岩溶构造对地埋管群换热效率影响数值模拟研究

地埋管是岩体热泵系统与地层直接交换冷热量的部分。岩溶地区含水构造复杂多样,对地埋管群换热储热有明显影响。对27根垂直地埋管群在无岩溶构造、岩溶裂隙构造、岩溶管道构造以及混合岩溶构造4种地质构造类型中的换热过程进行了模拟,并对比了岩体内温度场、埋管出口水温、热泵机组制冷系数(COP)以及单位井深换热量等参数的变化。结果表明:在制冷工况下,不同模型温度场中,岩体中存在岩溶裂隙构造或岩溶管道构造时,地下水流动对岩体热堆积有明显缓解作用;岩溶导水构造与地埋管的距离也是重要影响因素。模型运行到第1个制冷周期末期时,含岩溶裂隙构造岩体和含岩溶管道构造岩体的进出口水温差比混合岩溶构造岩体的分别升高了0.87、4.00 K;无岩溶构造岩体进出口水温差比混合岩溶构造岩体的下降了1.16 K。无岩溶构造岩体、岩溶裂隙构造岩体、岩溶管道构造岩体和混合岩溶构造岩体的COP分别为7.2、7.4、7.8和7.3;单位井深换热量分别为64.1、90.3、130.7和79.1 W/m。研究结果表明,岩溶导水构造明显增强了地埋管群的换热效率,不同的地质构造类型对地埋管换热效率的影响也不一样。      

基于裂隙形状函数的自然环境高温下花岗岩裂隙尖部非线性温度场

高温环境下,南方地区隧道洞口段岩体温度波动剧烈,长期累积作用引起隧道热病害。针对岩体裂隙尖部热传导性质非线性,应用格林函数法和镜像法建立裂隙岩体三角形热源函数表达式,计算裂隙尖部温度场,并分析裂隙形状参数和裂隙间相互作用的影响。计算表明,太阳辐射时段内裂隙岩体内部较不含裂隙岩体内部温度高;相同长度的三角形裂隙,顶角越大岩体温度变化幅度越大;对于平行裂隙与共面裂隙,间距越小裂隙尖部温度场叠加效应越强,间距越大温度值越趋于单裂隙温度值。裂隙岩体比不含裂隙岩体温度传递快,温度等值线围绕裂隙呈现,裂隙周围温度明显升高。研究结果为高温环境下隧道洞口裂隙岩体热应力分析提供理论依据。     

温度梯度作用下非饱和土水分迁移研究

为了探明非饱和土中的水分在温度梯度作用下的迁移规律,开展了非饱和土在不同温度梯度作用下的气态水迁移试验和混合态水迁移试验。试验结果表明土样内部的温度场在24 h内均能达到稳态且稳定后的温度场沿土样长度方向线性变化。气态水迁移量和液态水迁移量均随着温度梯度的增加而增加,气态水迁移量的增幅显著大于液态水迁移量的增幅。在气态水迁移中,温度效应随着土样初始含水率的增加而显著增加;在液态水迁移中,温度效应与土样初始含水率的关系不大。最后建立了非饱和土在不同温度梯度作用下,当其水分场接近稳态时,土样内部含水率梯度的表达式,该表达式包含温度梯度和初始含水率两个影响因素。     

稀疏非正交填充裂隙岩体水流—传热—应力模型与离散元模拟

为研究填充裂隙水流速度对岩体温度和应力的影响,选取甘肃北山地区的花岗岩,制作了稀疏非正交裂隙岩体模 型,采用河砂填充裂隙后进行模型试验;并对模型试验进行离散元数值模拟,分析了模型试验所测岩体温度和热应力与数 值模拟结果的差异和原因。结果显示：填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力,无填充时岩体温度和热应力比填砂时低;模 型试验和离散元模拟均表明,岩体温度和岩体应力随裂隙水流速度增大而减小,但是系统达到稳态所需要的时间变短;模 型试验中斜裂隙水流对温度场起主要作用;由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化,进而产生自然对 流换热,斜裂隙水流和靠近热源侧的竖裂隙水流对温度场起主要作用。     

