变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究

通过变化的围压和孔隙压力的作用,进行含瓦斯煤三轴压缩的实验,系统地研究了含瓦斯煤在变形过程中渗透率的变化规律;并根据大量的实验数据,拟合得到含瓦斯煤的渗透率随围压和孔隙压力变化的经验方程。研究结果表明该经验方程可应用于双层系统煤层变形与煤层气越流耦合模型的数值分析,使邻近层(采空区)孔隙压力分布或瓦斯抽放率的数值模拟更逼近实际观测结果。     

多孔介质多场耦合作用理论 及其在资源与能源工程中的应用

详细介绍土木工程领域、环境工程领域、资源与能源开发工程领域中的多孔介质多场耦合作用的科学与技术问题,进而论述多孔介质多场耦合作用的科学内涵,其耦合作用理论包含固体应力场、渗流场、温度场和浓度场4个场的耦合作用,以及溶解的化学反应.介绍耦合作用的本构规律的研究重点与数学模型的组成,并深入讨论国内外关于固液、固气耦合作用下,孔隙与单一裂隙的渗流本构方程及其存在的问题.较详细介绍煤层气开采的裂隙介质固气耦合模型与应用、盐矿开采的固流热传质耦合模型与应用、高温岩体地热开采的固流热耦合模型及油页岩原位开采的相关技术与理论问题,讨论该类问题的数值模拟求解策略以及该类工程面临的深刻的理论与技术难题.     

流固耦合作用下深部煤层气井群开采数值模拟

针对深部煤层处在较高地应力和孔隙压力环境下，煤层渗透率降低和瓦斯运移表现出非达西渗流及受煤岩体变形耦合作用明显的特点，建立反映深部低渗透煤层特征和瓦斯流动特性的气水两相流流固耦合模型。以耦合模型为基础，通过数值模拟对深部低渗透井群开采煤层气进行较系统地研究，得到不同渗透率和不同井群间距条件下开采煤层气的储层压力、气和水产能大小、压降漏斗、水饱和度、甲烷浓度和井群干扰的变化规律，考虑较高地应力储层变形影响的流固耦合模型的模拟结果比不考虑耦合作用的结果偏小，对于深部煤层气开采必须重视耦合作用对产量造成的不利影响，制定合理的生产制度和布井方案，尽可能保证储层渗透特性受弱化的程度最小。研究成果对深部低渗透煤层气开采有重要意义。     

多孔介质流-固-热三场全耦合数学模型及数值模拟

给出多孔岩体介质的流–固–热三场全耦合数学模型。假定流体为单相流,固体介质为非沸腾的饱和、热弹性多孔介质,该模型由流体物质守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这3个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项,并定义一系列的本构关系及耦合变量。以FEMLAB工具为基础,将该数学模型转化成为一个统一的偏微分方程组,在人机交互的环境下,实现流–固–热三场全耦合数值求解,一次解出渗流场、位移场和温度场,给出更接近真实物理过程的数值解答,避免松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。利用一个已知解析解和数值解的算例来证明了耦合模型及求解方法的正确性。最后模拟通过井孔向岩体中注入冷水时流–固–热全耦合过程,详细地分析全耦合作用对井壁围岩应力的影响,计算结果表明:流–固–热三场耦合作用对井壁的稳定分析有非常重要的影响。     

