您好,欢迎来到岩土力学与工程国家重点实验室!
文章列表
  • 文章列表
  • 单页内容

科研方向

您现在的位置: 科研方向>科技动态
  •       5月17日,由国家能源投资集团和二氧化碳捕集利用与封存产业技术创新战略联盟共同主办的第五届中国CCUS技术国际论坛在北京未来科学城举办。论坛现场同期召开了《中国碳捕集利用与封存技术发展路线图(2019版)》(以下简称“2019版路线图”)发布会。来自中国科技部和国家能源投资集团的领导、两院院士、外国专家、科研机构和各大企事业单位代表等600余人参加了此次会议。 

      碳捕集利用与封存(CCUS/CCS)是指将二氧化碳(CO2)从工业排放源中分离后或直接加以利用或封存,以实现CO2减排的工业过程。CCUS是未来我国减少CO2排放、保障能源安全、构建生态文明和实现可持续发展的重要手段。 

    2011年,科学技术部社会发展科技司和中国21世纪议程管理中心共同发布了《中国碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展路线图研究》报告,有力推进CCUS技术研发和示范。近年来,CCUS技术本身及其发展环境都发生了显著变化。国内外应对气候变化的新形势要求对 CCUS技术重新定位,以促进生态文明建设和可持续发展战略的实施;CCUS技术内涵的丰富和外延的拓展,需要进一步明确发展方向,以有序推进第一代捕集技术向第二代捕集技术平稳过渡;CCUS技术的迅速发展使社会各界对CCUS认知度不断提高,亟待加快调整CCUS技术的发展目标和研发部署,为相关政策的制定执行和项目的顺利实施提供科技支撑。 

      作为2019版路线图的编写召集人和领衔专家,中国科学院武汉岩土力学研究所李小春研究员应邀出席本次会议,并做了“《中国碳捕集利用与封存技术发展路线图(2019版)》解读”的主旨演讲,分别从CCUS技术发展的新形势、路线图编制的原则和方法、愿景及目标、实现路径、集成示范与行业应用、支撑政策和保障措施6个方面对《路线图》进行了详细阐述。 

      李小春研究员指出:“2019版路线图的突出特色是考虑了各种CCUS技术的综合效益,而不只是单纯考虑减排贡献。同时,2019版路线图具有很强的全面性,将多个仍处于早期研发阶段的CCUS技术也包括进来,目的是通过《路线图》推动新兴CCUS技术的发展。”主旨演讲结束后,李小春研究员对多家新闻媒体的提问一一作出解答。 

      李小春,博士生导师,武汉岩土所CO2地质封存学科组组长,长期从事温室气体减排技术-CO2地质埋存与利用技术研究。李小春研究员还是中国能源学会常务理事、中国岩石力学与工程学会理事、四个中英文学术期刊的编委、科技部及自然科学基金委国际合作项目评审专家、国家科技进步奖评审专家。同时,还担任了ISO CCS标准技术委员会第五工作组召集人。并受邀在日本、德国、美国、我国科技部、科学院和国内数十个企业及大学进行了学术报告,为我国温室气体减排政策的推进和公众意识的提高作出了积极的贡献。经过多年的努力,他的团队初步建立了我国地质封存技术的系统概念和开发战略,诸多研究成果被气候变化框架条约组织政府间专门委员会、自然资源保护理事会、气候组织等广泛引用。先后获中澳二氧化碳地质封存杰出贡献奖、国土资源科学技术奖一等奖、美国能源部2015年度FE能源奖和湖北省科学技术发明等诸多奖励。 

      此次,《中国碳捕集利用与封存技术发展路线图(2019版)》的发布,将为我国加强CCUS相关技术研发、推进CCUS集成示范工程的建设发挥了关键性作用。此外,CCUS的进一步强化研发和推广作为我国应对气候变化的重要措施之一,具有保障国家能源安全和保护环境生态的双重意义。 



    MORE
  •        对于诸如引水隧洞、交通隧道这样的超大规模深埋地下工程而言,岩石力学方面的关键科学问题可以归结为两大类:即高地应力脆性岩体中的岩爆和深埋有压引水隧洞的长期稳定性。前者直接危害施工安全和工程进度,因此受到了普遍关注。得益于大量的研究成果,岩爆风险目前可以得到有效控制。而随着施工期的结束,这些工程的长期稳定性逐渐成为工程首要关心的岩石力学问题 