温度-湿度-荷载综合作用下路基冻融过程试验研究

为了研究季节冻土路基内部温度场、水分场及应力场综合效应的变化特性,基于自主研发的温度-湿度-荷载综合模型试验测试系统,进行室内路基模型的冻结与融化循环试验,分析了冻融循环过程路基内部土体水、热及力学性能的变化特性.试验表明:冻结过程中,初期温度变化大,温度梯度从顶端向底部逐渐递减;路基顶冻结后,0℃冻结锋面不断往下移动,0℃分界线两段内温度梯度差异大;路基含水率分为冻结区未冻水含量似稳定段、过渡区未冻水快速相变段、未冻结区含水率减小段.融化过程中,温度变化先大后小,未冻结水含量与温度大小相关,路基内部含水量呈现中间增大,两端减小的情形.水热综合作用下,应力场表现:冻融过程中,路基回弹模量随着冻结深度的增大呈线性增加,随融化深度的增加而减小;路基回弹模量随冻融循环次数增加而衰减,当达到6次时,衰减趋于稳定.结果表明,土体水热耦合作用是影响路基土体力学性能的关键因素.     

稀疏非正交填充裂隙岩体水流—传热—应力模型与离散元模拟

为研究填充裂隙水流速度对岩体温度和应力的影响，选取甘肃北山地区的花岗岩，制作了稀疏非正交裂隙岩体模 型，采用河砂填充裂隙后进行模型试验；并对模型试验进行离散元数值模拟，分析了模型试验所测岩体温度和热应力与数 值模拟结果的差异和原因。结果显示：填砂裂隙强化了裂隙介质的热导能力，无填充时岩体温度和热应力比填砂时低；模 型试验和离散元模拟均表明，岩体温度和岩体应力随裂隙水流速度增大而减小，但是系统达到稳态所需要的时间变短；模 型试验中斜裂隙水流对温度场起主要作用；由于现有3DEC软件不能考虑水的热物性参数随温度的变化，进而产生自然对 流换热，斜裂隙水流和靠近热源侧的竖裂隙水流对温度场起主要作用。     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

桌子山煤田构造控水机理研究

查明地质构造对桌子山煤田岩溶地下水的控制规律和矿井突水的影响,基于大量地质原始资料和矿井突水资料,进行理论分析和现场实测。研究表明：桌子山煤田以近南北向的压扭性主构造和东西向的张性次级构造构成立体网格导水体系,地质构造不仅控制着岩溶地下水系统的边界,而且直接影响水动力条件。地质构造越复杂,岩溶裂隙越发育,富水性也越强,西北地区第一例岩溶陷落柱即在此体系内形成。断裂构造与突水点位置联系紧密,中小型突水点多位于东西向小断层附近,中型以上突水点多位于东西向和南北向断层交汇处的地下水强径流带。     

利用孔中温度场分布确定堤坝渗透流速的热源法模型研究

地下水温度场是研究地下水运动的一种良好的天然示踪剂。库水或河水发生集中的强渗漏时,由于库水、河水与地下水之间的温度差异,渗漏水必将对周围地层温度产生影响。本文对这种由于热源运动而产生的影响进行研究,将渗漏通道看作是一个线热源,利用虚拟热源法推导出了地层中过余温度公式,提出了一个利用孔中温度分布研究堤坝渗漏的简化模型。利用该模型可以计算出堤坝渗透流速,为工程加固提供科学依据。     

填砂裂隙岩体渗流传热模型试验与数值模拟

选取中国高放射核废物地下处置库重要预选场区--甘肃北山地区的花岗岩,加工组合成规则裂隙岩体,将垂直裂隙用粒径为0.5～0.63 mm的砂土填充,进行了裂隙水渗流传热试验;对模型试验进行了数值模拟,进而计算分析了热源温度、裂隙水流速和裂隙开度变化对裂隙岩体模型稳态温度场的影响。模型试验表明,当热源温度维持在120 ℃时,裂隙水仍无相变,裂隙岩体模型稳态温度场分布规律与热源温度为95 ℃时一致;热源温度越高,热源的水平影响距离越大,模型达到稳态需要的时间越长;裂隙填砂加强了裂隙两侧岩石之间的热传导,热源的水平影响距离和模型到达稳态需要的时间均明显大于无填充裂隙岩体模型的情况。模型试验得到的岩体模型温度场与数值计算得到的岩体模型温度场规律一致。试验过程中裂隙岩体模型在边界上存在一些热量散失,无法与数值计算中的绝热边界条件等同,致使试验数据低于数值计算值,并且热源温度越高,两者之间的差异越大。模型试验和数值计算均表明,邻近热源侧的裂隙水渗流对模型的温度场分布起控制作用,而远离热源侧的裂隙水渗流则主要影响该侧的边界温度和模型达到稳态所需要的时间。数值参数敏感性分析表明,裂隙水流速与裂隙开度越大,裂隙水对水平传热的阻滞作用越明显。     