低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用

我国煤层普遍渗透率低、吸附强、解吸速度慢而导致绝大多数煤层试验井产量低、衰减快、难以形成稳定的工业性气流,同时低渗透煤层甲烷运移过程表现出相互制约和非达西渗流及排采降压流固耦合作用的突出特点,低渗透煤层气开采遇到挑战。因此,进行低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用的研究,具有十分重要的理论意义和应用价值。在低渗透煤层气开采流固耦合方面完成的主要研究内容和结果如下:(1)根据煤层特性和煤层甲烷运移属性,将煤层抽象为双重介质模型,并建立了反应解吸、扩散、渗流过程的低渗透双重介质气、水两相流流固耦合模型和注气增产煤层气多组分流体流固耦合模型;详细推导了双重介质气、水两相流流固耦合模型和煤基质系统扩散项的数值解法,并开发了三维、双重介质气、水两相流、拟稳态非平衡吸附流固耦合模拟程序。(2)利用开发的模拟程序和现场试验井资料对煤层气生产动态参数进行模拟,模拟结果与现场试验井结果相吻合。得到如下结论:①通过单井开采过程中的储层压力下降幅度、气–水产能大小、压降漏斗、水饱和度和甲烷浓度变化范围和下降幅度的模拟结果表明:考虑耦合作用的模拟结果与实际更为吻合,耦合时的结果比不考虑耦合时的结果偏小。对导致其差异根源的耦合机理分析表明:煤层气开采尽可能保证由于耦合作用而导致储层渗透性受弱化程度最小;②井群间距对煤层气开采至关重要,井群间距对产能等参数的影响,与储层的渗透率密切相关,渗透率较高储层比渗透率较低储层井群干扰出现的时间早,开采初期小井群间距的气–水产能大于较大井群间距的气–水产能;③通过渗透率、扩散系数对产能影响的研究表明:煤储层渗透率的大小直接控制着煤层气产能的大小,拟稳态扩散系数越大,煤层气井的早期产量上升越快,产气量高峰期到来越早。这说明煤层气的开采运移过程同样受到扩散过程的影响,揭示了煤层瓦斯解吸、扩散和渗流互为条件、互相联系和互相约束的运移机制;④在低速低渗透情况下,通过对启动压力产生的机理分析和模拟结果表明:开发低渗透煤层气藏,应采用小井距、较大压差开发方案;考虑低渗透气体渗流的滑脱效应时,气–水产能比不考虑滑脱效应时高;⑤注气模拟结果表明:注气增产机理主要是注入的二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压,加速了煤层甲烷的解吸,而且二氧化碳比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,大量的煤层甲烷解吸进入割理裂隙系统,从而提高了煤层气产量。因此,注气开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

基于TOUGH2和FLAC3D的水-气二相流-固耦合模型

要实现饱和-非饱和土体的水-气二相流-固耦合作用的数值模拟,关键是如何实现渗流场与应力场的耦合,目前,松弛耦合方法不仅精度能够满足一般的工程要求,而且求解方法易于实现,是多相流-固耦合问题研究的主要方向。本研究根据松弛耦合原理,利用TOUGH2/EOS3来模拟水-气二相渗流过程;利用FLAC3D来模拟土体变形;基于水-气二相渗流过程与力学过程的相互影响,给出饱和度-密度、孔隙水压力和气压力-有效应力、体积应变-孔隙率、孔隙率-固有渗透率,以及孔隙率-毛细压力等状态变量之间的耦合关系式;利用C++控制TOUGH2、FLAC3D在流固耦合过程中的有序运行并利用耦合关系式传递相关状态变量,以实现对水-气二相流-固耦合作用的模拟。利用该模型对一现场压气试验进行模拟,通过模型计算值与实测值的对比,验证了模型的准确性和有效性。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论及应用

本文在总结前人已有成果的基础上,在裂缝性低渗透油藏流-固耦合研究方面完成了以下工作: (1)通过大量的岩芯实验,研究发现低渗透岩石渗流时存在明显的流-固耦合效应,并通过理论分析对该现象做以解释。 (2)建立裂缝性低渗透油藏渗流场和岩土变形场的等效连续介质模型。推导出考虑裂缝影响情况下,渗流场和岩土变形场参数的等效处理方法。利用等效连续介质渗流模型研究了不同裂缝形态对水驱油效果的影响。 (3)研究了地应力和孔隙压力对裂缝开度及渗透率的影响,得出裂缝性低渗透油藏渗流场与岩土变形场之间的耦合关系式。 (4)利用断裂力学的知识,研究了注水过程中,储层裂缝扩展的动力学机理,给出考虑裂缝扩展情况下的渗透率演化方程,并结合流-固耦合模型给出数值模拟的方法。 (5)利用有限元和有限差分方法,给出了裂缝性低渗透油藏流固耦合模型的计算方法,并编制了相应的数值模拟软件。 (6)探讨了本文理论在工程上的应用。 论文利用所编制的油藏流团耦合计算软件,对大庆油田卯六区块开发过程中孔隙度、渗透率演化及耦合效应对开发过程的影响进行了数值模拟;结合断裂力学知识,给出了开发过程中裂缝扩展的数值计算方法,并对一简单情况下裂纹扩展情况进行了数值计算;最后,通过解析分析的方法,对渗流作用井壁力学     

