高温岩体地热钻井施工关键技术研究

 高温岩体地热开发中首先需要解决的问题是深钻施工。根据中国高温岩体地热资源赋存的地质特征,在试验研究、理论分析和数值模拟的基础上,提出高温岩体地热钻井施工中三大关键技术问题：钻井围岩稳定性控制技术、高温高压破岩技术、高温高压钻井液技术。进而从高温岩体地热开采中钻井围岩失稳的主要因素、热力耦合作用下钻井围岩流变特性、高温高压下钻井围岩变形破坏规律与失稳临界条件,提出高温岩体地热深钻施工中钻井围岩稳定性控制技术。通过对高温高压下花岗岩中冲击破岩、切削破岩、冲击–切削复合破岩的试验研究及不同温度下3种破岩方式的比较,获得高温高压下3种破岩方式的破岩规律。最后从高温对钻井液的影响、地热钻井对高温处理剂的一般要求、钻井液的性能对井壁稳定的影响及应对措施,提出解决高温岩体地热深钻施工的钻井液技术要求。高温高压下深钻施工关键技术的研究,对于人类探索地球、开发地球深部的能源与资源具有重要的科学与工程意义。     

大型金属矿体开采地应力场变化及其对采区岩体移动范围的影响分析

根据金属矿地下开采引起的地应力场变化对岩体移动变形范围影响的工程实际，采用现场实测和数值分析方法，对深埋破碎金属矿体开采引起的地应力场变化及其对地质环境影响并导致岩体移动变形范围不断扩大这一客观现象进行了具体计算分析。结果表明，矿体开采后，随着采深的增加地应力明显增大，岩体移动变形的影响范围也随之而增大。另一方面，地应力场变化，尤其是水平方向的构造应力场变化和影响是不可忽视的。     

高温岩体地热资源模拟与预测方法

研究了基于三维稳态热传导理论并忽略对流换热及地质构造等次要因素影响的地温场与地温梯度场的反演方法。该方法可以在大尺度上数值模拟岩体中地温的空间分布状况,并预测高温岩体地热资源量。以云南省腾冲热海热田为例,模拟和分析了地质体的地温与地温分布梯度场的特点及其形成原因,并对热田高温岩体地热资源量进行了预测评价。提出的高温岩体地热资源模拟与预测方法具有重要的理论价值,研究结果可为热海热田地热资源的开发和利用提供参考。     

开采扰动岩体力学性质变异试验研究与探测分析

 根据弹性模量变化定义岩体损伤变量,结合室内岩石单轴全应力–应变循环加、卸载试验,探究岩石损伤过程中电阻率的变化,获得岩石单轴压缩各个阶段电阻率的变化规律,分析发现电阻率与弹性模量以及抗压强度之间的变化关系符合对数数学模型,可实现用电阻率变化表征岩体损伤变量。同时,利用刚性试验机进行大理岩三轴压缩试验,研究不同损伤状态下抗剪强度的变化规律,试验结果显示,不同损伤状态下弹性模量与抗剪强度变化关系符合对数数学模型,且整体变化规律差异不大。根据上述研究结果,最终建立损伤过程中电阻率、弹性模量、抗压强度及抗剪强度之间的经验公式,实现用电阻率变化表征扰动岩体的力学性质变异。最后,利用抚顺东露天矿边坡现场高密度电法探测结果,得出边坡地层开采扰动前后视电阻率变化,代入经验公式估算出扰动边坡岩体的力学参数,为进一步分析井工开采扰动边坡的稳定性提供岩石力学参数选取依据。     

低应力环境岩体软弱夹层的渗透特征

低地应力是指在一定边界条件下最小应力值低于自重场应力最小值的现象.通过近几年的研究发现,我国西部特殊构造部位有低地应力存在.低地应力区软弱层带十分发育,岩体呈现明显的各向异性和强透水性,断层泥在软弱层带中的含量少,且多不连续,起不到很好的阻水作用;而次生张裂带最容易产生渗透变形和渗透破坏.在低地应力环境条件下岩体中软弱夹层对水利水电工程的建设和运营起控制作用,所以一定要采取相应的措施加以处理.     

岩体裂隙分维数与岩体强度的相关性研究

以岩体裂隙分布的分形规律为基础,采用数值计算方法,研究了岩体的单轴抗压强度与岩体裂隙分维数D的关系.结果表明,岩体的单轴抗压强度的对数值与岩体裂隙分维数D呈负线性关系.此结论对岩体工程的设计、施工以及稳定性的评判具有指导意义.     