重庆永川煤矿煤岩热物性参数特征

煤岩热物性参数是矿井降温、防灭火治理工作所需要的重要基础资料。以重庆永川煤矿为研究对象,采用井下现场测定和实验室测试对该矿目前采掘区域内煤岩密度、比热、导热系数、导温系数以及原始温度、地温梯度等参数进行了测试。测试结果表明,在矿井标高-400 m水平,煤岩样的密度、比热、导热系数、导温系数均处在正常范围之内;在标高-357~-438 m,煤岩密度、比热、导热系数、导温系数不随标高的变化而变化。在标高-400 m水平,煤岩原始温度为35~36℃;矿井恒温带深度以下,-400 m水平以上的地温梯度为2.32/℃ hm,-400 m水平以下的地温梯度值为2.65/℃ hm,存在一个稍微递增的趋势,但仍然处于正常地温梯度范围。结合矿井地勘资料确定煤岩原始温度的实测值较理论计算值偏小,但误差不超过3%,精度符合工程实际要求。      

裂隙岩体不均匀冻胀性研究

隧道冻胀力是引起隧道冻害的主要原因之一，隧道冻胀力主要由围岩不均匀冻胀引起。裂隙的存在会对岩体不均匀冻胀产生进一步影响，因此推导了岩体不均匀冻胀系数 的计算公式，并获得岩体不均匀冻胀系数 的相关规律。（1）岩体不均匀冻胀系数随裂隙与冻结方向的夹角? 的增大而增大。（2）温度梯度增加，岩体的不均匀冻胀系数 增加，岩体的不均匀冻胀性增强。（3）裂隙率对岩体不均匀冻胀的影响需要考虑到裂隙与温度梯度夹角?，当裂隙与温度梯度的夹角? 较小时，岩体不均匀冻胀系数 随裂隙率的增加而减小；当裂隙与温度梯度的夹角? 较大时，岩体不均匀冻胀系数 随裂隙率的增加而增大。（4）裂隙对岩体不均匀冻胀的影响程度与岩体的岩性有关，裂隙对孔隙率小的岩体影响较大。根据推导的裂隙岩体不均匀冻胀系数计算公式，计算得到了不同岩性不同级别含裂隙围岩的不均匀冻胀系数范围，从而，在寒区隧道设计中可以更精确地计算隧道围岩作用于衬砌上的冻胀力，对寒区隧道工程的设计具有重要作用，对路基、边坡等寒区工程冻胀力的研究也可起到推动作用。     

岩体水力学基础(五)——岩体渗流场与应力场耦合的裂隙网络模型

岩体是由裂隙和其间的岩块组成。当岩块处于近乎隔水状态时，岩体中的渗流可看作为裂隙网络流。本文通过分析岩体裂隙网络渗流场、应力场以及它们之间的相互力学关系，提出了岩体渗流场与应力场耦合的裂隙网络模型及数值计算方法。     

基于热声发射技术的陕北火烧岩烧变温度识别

开展火烧岩烧变温度的识别对于火烧岩的形成及演化具有重要的指导意义。基于热Kaiser效应,通过火烧岩在热处理过程中的声发射累计能量以及参数RA(上升时间/振幅)和AF(平均频率)值的变化,对陕北神木张家峁火烧岩的阈值温度进行了预测。结果表明:火烧岩热声发射特征能有效识别火烧岩烧变温度,与火烧岩经历温度的岩相学分析基本一致;研究区火烧岩存在显著的地层烧变温度梯度,第1—第5层岩石烧变阈值温度逐渐升高,对于第6层和第7层岩石,最高温度超过700℃,对于第8层岩石,阈值温度为245℃;当热处理温度较低时,岩石内部沿晶拉张裂纹发育,超过600℃后,穿晶剪切裂纹所占比例开始增加,声发射信号出现二次增长,同时声发射出现平静期,累计能量曲线出现多个平台。火烧岩烧变温度的识别,对于煤矿防治水及围岩稳定性研究等具有重要的现实意义。      

壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明：（1）在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;（2）裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。     

