泡大小分布能够较好的预测水合物颗粒分解出气相后的浆液流动特性。     

放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动规律研究

放顶煤开采时上覆巨厚砾岩层垮落直接影响综放工作面的安全生产,为了研究放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动规律,以河南大有能源股份有限公司耿村煤矿综放工作面特厚煤层及其上覆巨厚砾岩层为工程背景,采用相似材料模拟试验,研究了放顶煤开采时上覆巨厚砾岩层变形移动全过程。结果表明:(1)随着煤层开采,依据巨厚砾岩层裂隙场的特征,巨厚砾岩层变形移动和垮落的全过程分为下位和上位垮落过程,其中下位砾岩层初次断裂时垮落体形态为梯形,上位砾岩层断裂控制着地表的变形;(2)当工作面停采后,巨厚砾岩层裂隙演化发展具有较明显的时间效应;(3)下位砾岩层初次垮落步距650. 0 m,周期垮落步距175. 0 m,上位砾岩层初次垮落步距825. 0 m,地表下沉系数0. 267。研究结果可为耿村煤矿巨厚砾岩层下综放开采提供安全技术支撑。     

瓦斯水合物分解热力学研究

通过可视化实验设备研究了5组Ⅱ型瓦斯水合物分解热力学条件，利用Clausius—Clapeyron方程、数值分析理论、傅立叶定律及传热方程，建立了水合物分解热计算模型和水合物分解传热过程简化模型；计算了水合物分解热；明确了水合物分解过程中所需热量，煤层／空气传热介质的温度梯度及分解耗时等因素的关系．结合抚顺煤田实际情况计算出当温度梯度为3．5K／m时，煤中14．64m^3／t瓦斯量生成的水合物分解需热量为600kJ，耗时117h．结果表明：水合物分解过程所需热量多、耗时长，证实了利用瓦斯水合作用防止煤与瓦斯突出的可行性．     

制冷工况下水平埋管换热器运行试验研究

通过夏季工况的地源热泵运行试验,对运行过程中水平埋管的换热性能参数、试验场地周围气象因素和换热过程中土体的温湿度变化等因素进行实时监测,探讨了地源热泵运行过程中水平埋管换热器热交换性能及其周围土壤的温、湿度场变化规律。研究结果表明,地源热泵间隙运行有利于土壤温度场的恢复,随着停机时间的增加,水平埋管与周围土壤的热交换能力明显提高;气候变化对水平埋管周围土壤的温度场分布具有显著影响,随着埋深的递减,土壤温度受气候变化的影响越明显;水平埋管周围土壤温度的变化幅度随着与埋管距离的增加呈递减趋势,其影响半径为1.0m左右;热交换对水平埋管周围土壤湿度场的影响不明显,但大气降雨引起的地表水入渗对土壤湿度场的分布具有显著影响。     

超软土真空预压透明土模型试验及土桩形成机理

吹填超软土真空预压加固地基过程中,塑料排水板周围易形成“土桩”,“土桩”的存在降低了其周围土体的固结效率,严重时甚至会导致地基处理失效；然而,对“土桩”形成机理的认识仍相对不足.为此,基于透明土材料和粒子图像测速法（PIV）,开展超软土真空预压透明土模型试验,非嵌入式地可视化测量真空预压过程中排水板周围土体位移场.结果表明:排水板周围的土体变形与排水速率存在联系,在排水高峰期和排水平稳期,排水板周围土体产生明显的水平位移,且产生水平位移的范围随抽真空时间的增长逐渐扩大.而在排水缓慢期,排水板周围的土体几乎仅有竖向位移；土颗粒在渗流力的作用下向着排水板方向移动并聚积在排水板周边,是造成“土桩”和“软弱带”现象的主要原因；浅层土体的颗粒较细、上覆土重较低,在渗流力作用下更容易发生向着排水板方向的位移,形成的“土桩”由浅至深半径逐渐减小,“土桩”的最大半径可达11 cm；“土桩”范围内的土体密度较“软弱带”土体的密度更高,在自重和“真空荷载”作用下的压缩量更小,在土体表面形成“桩头”.     

急倾斜煤层开采地表移动变形数值模拟

针对急倾斜煤层开采复杂的地质条件,对朝阳某煤矿分别选取了六种方案进行模拟,岩层依次变软,得出六种方案的水平和竖直方向的地表变形曲线及模型在x、y方向的等值线图.结果显示:方案一和方案二的最大值分别为0.026 85 m、0.049 39 m;方案三和方案四的最大值分别为0.066 75 m、0.089 4 m;方案五和方案六的最大值分别为0.134 1m、0.260 3 m.可以得出随着弹性模量的减小也就是随着上覆岩层的变软,地表水平和竖直方向的位移都逐渐增大,影响范围也逐渐变大;地表变形的最大值并不在采空区的正上方,而在采空区法线方向与地表的交点左右.可以为研究急倾斜煤层的开采及变形移动规律提供理论支持.     

