深海矿物资源开发系统关键力学问题及技术挑战

海底矿产资源丰富,但环境复杂恶劣,对深海矿物资源开发系统构成极大的危害。本文简述了国内外深海矿物资源开采系统的发展进程及几种典型的深海资源开采系统,基于复杂多变的海况,提出了深海矿物资源开采系统所涉及到的关键力学问题及技术挑战,从矿物资源开采系统的总体设计及集成控制、采矿车采集动态性能控制、立管输送系统动态特性、环境监测与评价等主要关键部分概括了目前采矿系统所面临的技术挑战。

     

NEW STRUCTURAL DESIGN OF SPHERICAL PRESSURE HULL FOR DEEP-SEA SUBMERSIBLES:A MULTILAYER AND PRESSURE REDISTRIBUTION APPROACH

耐压壳是深海潜水器中最关键的结构,直接关系到潜水器安全性和总体性能.本文对当今的单层耐压壳结构设计进行了评述,并设计了一种基于分层/分压的新型耐压壳结构,该结构借鉴了自然界的两种深潜动物的结构：抹香鲸分层结构和鹦鹉螺隔片分割螺壳亚结构.综合了这两种结构特性的双层壳结构能够有效提高抗压能力,从而提升深潜能力.与以往单层球壳的耐压壳结构相比,该结构不仅提高了强度,也提高了抗屈曲能力.同时,该结构还兼具大容积、高可靠性、以及避免超厚壳制备上的难点等特征,使得深海潜水器的综合性能得到显著提高.新结构中的桁架将圆壳分割为若干个柱壳亚结构,本文针对此亚结构严格推导了桁架增强壳体抗屈曲的公式.从实验数据中总结出来的泰勒水池公式是目前广泛使用的潜水器壳体设计依据,新推导的公式与之相比只有6%的差别,这使得新型结构设计有了更坚实的理论基础.     

局部与整体水压法在水下饱和边坡稳定分析中的应用

针对以考虑土条侧向条间力来提高瑞典条分法的计算精度方法, 作者基于物理学思想, 提出了局部与整体水压法以进行水下饱和边坡稳定分析, 并采用该法对瑞典条分法中一对相互矛盾的"真假李逵" 式进行了辨析. 指出李鬼式精度低的原因在于直接提取土条顶面和底面水压力沿着竖向的分量来建立平衡, 而忽略了其沿着水平方向分力的影响, 并证明了局部与整体水压法在提高有水边坡计算精度和便捷度时具有的普适性.     

深海采矿系统悬链线立管动力响应分析 1)

基于有限元模型,模拟、分析深海采矿系统悬链线立管在海流和水面船运动约束下的动力响应。结果表明：悬链线立管的最大等效应力和最大位移随时间呈周期性变化,且存在半个周期的相位差;当水面船运动到最高点时,悬链线立管位移达到最大值。悬链线立管最大 等效应力和最大位移随水面船运动位移幅值的增加而增加,随运动周期的增加而减小。进一步对比发现,水面船运动位移和周期对立管等效应力的影响大于对其位移的影响。     

DYNAMIC RESPONSE OF THE CATENARY RISER IN DEEP-SEA MINING SYSTEMS 1)

基于有限元模型,模拟、分析深海采矿系统悬链线立管在海流和水面船运动约束下的动力响应。结果表明：悬链线立管的最大等效应力和最大位移随时间呈周期性变化,且存在半个周期的相位差;当水面船运动到最高点时,悬链线立管位移达到最大值。悬链线立管最大 等效应力和最大位移随水面船运动位移幅值的增加而增加,随运动周期的增加而减小。进一步对比发现,水面船运动位移和周期对立管等效应力的影响大于对其位移的影响。     

深海采矿机构转臂动力学建模与力学分析1)

深海采矿机构多关节转臂运动时受到海洋水动力作用,转臂驱动油缸力矩与变幅机构驱动力受到影响。分析了深海采矿机构转臂受水动力的影响,建立采矿转臂在调整采矿姿态时的动力学模型。基于采矿机构特定转臂尺寸实例,得出了关节驱动力矩与变幅机构油缸驱动力曲线,以及基于ADMAS模型关节驱动力矩曲线。通过对采矿转臂进行动力学数值求解与仿真分析,验证其动力学方程的正确性。     

疏松砂岩水力压裂裂缝形态研究综述

疏松砂岩水力压裂裂缝的典型特征是大量分支缝、微裂缝和一定钝度的裂缝尖端及剪切带的形成等. 主要通过对相关文献的调研,分析了剪切作用、拉伸作用等对裂缝形态特征（起裂、转向、延伸）等力学行为所产生的影响,通过针对一些疏松砂岩的压裂实验研究发现,其滤失过程主要受到缝尖区域的影响,而且滤失一般发生在裂缝扩展之前. 裂缝缝尖周围的局部应力往往是影响裂缝起裂和裂缝开度的主导参数,裂缝的形态特征则是应力、渗透率、流态等综合作用的结果,对疏松砂岩裂缝形态特征的形成做了进一步的解释.     

