采场中充填料排水的三维模拟试验

本文描述了嗣后充填空场法采场的充填和泄水的计算机模型。早期开发的二维模型是简单参数模型,它只对采场的几何形状进行二维模拟。把充填料当均质体考虑,新开发的三维模型比早期开发的二维模型进了一步。开发新的三维模型的目的是,将多种因素结合起来考虑,以便更好地模拟实际采场泄水并更接近实际。随着更多的现场数据的积累,现在已使上述目的成为可能民。特别是,三维模型能够模拟不规则采场几何形状和非均质充填料以及预测在采场内某一定位置的压力和流量,因此,三维模型比早期二维模型具有更广泛的应用前景。采场的几何形状和充填体内的水流量用基本单元法进行模拟,随时间和空间而变化的采场内充填料的位置也可以进行模拟。流态模拟包括对饱和和分饱和状态的模拟,对非饱和区的模拟使用了一个合理的比例,虽然使用的时间间隔较长,还是单元尺寸较大,但是特别注意考虑到了保持数字变化的稳定性。模型试验表明,开发三维模型并考虑有局部饱和流存在,对模拟充填的泄水过程具有重大的意义。该文给出了模型的应用示范实例。了解在水砂充填期间采场中孔隙压力的产生和消失,对充填作业的设计和挡墙设计意义很大。开发简化的二维模型已有相当长一段时间了。实践表明使用它是有效的,该模型在实际采场中的使用积累了相当的经验,并获得了与实际生产有关的大量数据。二维模型提供了采场泄水方面有价值的一般性资料,这些资料已经用于充填方案的设计,但是这种模型无法提供在采场充填体中特定位置(挡墙背后)孔隙压力发展的专门信息,此外,用一个可信的标准对模型进行校核是困难的,因为很明显水流的三维性充填体中的水流有重要的影响。鉴于这些缺点,芒特艾萨矿山有限公司决定开发一个改进模型用于分析采场充填泄水的三维状态,本文就是描述这个改进的模型。     

基于CT成像的煤岩孔裂隙结构重建及渗流模拟研究

为了探索煤层压力注水在不同渗透率裂隙条件下的渗流特性,采用CT成像技术对煤样扫描,获得原始图像,利用MATLAB软件中值滤波函数对其噪声点进行滤除,获得二值化孔隙骨架图像,最后采用COMSOL数值分析软件中的插值函数重构煤体二维模型,建立煤体渗流过程的液体流动模型,数值模拟分析压力水的渗流演化过程。研究结果表明:利用MATLAB分析软件处理CT扫描图像,可准确的描述煤岩的孔隙结构;经过COMSOL插值函数对煤的二维模型做出精细表征;水在煤体中流动主要受孔隙结构的影响,在主裂隙水流动衰减速度很小,而在煤基质和次裂隙夹杂区域部分流动,在基质部分基本不流动。     

基于MIDAS/GTS的尾矿库三维渗流分析

为了较为真实地模拟实际地形条件对尾矿坝渗流场的影响,采用MIDAS/GTS软件自带的地形生成器导入实际地形,建立了二维、三维有限元模型,对实际工程渗流场进行了数值模拟,并计算出了浸润线的位置。结果表明,由于地形条件的限制,导致简化的二维模型的计算结果与实际监测值相差较大,而三维模型的计算结果与实际监测值基本吻合。     

岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究

为了研究岩体孔隙-裂隙双重介质渗流过程中速度变化、压力分布和不同形状裂隙影响的规律,采用COMSOL数值模拟软件对不同断裂形状的多孔介质块进行了渗流数值模拟,得到了裂隙速度场、基质块孔隙压力场和不同形状路径渗流影响的规律。结果表明:随着压力差的增大,沿裂隙路径上速度场发展最快,裂隙成为主要的渗流途径;基质块孔隙压力梯度分布均匀,压力分布在断裂的基质块中是连续的,但等压面的弯曲表明了裂隙和孔隙的不同流动状态;裂隙形状影响着流动特性,4种类型裂隙出口边界通量的大小关系为:圆角135°夹角90°夹角45°夹角,模拟结果有助于可视化地研究双重介质的渗流规律。     