      针对硬岩中地下工程长期稳定性的问题,中国科学院武汉岩土力学研究所提出了一种新的评价方法,该方法结合理论、室内试验、现场监测数据等多种方法。具体途径为:首先对采用无损取样制得的岩样进行破裂时效室内试验,得到破裂时效拟合式和临界驱动应力比;继而采用精密的CPM簇单元模型建立可以考虑脆-延-塑转换特征的硬岩岩样数值试样,标定其微观参数,并进行室内破裂扩展试验的PFC模拟,以确定其破裂扩展中的应变、裂纹类型、数量等特征;最后,建立工程尺度的破裂扩展PFC模拟,研究不同岩性、不同埋深下,运行期内硬岩地下工程的破裂情况,并根据工程寿命内破裂扩展情况对工程长期稳定性进行判断。 

      传统上对于地下工程的长期稳定性,多针对当前的研究成果多集中于流变性状较为显著的软岩上,如盐岩、煤岩等,对于大理岩、花岗岩等脆性岩石的研究成果则相对不足。本研究的相关成果可望为硬岩地下工程长期稳定性评价提供有益的参考。 

      本研究相关成果发表于国际工程地质与环境协会会刊《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》,第一作者为武汉岩土所崔臻副研究员。 

    论文链接:1

    用该方法预测的隧洞围岩开裂情况


    MORE
  •        深埋软岩隧道的修建一直是世界级的技术难题。由于软岩隧道围岩软弱破碎、自稳性差,在施工和运营过程中经常易出现围岩大变形、塌方失稳及衬砌病害等典型工程灾害,给深埋隧道的设计、施工及灾害处理带来了严峻的挑战。因此,开展软岩隧道施工开挖前的准确围岩动态变形及应变测试是为软弱隧道提供合理支护设计及灾害控制的关键前提。 

      由于软岩隧道的地质变形极为突出,加之现有测试技术和量测设备的局限性,中国科学院武汉岩土力学研究所施工过程力学组陈卫忠研究团队研发并试制出一种三向的光纤光栅预埋式应变砖传感器,并在此基础上,建立了一套能动态测试软岩隧道围岩扰动应力的现场测试系统,该系统能较准确的测试出软岩隧道开挖时的松动圈压力,为隧道的支护设计和安全控制提供重要依据。目前该系统已在宜巴高速公路的软岩隧道中得到成功应用。 

      本研究相关成果发表于国际测试技术领域期刊《Measurement Science and Technology》,第一作者为武汉岩土所伍国军副研究员。 

      论文链接 


    MORE
  •        近年来,面对着巨大的油气缺口,积极进行页岩气勘探开发的相关研究显得十分必要。我国四川盆地页岩气储量丰富,对比分析美国典型页岩气盆地地质特征,一些专家认为四川盆地下志留统龙马溪组页岩具有较好的页岩气生烃潜力。然而,由于页岩具有致密、低孔隙度、低渗透率的特点,页岩气一直难以得到高效的勘探和开发。水力压裂技术是页岩气开发的有效手段,通过液压碎裂增加储层宏观渗透率,从而达到页岩气增产目的。1985年起,水力压裂开始广泛应用于页岩气的开采,但压裂过程中裂缝的扩展规律及裂缝动态扩展的监测与控制仍是研究难点。国内外专家学者一致认为,页岩气高效开采必须重视页岩的破裂和损伤演化机制研究。 

      基于以上科学问题,中国科学院武汉岩土力学研究所基于室内试验和数值模拟,研究了川南龙马溪组页岩不同应力条件下的脆性破坏特征。岩土力学与工程国家重点实验室首先对龙马溪组页岩进行单轴压缩试验,获取岩石基本力学参数及声发射活动特征(图1a)。随后基于离散单元法建立数值模型,通过研究不同破坏阶段声发射与岩石细观破裂的对应关系,验证所建模型的合理性(图1b)。最后,利用该模型模拟不同围压下的三轴压缩试验,研究龙马溪组页岩在不同应力条件下的脆性破坏形式和特征应力的变化规律。 

      研究结果表明,该龙马溪组页岩脆性矿物含量高,强度大,脆性特征明显。在不同应力条件下该龙马溪组页岩发生脆性破坏时具有相似的破坏特征,且峰值强度符合Mohr-Coulomb线性规律。当加载到岩石损伤应力以前,微裂纹的分布无明显方向性和区域性,该时微裂纹的分布应与岩石的非均质性有关;损伤应力后微裂纹的萌生、聚集和贯通将受应力影响(图2)。页岩的特征应力(起裂应力、损伤应力、峰值强度)与围压表现出强相关性,但围压对峰值应力的影响程度比对损伤应力和起裂应力的影响程度更大(图3)。该结果是由于在裂纹稳定扩展阶段,微裂纹独立产生无相互影响,而峰值应力还需考虑微裂纹间的相互作用及形成的宏观破裂面粗糙性的影响。该基础性研究结果可为页岩气开发过程中动态监测及开发方案制定提供一定参考依据。 