矿山岩体破坏突水非达西流模型及数值求解

 为模拟突水流体瞬态流动全过程并揭示突水流体流动机制,针对矿山岩体破坏突水过程中流体的高速非达西流特征和流场动力学统一性特征,基于流体质量守恒和压力平衡原理建立耦合Darcy方程、Forchheimer方程和Navier-Stokes方程的矿山岩体破坏突水非达西流模型,将含水层水源、破碎岩体突水通道和采场巷道出口整个水流路径有机联系在统一流动场中;并基于有限元弱形式和有限体积法耦合积分方程,提出有限元和有限体积法相结合的数值计算方法,应用FEPG有限元软件编译FORTRAN源程序,模拟突水瞬态流动全过程。通过算例对比达西和非达西流结果表明,对于矿山岩体破坏突水问题采用非达西流模型计算十分必要,破碎岩体作为导水通道沟通含水层和巷道的水力联系,导水通道内高速水流的惯性作用是含水层充足的补给水量沿破碎带进入巷道形成突水的主要原因。     

裂隙岩体非恒定渗流场与弹性应力场动态全耦合分析

为更真实地反映在环境条件变化以及施工过程等因素作用下渗流场和变形场的行为规律，在裂隙岩体介质小变形的假定下，基于不可压缩水流在复杂应力状态作用下的裂隙岩体介质中运动的一般方程，建立两场动态全耦合的有限元数值模拟方法。在耦合分析中采用统一域混合模型模拟渗流场，对弹性变形场的模拟则采用多裂隙岩体介质和离散裂隙介质分别模拟的方法。对建立的耦合模型采用四自由度全耦合法结合有限元数值方法直接求解，对无压流中自由面的处理则采用固定网格法中的改进初流量法。最后针对水库裂隙岸坡算例，进行能模拟水库蓄水加载过程的静态、动态耦合有限元分析，揭示水库蓄水过程中裂隙岸坡位移场和渗流场的基本变化规律。分析结果表明，考虑蓄水过程中渗流的动态效应时，将会使水库岸坡产生较大的差异沉陷，从而对岸坡的稳定性产生不利影响，对于缓慢蓄水过程可以近似作为静态问题处理。     

新型固流耦合相似材料的研制及其应用

 在固体模型材料研究的基础上,应用固流耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种新型的固流耦合相似材料(PSTO),这种材料用砂和滑石粉作为骨料,石蜡作为胶结剂,并配以适量调节剂混合而成。通过大量的室内试验,系统研究不同相似材料配比和装模温度对试件性能的影响规律,得到影响相似材料性质的若干因素。该材料的力学特性与岩石性质相似,且在水的作用下不发生软化,非亲水性良好,可模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的固流耦合相似模拟材料。将该材料应用于隧道涌水模型试验,可有效地揭示了位移、应力、渗压等多场信息的变化规律。     

Analysis of coupled gas flow and deformation process with desorption and Klinkenberg effects in coal seams

Coupled gas flow and solid deformation in porous media has received considerable attention because of its importance in pneumatic test analysis, contaminant transport, and gas outbursts during coal mining. Gas flow in porous media is quite different from liquid flow due to the large gas compressibility and pressure-dependent effective permeability. The dependence of gas pressure and gas desorption on gas permeability has a significant effect on gas flow, but has been ignored in most previous studies. Moreover, solid deformation has a direct impact on the porosity, which also leads to desorption or sorption of methane in the coal seam. In this study, a coupled mathematical model for solid deformation and gas flow is proposed and is implemented using a finite element method. The numerical code is used to solve the gas flow equation with Klinkenberg effect, and is validated by comparison with available analytical solutions. Then, it is used to simulate the coupled process during gas migration in a deformable coal seam. The numerical results indicate that the desorption and Klinkenberg effects and mechanical process effect make a significant contribution to gas flow in the coal seam. Without considering the desorption and Klinkenberg effects and the coupling action of mechanical process, the gas pressure in the coal seam would be underestimated.     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