综放工作面顶煤放出体形态理论研究

为了表述顶煤放出煤体形态,将破碎的顶煤看作随机流动的松散介质,利用PFC2d(Particle Flow Code-2d)离散元计算软件建立了放顶煤横向剖面的二维模型,通过离散元迭代法计算出顶煤放出体形态。以放出体边界小球坐标为基础,对随机介质理论的二维方程进行数据拟合,得出了二维顶煤放出体函数。顶煤放出过程是三维流动过程,在二维模型的基础上,假设在横向剖面和纵向剖面2个方向上,顶煤流动是相互独立的,以边界小球坐标为依据,对随机介质理论的三维方程进行数据拟合,得出了三维顶煤放出体函数,函数图与模拟放出体形状基本一致,说明将随机介质理论引入顶煤放出体形态研究是可行的,可以依此合理确定生产过程中的放煤参数。     

基于FLUENT的矿用静态混合器内流场模拟

为解决煤矿新型超高水填充浆料的井下400 m混合问题,采用固液两相流理论与计算流体力学(CFD)方法,建立填充浆料在混合器中的流动控制方程;采用三维软件(UG)建立模型,并导入GAMBIT进行混合器的三维网格划分,在FLUENT中的3D单精度解算器中进行数值模拟。通过分析静态混合器中各截面的流动状态,获得静态混合器在既定条件下的最佳长度和浆料的出口速度。     

压力条件对煤体微观孔隙模型水渗流的影响

以大柳塔煤矿长焰煤为研究对象,采用X射线三维显微镜对矿芯煤样进行扫描,并应用三维重构技术及图像的灰度分割技术得到煤体的微观孔隙模型,在此模型的基础上构建了煤体的有限元网格模型,并利用Fluent有限元软件模拟了不同压力下微观孔隙模型的水渗流情况,得到了煤体微观孔隙内的速度及压力分布规律。结果表明:同一压力条件下,沿着水渗流方向,煤体孔隙受到的压力逐渐降低;沿孔隙中央-孔壁方向,速度呈现出由大变小直至为0的规律。不同压力条件下,同一方向通道的水渗流轨迹没有明显变化,但随着压力梯度不断增大,水渗流的整体速度明显增大,最大平均速度均出现在压力入口附近12~18μm之间。不同压力、通道条件对水渗流规律的影响明显。     

基于旋转交错网格的双相各向异性介质二维三分量波场模拟

基于Biot双相介质模型,推导了双相TTI介质二维三分量一阶速度-应力弹性波方程,采用旋转交错网格(RSG)技术建立了各向异性孔隙介质波动方程的二维三分量高精度有限差分格式(FDTD),并引入不分裂卷积完全匹配层(CPML)作为吸收边界条件。为了验证算法可行性,对均匀双相TTI介质中的弹性波场进行了模拟。结果表明：使用旋转交错网格有限差分技术能够模拟出双相TTI介质中存在的快横波、慢横波、快纵波和慢纵波;双相各向异性介质中存在明显的横波分裂、波前面尖角和三分叉现象;不分裂卷积完全匹配层对边界反射的吸收效果较好。通过对比传统交错网格(SSG)和旋转交错网格有限差分技术,证明了旋转交错网格有限差分算法稳定性较强,精度较高,是一种实用的地震波场数值模拟方法。     

鄂尔多斯盆地低阶煤渗流孔隙拓扑结构非均质特征研究

煤微观连通孔隙团是煤体渗透性能的决定性因素,其特殊的拓扑结构非均质性是煤体渗透各向异性的根本原因。为了揭示煤微观连通孔隙团拓扑结构的非均质特征,针对鄂尔多斯盆地低阶煤进行X-ray μCT扫描,重建煤孔隙微观空间结构模型,采用AVIZO软件提取最大连通孔隙团,并构建其等效孔隙网络拓扑结构,分析孔隙形状因子与孔隙等小直径和表面积的关系,探讨连通特性和分形维数在空间中的变化规律。结果表明:孔隙形状因子与等效直径存在指数关系,与孔隙表面积存在线性关系;连通孔隙团内部渗流孔隙空间越大,其形状越不规则,非均质越强;低阶煤连通孔隙团各断面的欧拉数变化较大,连通性具有更强的非均质性,孔隙离散程度更高,但粗糙度较低。     