      本研究相关成果发表于本学科ESCI期刊《岩土力学》,第一作者为武汉岩土所直博士申海萌,通讯作者为武汉岩土所李琦研究员。该研究成果得到国家自然科学基金面上项目(No. 41274111)资助。 

        论文题目:川南龙马溪组页岩不同应力条件下脆性破坏特征室内实验与数值模拟研究

        论文链接:1

    图1 页岩单轴压缩室内试验结果(a)及数值模拟结果(b) 

    图2  岩石单轴压缩破坏过程微裂纹分布及微裂纹增长曲线

    图3 不同应力条件岩石特征应力


    MORE
  •        深部急倾斜巷道开挖易导致严重的偏压变形、坍塌和底臌等形变灾害,给巷道的稳定造成极大的安全威胁。锚固支护在急倾斜地层巷道的稳定中发挥着重要作用,但关于锚杆在急倾斜地层巷道中的支护机理目前尚不清晰。 

      为揭示急倾斜地层巷道锚固的应力传递机理,中国科学院武汉岩土力学研究所施工过程力学组提出了针对急倾斜地层巷道支护的现场锚固试验技术,并进行了长期的自动化数据监测工作。通过试验研究,揭示了锚杆杆长方向与岩层层面的交角对锚杆轴应力分布的影响规律,提出了急倾斜地层巷道中锚杆轴力的变化规律及突变点和在急倾斜地层中开挖巷道的关键锚固支护措施。该试验技术在国投新集三矿中得到了成功应用。 

      本研究相关成果发表在国际隧道权威期刊《Tunnelling and Underground Space Technology》,第一作者为武汉岩土所伍国军副研究员。 

    论文链接:1


    MORE
  •        多孔介质渗流-应力耦合模型(Biot模型)在岩土工程领域有着重要应用。岩土结构的响应是固体骨架与孔隙流体之间相互作用的结果。为了预测结构行为,常常采用有限元法对Biot方程进行数值求解。然而,当流体或固体不可压缩或接近不可压缩以及多孔介质渗透系数非常小时,方程变得病态,引起数值解的不稳定,出现孔隙流体压力紊乱的现象。要解决这个问题,所采用的单元需要满足Babuska-Brezzi条件或其等价的Zienkiewicz分片插值试验条件。遗憾的是,我们经常采用的等阶插值形式的常规有限单元(如双线性四边形Q4P4单元,图1)并不满足上述条件,无法保证计算的稳定性。为此,通常是换用位移插值函数比孔压插值函数高一阶的二次单元(即Taylor-Hood单元,如Q9P4,图1)来保证“安全”。虽然通过增加中间节点的办法增强了单元弯曲性能,同时也保证了耦合求解的稳定性,但这样带来的前处理和计算的开销却几乎成倍增加。因此,为了保证计算效率,基于低阶单元(如Q4P4单元)的多孔介质流固耦合有限元稳定化求解技术一直被研究者们所关注。 

      中国科学院武汉岩土力学研究所土动力学组李文涛助理研究员,长期致力于多相孔隙介质多场耦合高效数值方法的研究。基于局部投影稳定化算法,提出了多孔介质流固耦合稳定化有限元方法。该方法规避了常规混合有限元需要满足的Babuska-Brezzi条件,对等阶插值的线性单元有很好的适用性。利用合理的稳定化系数,在该方法中成功地嵌入了离散极值原理(DMP)。通过对经典的Biot固结算例的模拟分析,并与常规的Q4P4单元和Q9P4单元的计算结果进行对比,测试了稳定化的Q4P4S单元在多种情况下的性能表现。结果表明,与Q4P4单元表现出的全局震荡和Q9P4单元表现出的局部震荡不同,这里提出的稳定化单元Q4P4S具有良好的稳定性和单调性,在结构和非结构网格情况下都工作良好,计算结果与解析解得出的结果完全吻合。算例结果充分说明了该有限元稳定化求解技术能够完全消除数值求解过程中的孔隙压力震荡现象,大幅地提高了有限元方法求解Biot方程的计算精度和稳定性。 

      以上工作发表在期刊International Journal for Numerical Methods in Engineering上。 

     论文链接:1

    图1. 不稳定的Q4P4单元和稳定的Q9P4单元

    图2. Terzaghi固结算例:第一个时间步孔隙压力的竖向分布

    图3. Mandel平板压缩固结算例:采用稳定的Q4P4S单元时不同时刻孔隙压力的水平分布

    图4. Cylinder圆柱压缩固结问题:加载开始时孔隙压力分布图(Δt = 1s)


    MORE

联系我们

电话:027-87198413
邮编:430071
地址:湖北省武汉市武昌区水果湖街小洪山2号

官方微信

返回顶部

鄂公网安备 42010602001893号

0.1250s