基于扩散-渗流机理瓦斯抽采三维模拟研究

根据煤体孔裂隙多重介质特性,分析煤体内瓦斯在基质孔隙和裂隙中不同的运移机理,建立瓦斯流动方程;考虑孔隙压力、吸附膨胀效应对渗透率的综合影响,建立渗透率动态方程;以弹性力学为基础,建立煤体变形控制方程;共同构建能够描述瓦斯扩散-渗流运移机理的耦合模型。以真实煤层赋存参数为例,根据理论模型对COMSOL Multiphysics进行二次开发,建立三维瓦斯抽采模型,模拟研究不同抽采时间下的瓦斯压力、抽采有效半径变化规律;利用压降法进行现场实测考察,现场实测结果与模拟结果基本吻合,验证了扩散-渗流耦合模型及三维数值模拟的可靠性,从而为该矿实际瓦斯抽采工作提供安全可靠的理论技术指导。     

采动条件下被保护层瓦斯卸压增透机理研究

保护层开采作为一种典型的煤与瓦斯安全开采形式在煤矿生产中具有重要的意义。通过由半无限开采积分模型求解得到的岩体内部位移场表达式并与相似模拟被保护层沉降曲线对比,研究发现理论模型可以较好地反映煤层实际变形。建立了“两带”裂隙分布模型及其简化力学模型,通过正交设计的全应力应变渗透试验发现,瓦斯渗透主要分为3个过程,发现瓦斯渗透急剧变化在体积应变达到0.015处,对比理论体积应变分布曲线,得出体积应变沿沉降范围总体上呈对称分布,在中心区域存在一个体积应变大于0.015的范围,可见其正处于渗透率急剧增加阶段,其卸压增透效果最好。研究结果为被保护层瓦斯卸压增透计算提供了参考。     

突出煤型煤全应力–应变全程瓦斯渗流试验研究

 以典型煤与瓦斯突出矿井重庆天府矿业有限责任公司的三汇一矿K1煤层的突出煤型煤试件为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行突出煤型煤在连续加载作用下,全应力–应变过程的瓦斯渗流规律的试验研究。研究结果表明：突出煤型煤在整个全应力–应变过程中,瓦斯流量与煤样的损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量先随着轴向应变的增大而逐渐减小,在煤样达到屈服点后,瓦斯流量发展方向发生转变,开始慢慢增大,并在峰后瓦斯流量增速加大;另一方面,瓦斯流量先随着煤样的体积压缩而变小,在煤样开始扩容后,瓦斯流量转为增大,在破裂后阶段瓦斯流量增幅变大;瓦斯流量与轴向应变的关系可用二次函数表示;瓦斯流量随围压的增大而减小。     

Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries

Coal and gas outbursts are a complex catastrophic unstable phenomenon that involve the ejection of large volumes of coal, and are often accompanied by gas, such as methane, carbon dioxide or a mixture of the two. Coal and gas outbursts are prevalent in deep and gassy mines where face advance rates are rapid, and where gas drainage is either poor or absent. The occurrence of progressively larger coal and gas outbursts, and the potential for the catastrophic collapse of coal pillars, is of increasing importance as mining is extended deeper in seams rich in methane and other hydrocarbons. A unique coupled gas flow and solid deformation numerical model, viz., RFPA^2D-GasFlow, has been developed and is applied to simulate the evolutionary process of such catastrophic coal failures in underground collieries. The finite element model, which incorporates the physics of gas flow in the coal seam, the physics of coal deformation and instantaneous failure, and the cross-couplings between them, is proposed. The model also incorporates small-scale variability in deformation modulus and strength of the coal and surrounding rock. The variability in modulus and strength is distributed via a fine-scale resolution model according to the Weibull distribution, where the distribution parameter determines the level of heterogeneity. This numerical model is applied to simulate the whole process of coal and gas outbursts, including stress concentration, coal fracturing, gas pressure-driven expansion, and outburst. The instantaneous outburst process and associated stress fields, gas pressure gradients and displacement vectors are presented step by step. The numerical simulations indicate that the instantaneous outburst is a complex phenomenon involving interactions between gas pressure, stress and the physico-mechanical properties of the coal, and it can occur under a variety of conditions. Successful numerical simulation of the whole coal and gas outburst process provides the basis for identifying the outburst mechanisms, parameterizing the causative processes, and to defining potential precursors of failure.     

煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型及无因次解算

 考虑瓦斯在煤层中的解吸、放散与渗流,利用达西定律分别描述煤基质与裂隙内的瓦斯运移,以煤基质与裂隙之间的传质通量为桥梁,发展煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型,推导无因次模型,并运用有限差分法进行编程解算。结果表明：瓦斯压力、含量在裂隙内的下降速度要远大于煤基质;基质空间内瓦斯压力及含量的分布具有非均匀性及非稳态性;增大裂隙渗透性或煤层瓦斯压力,或减小煤壁表面瓦斯压力,均能导致瓦斯涌出速度的增大;煤体游离瓦斯含量对瓦斯涌出速度影响较小。结合潘一矿煤层瓦斯参数,对比模拟结果和实测数据,验证了煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型的正确性。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

高压注水煤层力学特性演化数值模拟与试验研究

 为从细观上揭示高压注水过程中煤体裂隙扩展、应力场演化和高压水体在煤体中的渗流规律,利用考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性特征并基于煤岩破裂过程固–流耦合动力学模型开发的RFPA2D-Flow软件系统对祁南煤矿721工作面煤层高压注水进行数值模拟,同时进行高压注水现场试验研究。数值模拟结果表明：在高压水挤压作用下,钻孔周围煤体逐渐损伤、破坏,裂隙进一步扩展,渗透能力大大增加,渗透系数最大可以由0.5 m/d增加到1 580.0 m/d,在钻孔附近煤体处平均增加14倍。现场试验结果表明：采取高压注水工艺后,工作面前方煤体卸压带宽度由2.5 m增加到3.5 m,应力集中带向煤体深处推移1.0 m,表明高压注水消突效果比较明显。     

高应力下含瓦斯原煤三轴压缩力学特性研究

 利用改制后的煤岩吸附–渗透–力学耦合试验系统,以淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤样作为研究对象,进行高应力下含瓦斯原煤常规三轴压缩力学特性的研究。结果表明：(1) 含瓦斯原煤偏应力–轴向应变曲线主要有弹性、屈服、破坏或峰后软化段构成。其中,弹性段连续、光滑性较差,多呈现出应变“软化–硬化”的波动起伏特点。(2) 峰后脆性破坏特征明显,且在相同初始瓦斯压力下,随着初始有效围压的升高,脆性向延性转化的趋势较弱;而在相同初始有效围压下,初始瓦斯压力越大,脆性破坏特征则越显著。(3) 偏应力–侧向应变曲线与轴向相比,峰前连续、光滑性更好,且几乎均呈线弹性;而峰后变化则趋同。(4) 偏应力–体应变曲线,在低有效围压下表现出扩容机制,且始于峰前;而在高有效围压下,则从峰前越至峰后,始终向右延展,呈现出体积不断收缩的趋势,且瓦斯压力越大,收缩特性越显著。(5) 在相同有效围压下,随着瓦斯压力的增加,峰前轴向、侧向应变增加的速率,以及峰值强度、泊松比均呈增大趋势;而弹性模量则呈降低趋势。(6) 相同瓦斯压力下,随着有效围压的增加,峰前轴向、侧向应变增加的速率,以及泊松比均呈降低趋势;而峰值强度、弹性模量则呈增大趋势。(7) 随着围压或瓦斯压力分别升高,峰值强度均呈线性增大趋势,煤样破坏模式以剪切破坏为主,且强度参数黏聚力和内摩擦角分别为14.02 MPa,25.93°。