增强地热系统研究现状:挑战与机遇

开发地热资源,尤其是深部干热岩地热资源,是加快能源结构转型,顺利实现“双碳”目标的重要途径。增强地热系统经历了50余年的发展,在深部地热资源开采方面取得了丰富的研究成果和施工经验。回顾增强地热系统的发展历程,总结热储特征、储层改造以及示范项目的终止原因,分析商业化面临的挑战,探讨未来的探索方向和发展机遇,能够有效服务我国深部地热资源开发和示范项目的建设。在经历研究和开发阶段后,增强地热系统进入示范和商业化的飞速发展阶段,截至2021年末,世界累计的增强地热系统数量已达41个,累计发电装机量为37.41 MW;储层地质条件的复杂性和差异性以及现有改造技术对储层原位地质环境的依赖性,难以形成“可复制”的热储改造模式,由此导致的热储质量差等问题是制约增强地热系统发展的主要原因;建立典型的干热岩增强地热系统示范项目或探索基于采矿技术的增强地热系统,突破热储改造对原位地质条件的依赖性,形成“可复制”的深部地热资源开采体系,是增强地热系统未来的发展方向,也是实现深部地热资源大规模商业化的关键出路。      

湿度扩散诱发的节理岩体时效变形特性研究

湿度对岩体结构性能的影响显著,不仅造成岩体物理力学性能弱化,还在一定程度上产生湿涨变形,进而改变岩体的应力状态,大大增强岩体的时效变形特性。为了分析节理岩体在高湿度环境下的时效变形,采用湿度-应力-损伤耦合数值模型对水敏感岩体隧洞开挖后的变形量、围岩内的湿度扩散,以及应力演化进行了数值分析。通过对单组和2组节理岩体的变形、应力、湿度扩散的分析,揭示了节理弱面对湿度扩散和岩体变形的强化作用。开挖隧洞拱顶和底板变形量的分析结果表明高湿度环境是水敏感岩体隧洞产生底鼓的重要原因之一。湿度扩散引起隧洞顶部和底部围岩产生大量破坏,致使相应部位的位移量陡增。此外,单组节理对岩体的湿度扩散的方向起到明显的导向作用,而多组相互斜交的节理则在一定程度上削弱了湿度扩散的各向异性。     

2000 m大直径超深竖井新型凿岩提升悬吊系统设计

为满足大直径超深竖井快速安全施工的需求,结合当前竖井施工存在的技术问题,从设备选型、系统布置和安全措施三个角度对凿岩提升悬吊系统进行设计。本系统采用ⅤⅡ型凿井井架、超深竖井凿井提升机等新型设备,建立提升装置安全监控系统以实现大直径超深竖井快速安全施工的目标。结果表明,新型提升悬吊设备与安全监控系统配合使用,在三山岛金矿超深竖井施工中实现了井筒月进尺120 m的良好效果,提高了施工效率,保障了凿井安全,为超深竖井井筒施工提供了参考。     

含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析

利用新近开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程,从细观角度分析了不同宽度不连续面的岩石巷道在动力扰动下破坏的规律,并和未含不连续面巷道结构的相应情况进行比较,探讨了含不连续面巷道结构在动载荷作用下的力学特性,结果表明不连续面对应力波衰减作用明显,对巷道的稳定与破坏影响较大.     

断层影响下境界矿柱稳定性数值分析

露天转地下开采的矿山,其露天坑底境界矿柱厚度的确定,对于金属矿山地下开采安全生产极其重要。针对石人沟铁矿露天转地下设计资料和地质资料,运用RFPA进行建模,研究了地下开采对露天境界顶柱受力和变形情况,分析了境界顶柱的稳定性,为矿山设计提出的境界顶柱厚度进行了验证和补充,同时也为矿山设计施工提供依据和指导。     