渗流对基坑变形及应力的影响

目的研究基坑的变形和应力在分步开挖的过程中受渗流的影响,分析基坑的变形和应力在考虑渗流和不考虑渗流时的差别．方法对基坑开挖卸荷与支护的过程用Fish语言编程,用FLAC3D进行数值模拟实际施工情况．在考虑渗流影响和不考虑渗流影响两种情况下,首先计算了基坑的水平位移数值解,并将坑顶位移的计算值和实测值对比,计算分析了坑底隆起和周围土体应力应变受渗流的影响．结果渗流会使基坑水平位移、竖向位移和周围土体沉降值增大,这对于基坑稳定是不利因素．渗流最明显的作用是使基坑内部和外部的水平位移都有所增大．渗流作用使基坑支护结构外侧土体竖向有效应力增大,使坑底支护结构内侧土体的竖向有效应力减小,因而增大了土体作用在支护结构上的横向作用力．结论渗流会使基坑的水平位移和坑底隆起变大,也会使周围较远的地面沉降值增大,同时会增大土体作用在支护结构上的横向作用力．     

埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟

针对天然气管道不同损伤过程中的泄漏扩散问题,利用FLUENT软件,建立CFD仿真模型,研究了泄漏口大小对天然气泄漏扩散范围的影响。以山区与城镇交界处的天然气埋地管道为例,考虑风速随高度的变化和关闭阀门后泄漏率随时间的变化,对天然气泄漏扩散进行数值模拟,编写导入FLUENT的UDF程序并对风速和泄漏率进行了修正。实例计算结果表明,扩散范围随着泄漏口的增大而变大,在泄漏口直径为6.35、25.40mm和101.60mm时,天然气爆炸下限距地面高度分别可达92、122m和408m,天然气爆炸下限下风向距泄漏口的水平距离分别可达322、770m和1 291m;由于天然气受管道上层土壤的影响而损失大量湍能,因此泄漏气体在地表和土壤中扩散时,泄漏气体在地表的扩散范围大于在土壤中的扩散范围,其中泄漏口直径为101.60mm时扩散范围最大,天然气爆炸下限下风向距泄漏口的水平距离在地表和土壤中最大分别可达80m和105m。     

基于MEMS传感阵列的海底地形形变原位监测装置

为了满足南海天然气水合物资源试采环境评价的迫切需要,提出基于微机电系统（MEMS）传感阵列的海底地形形变监测技术及装置.开发基于MEMS传感阵列的多点同步采集系统,在实验室理想环境测试中,实现30 m×30 m区域的地形原位监测,地形形变监测分辨率优于5 cm且监测误差小于13 mm.构建三维海底地形变形矢量模型,利用MEMS传感器的扭转角和各节的长度确定传感阵列变形后的空间位置,采用细分算法拟合获得地形的表面形态.所提海底地形形变监测装置在水深为1 203 m的天然气水合物试采区完成连续6个月的原位监测.海试结果表明,MEMS传感阵列观测到的地形最大沉降量为2 cm,最大抬升量为10 cm.     

跨地裂缝带云轨桥梁结构变形与力学特征

地裂缝作为西安市典型城市地质灾害,给城市交通建设带来了巨大潜在危害,引起工程界的高度关注。以西安市高新区云轨示范线工程跨地裂缝带为研究背景,基于有限元数值模拟,分析了云轨简支梁桥正交跨越地裂缝带轨道梁、桥墩及桩基础等结构的变形与受力特征。结果表明:地裂缝错动作用导致云轨轨道梁产生竖向沉降差异,跨地裂缝段竖向位移差异和水平位移最大,其水平位移最大约为地裂缝位错量的1/4; 桥墩出现竖向沉降,且向地裂缝带倾斜,其顶部水平位移上盘大于下盘,水平位移最大约为地裂缝位错量的1/3; 地裂缝两侧桥梁桩基础产生以水平位移为主的倾斜变形,土体对下盘桩产生正摩擦力,对上盘桩产生向下的负摩擦力,下盘桩受压,上盘桩受拉。上述研究结果可为桥梁跨地裂缝带工程设计与防灾减灾提供参考和指导。     

Influence of Underground Mining on Ground Surface and Railway Bridge Under Thick Alluvium

1 Introduction Ground surface movements, induced by under- ground mining as a kind of man-made geological ca- tastrophe, has been a major issue of geoenvironmental concern[1]. These not only destroy farm land and building structures but also influence the biological environment. Study of the pattern of mining-induced ground movements and its variation over time is very important for the protection of buildings. Up to now, some patterns of ground movement over mining areas have been known, but …     

冻结法凿井冻结壁内外部冻胀力的工程实测及分析

在郭屯矿、郓城矿冻结法凿井过程中,开展了冻结壁内、外部水平地压的现场实测研究.结果表明:地层冻结过程中,冻结壁内、外部产生了极其显著的水平冻胀力;最大冻胀力达到初始水平地压的0.8～1.23倍,普遍介于0.9～1.1倍之间;导致冻结壁外载最大达到甚至超过初始水平地压的2倍.井筒掘进过程中,冻胀力发生了不同程度的释放,冻结壁外部残余冻胀力约为最大冻胀力的0.45～0.60倍,使冻结壁外载约为初始水平地压的1.5倍.冻胀力的积聚与释放,加剧了井筒掘砌过程中冻结管与冻结壁的受力与变形,并使冻结压力接近甚至超过初始水平地压,是威胁冻结凿井安全的关键因素.