矿石形状对浸堆结构及渗流场影响机制

为了研究筑堆矿石形状对堆内结构和渗流速度场分布的影响,选取了相同级配下的球团制粒矿石与普通原矿石进行柱浸实验。利用核磁共振成像(MRI)技术非接触地获取内部饱和结构,通过图像处理与统计研究了矿石形状与孔隙分布的关系,并利用Navier-Stokes方程模拟了相同压力和入渗速度下矿石形状对渗流速度场的与优势流分布影响。结果表明,饱和状态下的内部孔隙并不都服从正态分布,制粒矿石间孔隙分布更为均衡,服从正态分布,μ=2.0mm,原矿石间孔隙分布不服从正太分布,在8.00～11.00mm间缺失,最大当量直径为11.39mm;制粒矿石间速度场分布更加均匀,孔隙间无明显优势流,原矿石间速度场分布不均衡,存在贯穿结构的优势流和较大浸出盲区,出口边界表现为流场叠加状态;提出矿石形状均匀系数K可以有效描述矿石形状对内部孔隙和渗流的影响机制,K值小,孔隙分布均衡,渗流速度场分布均衡;K值大,容易产生大孔隙,连通成为优势流的通道,致使流场分布不均衡。     

孔隙介质岩体流热耦合数值模拟研究

为了研究孔隙介质岩体的流热耦合机理,以典型的华北型煤田深部开采为背景,从达西定律、热传导定律出发,对孔隙介质岩体的流热耦合作用进行了研究。根据理论推导的结果,利用多场耦合软件Comsol Multiphysics建立不同条件下的耦合模型,在改变渗流和温度的情况下,对模型的渗流场与温度场重新分布进行计算。研究结果表明,渗流对温度场分布的影响表现在流体充当了热量运动的载体,与流体的渗流速度与渗流方向有关,温度对渗流场的影响表现在温度改变了流体的动力黏度与密度,使液体更易流动,从而表现为岩体渗透性与渗透系数变大。     

鄂尔多斯盆地低阶煤孔隙瓦斯微观渗流特征

为了获取煤体真实微观孔隙结构,揭示孔隙系统中瓦斯的微观渗流特性,针对鄂尔多斯盆地低阶煤进行了X-rayμCT扫描实验,重构并表征了微观孔隙空间结构,对孔隙连通团进行了逆向优化和数值建模,开展了瓦斯微观渗流数值模拟,探讨了瓦斯微观渗流特性。结果表明:煤微观孔隙结构存在很强的非均质性,形状接近球形;孔隙形状因子与等效直径之间具有指数关系;羊场湾褐煤内部发育有大的微裂隙,而斜沟气煤内部微裂隙数量少,局部存在多个孔隙团;渗流孔隙大小并不是决定瓦斯渗流性能的唯一因素,更多依赖于其连通性;瓦斯压力在同一孔隙的非均匀性体现出渗流对方向的选择性。     

基于块体二维图形的岩块三维筛分尺寸研究

为实现破碎岩石的三维块度分布估算，研究了根据图像分割后的岩块二维图形计算岩块三维筛分尺寸的方法。通过块体三维形状参数ε和κ对块体进行分类，根据分类结果计算块体的等效尺寸作为过筛块度尺寸。利用岩体结构面网络模拟建立三维岩块模型集合，利用一组平面对其进行切割得到岩块对应的二维轮廓线，根据岩块二维轮廓线和岩块三维模型分别计算块体的二维和三维几何特征参数值，从而利用统计分析和回归分析建立二维和三维几何特征参数之间的关系，推导出通过二维几何参数计算岩块筛分尺寸的公式，最终得到定量的矿岩块度分布。实验对比表明，根据二维几何特征参数计算的块体筛分尺寸和三维岩块模型的块体实际筛分尺寸分布规律基本一致。     

地应力对煤层渗透性控制作用的研究进展

作用在煤岩层上的地应力可以分为有效应力和孔隙压力,而煤层是由孔隙和裂隙组成的双孔隙岩层。煤层气在煤层孔隙中遵循吸附解吸和扩散理论,在裂隙中遵循达西渗流理论,在低压状态下还受到滑脱效应的影响。通过论述应力加载路径、有效应力、孔隙压力以及滑脱效应与煤层渗透性的关系,找出不同应力状态下影响煤层渗透性的主要作用机制,并进一步论述了渗透率预测的经验模型和理论模型。经验模型是通过统计分析,建立实验数据或地质参数与渗透率的关系;理论模型是在一定的物理简化基础上,基于现有的渗流理论、应用力学和数学方法,推导出渗透率预测的基本公式。指出非线性渗流、渗流应力耦合、实验分析与数值模拟相结合是研究的主要方向。     