围岩中原始垂直地应力对圆形隧洞全长注浆 岩石锚杆应力分布模式的影响分析

 通过分析原始垂直地应力对圆形地下洞室塑性区半径、围岩体塑性区和弹性区内岩体的位移变化以及对锚杆应力分布的影响,揭示原始垂直地应力对锚杆锚固效果的影响。研究结果表明,弹性区内任一点的应力大小与垂直地应力有关,而塑性区内任一点的应力与原始垂直地应力无关;随着垂直地应力的增大,巷道塑性区半径也在不断增大,二者之间呈明显的非线性关系;塑性区的径向位移及隧洞壁的最大位移也随之增大。同时,根据围岩与锚杆的相互作用,建立全长注浆岩石锚杆在圆形隧洞围岩中的应力分布解析本构方程。在此解析模型的基础上,对不同垂直地应力作用下锚杆的应力分布模式进行较详细分析,得出随着垂直地应力增大,锚杆的摩阻力和轴向载荷也随之增大,并且锚杆端部的应力集中现象更加明显,当锚杆端部的摩阻力超过围岩的容许抗剪强度时,则锚杆与围岩发生开裂破坏,故在设计与施工中应予以考虑。最后,提出提高和改善由于锚头开裂导致锚固效果降低的方法,对全长注浆岩石锚杆施加垫板,能有效改善锚杆的锚固效果。     

岩质边坡微震活动特征及其施工响应分析

 岩石高边坡稳定性是水电工程建设能否顺利进行的关键问题之一。锦屏一级水电站左岸边坡地应力高,断层裂隙发育,岩体卸荷深度大,地质条件复杂,边坡在施工期和运行期的稳定性问题十分突出。介绍左岸边坡微震活动特征,并对开挖卸荷过程微震活动性时空分布规律以及与不同时段、区域的施工工况进行对比分析,对岩石微破裂萌生、发育、扩展、聚集趋势与岩体损伤关系进行探讨,得到左岸边坡微震活动与施工响应之间的相互关系。结果表明：大坝基坑、煌斑岩脉置换斜井、1 670 m雾化区边坡排水廊道开挖和边坡弱层固结灌浆引起的深部岩体卸荷松弛而诱致微震活动性,可以很好地揭示和反映现场施工工况。研究成果可供其他类似岩质高边坡工程借鉴、参考。     

壁后注浆技术在思山岭铁矿副井施工中的应用

鉴于思山岭铁矿副井穿过含水层,且施工过程中井壁淋水问题突出,为保证副井正常施工与安全,对淋水段进行壁后注浆。根据思山岭铁矿副井岩层赋存特征及淋水现状,确定采用深孔高压注浆。对注浆材料、注浆配置、注浆压力和注浆设备等进行了设计,并对注浆施工的注浆顺序、注浆过程及注浆结束标准进行了探讨。实践表明,采用壁后注浆能够有效地封堵地下含水层的涌水,还可以起到加固竖井井壁的作用。     

采动诱发顶板岩层失稳过程的数值模拟方法

岩体的非均质性和各向异性是导致其变形非线性的主要因素。文章充分考虑岩体力学参数的非均质性和各向异性，利用ＲＦＰＡ２Ｄ程序分析了开采影响下的岩体破裂失稳过程，并对其破裂机理进行了分析。     

CONFINING PRESSURE EFFECT ON ACOUSTIC EMISSIONS IN ROCK FAILURE

Based on the phenomenon that acoustic emissions (AE) generated by rock massincreas uddenly because of underground excavation, time sequence of AE rate in rock failurehas been discussed by using statistical damage theory. It has been demonstrated that how theinfluence of confining pressure on the deformation behavior and AE characteristics in rocks can beinferred from a simple mechanics model. The results show that loading confining pressure sharplybrings out increasing of AE. On the other hand, few AE emits when confining pressure is loadedsharply, and AE occurs again when axial pressure keeps on increasing. These results have beenwell simulated with computer and show close correspondence with directly measured curves“ inexperiments.