赣龙铁路梅花山隧道围岩应力及岩体模量研究

基于赣龙铁路梅花山隧道围岩应力以及围岩岩体模量实测结果,对隧道围岩应力分布特征、围岩模量的分布特征、围岩应力集中区向深部转移特性以及开挖方式对围岩松弛区影响进行分析。研究结果表明:(1)梅花山隧道是以构造应力为主的高地应力区;(2)围岩的应力集中区向深部发生了转移,水平孔应力集中区范围为5.9~11.9 m,铅直孔应力集中区范围为7.9~15.9 m。围岩应力集中区向深部转移后,其应力集中度大为降低,水平孔最大主应力集中度为1.87倍,铅直孔最大主应力集中度为1.23倍。(3)采用光面爆破隧道壁松弛范围为0~5 m,底板没有采用光面爆破松弛范围为0.0~7.2 m。松弛区相同深度水平孔岩体模量值及应力值均比铅直孔岩体模量值及应力值大。应力峰值的转移,改变了围岩应力场分布规律,为隧道支护提供一种思路和方法,具有很好的工程应用价值。     

随机介质固热耦合模型与高温岩体地热开发人工储留层二次破裂数值模拟

在高温岩体地热开发中,针对岩石矿物组分及其分布的不同,将热膨胀系数作为随机介质,在平面应变模型下,建立了随机介质的温度场和应力场耦合数学模型,并推导了该耦合问题的有限元格式。在正态分布、韦伯分布 2 种随机分布下,进行了高温岩体地热开发数值模拟试验,揭示了岩体温度场和应力场的特征及变化规律。研究表明,热膨胀系数的概率分布形式对岩体热破裂规律有重要影响。     

大柳树坝址松动岩体波速特征研究

一般大型工程均首先考虑避开强震区，因而对强震区内岩体破坏的研究较少。大柳树坝址位于VⅢ级潜在震源区，岩体受到多次历史地震的破坏，其特征与一般岩体有明显区别，为松动岩体。岩体弹性波速度是组成岩体的岩石性质、岩体结构、赋存环境的综合反映。针对大柳树坝址进行了大量的现场波速测试，其中涮壁波速测试261段，洞间穿透波速65个扇面，CT穿透波速6个剖面。与其他坝址对比发现，大柳树坝址岩体波速明显偏低，整体上与其他坝址风化带或断层带波速相当，而且其洞壁波速、洞间岩体穿透波速、洞间岩体CT穿透波速均无明显差别，这是松动岩体波速特有的特征。通过岩体弹性波速与岩体基本质量评分BQ的比较发现，二者有良好的线性关系，波速反映了测试范围内的岩体质量。     

三峡永久船闸高边坡深部岩体变形及地应力变化特征

为了解三峡永久船闸施工期及运行期深部岩体的变形及地应力变化特征,利用已有的8#勘探平洞,预埋多点位移计及地应力监测传感器,实施了近10 a的中隔墩岩体变形全过程及3 a施工期岩体地应力变化监测。根据深部岩体变形监测结果,对船闸施工期间及通航以来中隔墩岩体的变形发展特征进行了分析;其次基于地应力变化监测成果,研究了实测的岩体应力值与数值模拟结果、变形值反演结果之间的关系。     

雄胜高温岩体地热开发的数值计算进展

主要介绍日本电力中央研究所为秋田县雄胜高温岩体地热开发试验项目——近年开发的热-水流动藕合数值计算源程序GEOTH3D的原理、特点、应用现状和尚待改善的一些问题，并结合国际上其他相关软件的进展情况，对下一步可能的工作倾向进行了探讨。     

四川地区盐岩蠕变规律研究

四川盐岩地层对套管的影响主要表现在盐岩层的蠕变流动造成深井套管在较短时期内受到超常外挤压力而被挤毁，如广深一井，座三井等，经济损失十分严重。因此，盐岩地层蠕变规律研究是一项重要的基础工作。为此，研制了能加温加压的常规三轴蠕变实验装置，对深层盐岩进行常规三轴蠕变实验，获得蠕变曲线和岩石参数，建立盐岩的本构关系。在此基础上，采用有限元分析方法研究盐岩地层蠕变对井下套管的作用，得到蠕变载荷随井深，非均匀载荷井深系数，地应力不均匀系数的变化关系。研究结果对生产实践有重要的指导意义。     