散体渗流的分形行为及其计算机模拟

散体的颗粒和孔隙都具有不规则性、自相似性、模糊性和非线性等特点，且整体结构表现出复杂性。流体在散体中的随机运动，便形成了一种无序的渗流体系。作者利用重正化群方法，建立了二维渗流模型，分析了多孔散体介质中渗流的产生过程，并利用分形几何分析了散体渗流的分形特征并对其进行了计算机模拟。     

采场通风仿真系统及其应用

给出了采场通风过程的仿真模型,介绍了采场通风仿真系统(SSVF系统)的功能、有关参数的确定方法、边界条件的获取.分别以两个矿井的大面积采空区漏风分析及上邻近层瓦斯抽放分析实例,介绍了SSVF系统在解算采场二维渗流及三维渗流中的应用.     

采场充填体脱水的三维模拟(一)

本文介绍了已充填采场的充填和脱水的计算机模型,原先开发了一个二维模型,适用于二维采场几何形状和均匀充填体的简单参数模型;本模型是这个二维模型的发展。根据获得的大量现场数据,开发了新的三维模型,其目的是增加若干功能、使模型能更切合实际地模拟实际采场的脱水。特别是能模拟几何形状不规划的采场和不均质的充填体,能预测采场中指定地点的压力与流量。因此,对于在现场条件下使用来说,它比原来模型具有更大的潜在能力. 采用基于单元的方法建立采场几何形状和充填体中的水流模型。也可以建立在空间上和时间上有变化的采场充填体的沉积模型。既可在饱和状态下,也可在部分饱和状态下进行水流模拟。不饱和区的模拟,采用与问题相适应的尺度,尽管采用大时段和大单元尺寸,仍特别注意保持数值的稳定。模型测试表明,扩展为三维并增加部分饱和水流区,对于模拟充填体脱水过程是极其有用的。文中举一个例子说明模型的应用。     

三元复合体系乳状液在孔隙介质中渗流的数值模拟

根据三元复合体系乳状液在孔隙介质中的流变方程和渗流力学理论，建立了乳状液在孔隙介质中的渗流方程，在ANSYS应用软件对非稳态热传导数值模拟的基础上，对热传导系数矩阵进行了相应的调整，用数值分析的方法模拟了乳状液在地下渗流规律，对乳状液在一区块内渗流进行数值模拟，得到了井间的压力分布曲线和区块模型中的压力分布情况。图2，参12。     

库水位下降对三峡库区滑坡稳定性的影响研究

在定性阐述三峡库区水位下降对滑坡渗流场变化的影响机理,通过对滑坡典型地质断面结合实际边界条件,建立二维有限元模型,用有限元法模拟库水位不同下降速度对滑坡体内渗流场变化的影响,并用改进的极限平衡法结合渗流场计算的孔隙水压力值对滑坡安全系数进行计算,为库区滑坡的预测和治理提供依据。     

单裂隙结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响

为探究单裂隙粗糙度、开度等结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响,基于Weierstrass-Mandelbort分形函数生成不同粗糙度的裂隙轮廓曲线,构建含不同分形维数和裂隙开度的二维裂隙煤岩体模型。运用Fluent软件模拟分析裂隙分形维数、开度对裂隙内部及周边煤岩基质内瓦斯流动特性的影响,建立了可定量刻画裂隙结构特征对煤岩体相对渗流能力具有影响的流量系数双参数模型。结果表明：随着裂隙分形维数减小,裂隙开度增大,煤岩体渗流能力逐渐增强,且裂隙导流能力在煤岩体渗流过程中逐渐占优,流量占比最高达81%。随着分形维数增大,裂隙内瓦斯流动非线性强度系数呈指数型增大,影响裂隙内瓦斯流动非线性强度系数的主控因素逐渐由裂隙开度转变为分形维数,同时在煤岩基质靠近裂隙轮廓曲线离散程度较大的位置处,存在局部渗流速度增大的现象。当裂隙开度增大至1.5 mm后,裂隙分形维数对流量系数的影响起主导作用,反之,裂隙开度起主导作用。提出了流量系数与分形维数、裂隙开度的经验关系式。