水压控制爆破药量计算公式

本文分析研究了常用的九个水压爆破药量计算公式,根据十几次水压爆破的成败经验,建立了水压爆破药量计算的综合经验公式,其计算结果与实际用药量的爆破效果表明,这个公式符合得比较好。最后给出了五个实例的对比计算结果。     

复杂结构水池的爆破拆除及分析

对筒形水池水压爆破拆除的药理计算,布药方式及安全校核等作了详尽介绍和分析,希望对同类工程有所借鉴。     

水压控制爆破合理参数的确定

本文根据爆炸相似律、能量准则、能量守恒等理论和水压控制爆破成败经验,建立合理、通用、方便的参数计算公式。     

液腔体中气体射流冲击压力的实验测量

对充液腔体中气体射流的冲击效应进行了实验研究. 测量结果表明了冲击压力的瞬态最 大值、稳态平均值和脉动值随喷管进口压比的增加而增加，冲击区是主要的噪声源和动态压 力承载部位. 通过充气与充水两种状态的对比实验，还揭示了腔体充水时气体射流冲击压力 出现一个上冲阶段，其瞬态最大值比充气值有显著的增加.     

高温静水应力状态下花岗岩稳态蠕变参数研究

高温高压花岗岩钻孔实验表明,温度低于500℃,静水应力低于150MPa 状态下,岩体的钻孔变形均属于稳态蠕变变形阶段. 该文选取了广义开尔文模型来反映其特征,通过拉普拉斯变换及逆变换,详细推演出了钻孔径向位移解析解,并且考虑温度-应力的耦合效应,给出了模型参数随温度及应力变化的关系式. 利用该关系进行拟合计算,说明广义开尔文模型来表达高温高压环境中的花岗岩稳态蠕变变形特性,寻求蠕变参数是合理可靠的. 该文对于高温岩体地热资源开发中的钻孔施工与维护、钻孔变形量预测等方面,具有实际的指导意义.     

饱和砂土振动扎隙水压力理论与应用研究进展

本文简要回顾了地震、波浪等引起的往返载荷作用下饱和砂土孔隙水压力理论与应用的研究历史和实践背景,并从影响因素、计算理论与应用等较广泛的范围,就目前国内外对饱和砂土振动孔隙水压力问题的研究现状作了较系统的评述,最后讨论了有待进一步研究的问题。     

饱和砂土振动扎隙水压力理论与应用研究进展

本文简要回顾了地震、波浪等引起的往返载荷作用下饱和砂土孔隙水压力理论与应用的研究历史和实践背景,并从影响因素、计算理论与应用等较广泛的范围,就目前国内外对饱和砂土振动孔隙水压力问题的研究现状作了较系统的评述,最后讨论了有待进一步研究的问题。      

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

多层复合壁构筑物水压爆破药量计算及应用

根据水中爆炸荷载的特点,应用能量准则和声学近似公式,计算出水压爆破作用于构筑物每层壁的等效静载。以声波在各层介质中传播时波速的加权平均值作为构筑物的平均声波波速,计算出结构自振频率。再考虑构筑物的强度和动力特性,以及预期的破坏程度,把每层介质假设为一独立的构筑物,提出了多层复合壁构筑物水压爆破药量计算的模型,并列举了工程实例。     

水压爆破法拆除多格式大型隔油池

文章系统地给出了用水压爆破法连续拆除多格式超大容积隔油池的爆破参数的设计及其技术处理。隔油池为多格式、细长型(最大长宽比为8:3),结构复杂。采用了梯恩梯药块条形装药、多药包,导爆索和非电、电导爆系统的串、并联复式传爆网络及微差起爆技术,取得了较好的爆破效果。离池壁仅1.8m的高压线绊桩(3m高)、离池壁7m的高压线杆和离池壁5m且平行于池壁的平房(20m长)都安全无恙。测得了水压爆破地震波形,用计算机处理系统获得了水压爆破地震波参数及衰减规律,实测质点速度是用萨氏公式计算值的0.3～0.45。为用水压爆破法拆除同类型复杂结构物提供了有价值的参考资料。     

内压和自重作用下浅埋管道围岩的应力解1)

对于浅埋管道而言,土体自重对其围岩应力场影响不可忽略。基于Verruijt提供浅埋洞室问题求解基本方法,同时考虑自重和内压作用,研究了半无限域中圆形孔洞的围岩应力问题。利用复变函数、保角映射和傅里叶变换等方法,推导了考虑围岩自重和内压作用下半无限域中孔洞应力的解析解,分析了内压和孔洞大小及径深比对考虑自重作用下的围岩应力的影响,为管道设计和施工安全提供了理论依据。     

大瑶山隧道岩溶涌水系统分析

本文以系统论和控制论为指导分析了大瑶山燧道岩溶涌水系统。通过利用地质结构特征、水化学场和同位素场的综合信息分析,详细阐述了岩溶涌水的补给来源和范围以及水动力的补排关系。建立了较逼真的岩溶涌水水文地质模型和数学模型,并对涌水过程进行了数值模拟分析。最后分析了涌水所造成的地面塌陷机理并给出其整治方案。     

真空预压法加固吹填土的孔隙水压力试验研究

利用真空预压法处理吹填土时,孔隙水压力变化常常反映土体固结程度的好坏。通过6个模型箱试验,监测不同排水系统下孔隙水压力变化,确定有效排水体间距。研究发现0.4m间距的土内孔压下降效果比0.8m间距的土内孔压下降效果好; 排水体内的孔隙水压力与排水体类型有关,且距离排水体10cm处土体内的孔隙水压力仅为排水体内孔隙水压力的1/2弱; 滤膜排水系统中的吹填土孔隙水压力下降幅度最快,B型排水板系统次之,而砂井系统最慢。另外,对于吹填土而言,排水体有效间距介于0.4m与0.8m之间,其中滤膜的有效间距最大,B型排水板次之,砂井远小于前两者。