高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐矿水溶开采或盐岩溶腔储库建造过程中,石膏岩夹层在温度与含Cl－盐溶液长时间共同作用下的力学特性,进行主要内容包括石膏岩在40℃,70℃半饱和、饱和盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度试验,通过对比分析揭示石膏岩在这一特殊条件下的力学特性。主要结论如下：随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,石膏岩强度呈降低弱化趋势。浸泡60 d后石膏岩单轴抗压强度弱化系数为0.10～0.73;弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40 ℃半饱和溶液中的5.92 GPa降至70 ℃饱和溶液中的0.21 GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40 ℃环境下的0.64～0.66 MPa,降至70 ℃环境下的0.27～0.47 MPa。在70 ℃饱和盐溶液中浸泡60 d之后,石膏岩莫尔–库仑剪切强度拟合方程为 °,而相同条件下浸泡30,80 d之后的剪切强度拟合线性方程分别为 °, °。随浸泡时间的延长,石膏岩的黏聚力与内摩擦角均呈降低趋势。为区分石膏岩在不同条件下的破坏方式及其差异,定义岩石变形破坏脆性指标--破坏刚度,将其近似为岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后破坏段斜率。实测结果表明,在干燥、40 ℃半饱和到70 ℃饱和溶液几种条件下,石膏岩的破坏刚度分别为704.4,690.1,218.9,255.2,19.5 GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。本研究对深入揭示石膏岩水力学特性及指导层状盐岩矿床储库溶腔控制溶解建造具有重要理论意义与应用价值。     

岩溶坝区溶蚀岩体的渗透性变异研究

通过对溶蚀岩体渗透变异特性的研究,提出了一种确定渗透性变异的方法,即基于“3σ法则”的误差传播函数法。先根据“3σ法则”求得溶蚀岩体统计变量的端点,再利用误差传播函数法基于立方定律求得溶蚀岩体的渗透性变异。将裂隙岩体与孔隙溶洞区别考虑,补充和完善了克立格随机场理论和Vanmarcke 相关性理论对岩土参数变异的研究。基于现场灌浆平硐揭露的工程地质统计资料,对清江水布垭工程左岸帷幕线上部分段进行了渗透性变异的量化研究。研究结果表明,该方法简单适用,且在确定岩溶坝区渗透参数的统计量基础上,可进行随机渗流计算。     

高地应力软岩隧道合理支护方案研究

 基于高地应力软岩隧道明显流变效应的特点,提出在喷锚网支护的基础上增设U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的支护方案。利用建立的U型钢连接件力学模型和围岩与支架接触模型,分析2种支护方案下,宜昌-巴东(宜巴)高速公路峡口高地应力软岩隧道的长期稳定性。研究表明：(1) 建立的U型钢可压缩支架的连接件力学模型和围岩与支架之间的接触模型可以很好地反映支架缩动性与摩阻力之间的关系;(2) U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的联合支护既可以吸收围岩的流变变形,减小二次衬砌上的形变压力,又可以提供稳定的支护力,有利于高地应力软岩隧道的长期稳定。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

黄土地区浅埋暗挖三连拱地铁隧道围岩压力特征研究

 为准确认识黄土地区浅埋暗挖三连拱地铁隧道围岩和支护体系在施工过程中的应力变化规律,以西安地铁二号线工程为依托,开展较大规模的现场测试工作,对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及各测试部位围岩压力随施工进展的变化规律进行研究。研究结果表明：先开挖洞室初期支护各部位(仰拱位置除外)所受的围岩压力均大于后开挖洞室初期支护所承受的压力;隧道拱顶与仰拱底部围岩压力随开挖跨度的增大而增大;左、右线中隔墙底部因承担了较大的上部土体荷载而受力最大;二次衬砌施作后初期支护结构受力整体增大;初期支护与二次衬砌承受的荷载比例分别为52.81%和47.19%,设计时可按50%进行取值;先行施工的各部位围岩压力随后续洞室的施工均出现增长趋势。     

夏热冬冷区建筑热环境研究

夏热冬冷区属暖温带气候 ,是亚热带和温带的过渡地带。冬季气温虽不很低 ,但阴雨天气多 ,日照率低 ,空气潮湿 ,寒气透骨 ;夏季空气温度很高 ,连晴高温时间长 ,湿度大 ,闷热难熬。开展这一区域建筑热环境状况和建筑节能结构研究 ,探索其热传递机理和节能指标体系的优化方法 ,对推动夏热冬冷区建筑节能具有极其深远的意义。１建筑结构的热传递机理和节能指标优化方法建筑热工设备可分为连续运行和间歇运行两大类。在连续运行的热工设备中 ,连续的热流通过围护结构与外界发生传递 ,造成热能的损失。热损失与围护结构中材料的热阻（Ｒ）成反比。…