Characteristics of deuterium excess parameters for geothermal water in Beijing

This study investigates the characteristics of geothermal water in 10 geothermal fields in Beijing. The relationships between the deuterium excess parameter (d) and temperature, depth, age of geothermal groundwater, groundwater flow field, and Eh were investigated using geothermal groundwater samples. Results showed that (1) the average d value of geothermal water is 5.4, whereas that of the groundwater in normal temperature is 6.04. The differences are induced by the oxygen isotope exchange during the water–rock interaction, which may be more easily completed in geothermal water than in cold groundwater. (2) The d value increases remarkably with the age of the geothermal groundwater. The d value increases from 11.2 to 14.6 when the age of the geothermal water is 12,760 ± 130 a and 38,960 ± 630 a, respectively. Moreover, the isotope heat exchange for composition of the hydrogen and oxygen isotopes in the geothermal groundwater proceeds sufficiently with time. (3) The d value decreases from 5.72 to 3.03 when the depth increases from 125.13 to 3221 m. Generally, in the same area, the d value decreases with depth because the temperature is increasing. (4) The d value of the groundwater gradually reduces from the northern recharge area to the southern discharge area. The average d value is 7.31 in the northern recharge area and 5.68 in the middle Beijing Depression, whereas the d value in the southern area of Fengheying is ?9.20. The larger difference in d values between the recharge and discharge areas is due to the slower velocity of underwater flow, which induces longer time for oxygen exchange. (5) The relationship between the d and Eh is complex. When Eh is <200 mV, the d value of the geothermal water decreases with the decrease in Eh. When Eh is higher than 200 mV, the d value increases slightly with the decrease in Eh. The study of the characteristics of deuterium excess parameters for geothermal water could provide a scientific isotopic evidence for assessment and exploitation measures in geothermal groundwater systems.     

The influence of paleoclimatic events on the functioning of an alpine thermal system (France): the contribution of hydrodynamic–thermal modeling

Numerical models of the Aix-les-Bains thermal aquifer (France) were used to investigate the influence of Quaternary paleoclimatic events on the current thermal state of the groundwater. Initial numerical tests were successful in that present-day fluid flows (heads and flow rates) and the resulting velocities were compatible with residence time data. Water flowing through an aquifer cools the rock mass; therefore, the rate of water flow governs the outlets temperature. For the Aix-les-Bains aquifer, applying present-day flow rates to the entire history of the aquifer leads to much more substantial cooling of the rock mass than is indicated by the outlets temperature (i.e. present-day flow rates are 10 times too high). This suggests that the aquifer may have gone through alternating functioning phases, during which the rock mass cooled, and blocked phases, during which the aquifer reheated. Other results indicate that the main parameters affecting thermal behavior during a functioning phase are the total inflow volume, rather than individual inflow rates, and the initial heat field. As phenomena linked to glaciation can lead to the blocking of infiltration zones and aquifer outlets, the findings suggest that the hypothesis of intermittent aquifer functioning related to glaciations is compatible with the current thermal field.     

Simulation of heat transfer performance using middle-deep coaxial borehole heat exchangers by FEFLOW

Due to its large heat transfer area and stable thermal performance,the middle-deep coaxial borehole heat exchanger (CBHE) has become one of the emerging technologies to extract geothermal energy. In this paper,a numerical modeling on a three-dimensional unsteady heat transfer model of a CBHE was conducted by using software FEFLOW,in which the model simulation was compared with the other studies and was validated with experimental data. On this basis,a further simulation was done in respect of assessing the influencing factors of thermal extraction performance and thermal influence radius of the CBHE. The results show that the outlet temperature of the heat exchanger decreases rapidly at the initial stage,and then tended to be stable; and the thermal influence radius increases with the increase of borehole depth. The heat extraction rate of the borehole increases linearly with the geothermal gradient. Rock heat capacity has limited impact on the heat extraction rate,but has a great influence on the thermal influence radius of the CBHE. When there is groundwater flow in the reservoir,the increase of groundwater velocity will result in the rise of both outlet temperature and heat extraction rate. The heat affected zone extends along with the groundwater flow direction; and its influence radius is increasing along with flow velocity. In addition,the material of the inner pipe has a significant effect on the heat loss in the pipe,so it is recommended that the material with low thermal conductivity should be used if possible.     

矿山水文地质结构及其采动响应

本文以谷德振先生创立的岩体工程地质力学理论为指导,在水文地质结构概念的基础上提出了矿山水文地质结构的概念,结合我国煤矿的宏观地质背景及矿山水害的研究基础,基于矿山水文地质结构对矿山水害类型进行了重新划分。从突水水源、导水通道以及采掘活动3个致灾危险源出发,结合矿山突水溃砂灾害、底板突水实例,对矿山水文地质结构的采动响应进行研究,为矿山水害防治和矿山安全地质工作提供了一种新的思路和途径,显示了岩体工程地质力学在煤矿水文地质工程地质研究中的重要指导作用和强大的生命力。