基于COMSOL的煤层瓦斯渗透性数值分析

为了求解煤层瓦斯渗流关键参数以及瓦斯压力对于渗透性的影响，基于多孔介质理论，应用多物理场模拟技术对煤层瓦斯渗透性进行研究。首先，根据达西定律、N-S方程以及分形理论，利用COMSOL数值模拟软件建立多孔介质孔隙空间分布的随机分形模型，进行多相流耦合物理场数值模拟分析；然后，选用流固耦合蠕动流物理场接口并定义边界值，计算多孔介质孔隙率和渗透率；最后，模拟得出多孔介质煤层瓦斯压力及瓦斯流速云图，通过对入口施加不同瓦斯压力，模拟计算多孔介质煤层的渗透率和最大流速，以此分析瓦斯压力对于煤层瓦斯渗透性影响。结果表明：在单侧施加瓦斯压力(P=0.2 MPa)时，从多相流的流域应力与流速分析得到越是狭窄的模型流域瓦斯涌出流速越快、且越窄的区域煤层应力越大；计算得出该煤层模型孔隙率为55.349%,瓦斯压力P=0.2 MPa时渗透率为4.530 5×10^-13 m²;通过设置入口不同瓦斯压力，渗透率呈现非线性曲线变化规律。     

矿井抽水区地面沉降的数值模拟

以山西省某煤矿矿井抽水区引起的地面沉降为例,采用多物理场耦合分析软件Comsol Multiphysics中的多孔弹性物理场接口,基于Boit固结理论,建立矿井抽水区-地面沉降流固耦合模型。通过分析计算及位移拟合,分析其产生沉降的原因以及动态降水的时间与空间效应,目的在于为今后矿井抽水区地面沉降的防治提供依据和技术指导。     

岩体渗流与应力耦合理论及在近水体采煤的应用

裂隙岩体渗流特征的研究是论证近水体,即水体下(上)采煤可行性的重要依据。介绍了多孔介质渗流与应力耦合理论、地下裂隙岩体渗流与应力耦合理论的发展现状,评价耦合模型适用条件及其优缺点,并介绍了以上理论在近水体采煤领域的应用现状。     

水介质流化床流场数值计算模型的选择

简述了水介质流化床分选粗煤泥的研究现状,通过计算流体力学的基本方程与不同的计算模型,理论分析了流化床内部流场特点,在相同边界情况下采用层流模型、标准的湍流模型、可实现的湍流模型对水介质流化床进行了数值模拟,通过理论分析、数值模拟和试验验证得出了适合水介质流化床数值模拟的计算模型是层流模型和可实现的湍流模型。     

济宁市地面沉降模型

该文在分析济宁市地面沉降特征的基础上,建立了一个地下水一地面沉降耦合模型,用于模拟和预测在不同开采条件下含水层中地下水头的分布和地面沉降量。计算结果表明,耦合模型计算结果与实测值拟合很好。     

煤层注水渗透率模型及水力耦合影响因素数值模拟研究

为有效防治矿山动力灾害,优选煤层注水技术合理参数,以东于煤矿03303工作面为实验背景,基于多孔介质渗流理论,通过高压水侵渗流实验系统获取不同覆压条件下渗透率演化拟合曲线.结合流固耦合渗流模型、渗透率拟合曲线和比奥模量等多种参数,构建动态渗透率计算模型,对煤层注水卸压增透过程及其影响因素进行数值模拟,根据模拟结果优选注水工艺参数开展现场实验,对比分析数值模拟结果和现场实测数据.研究结果表明:煤层注水可有效卸载地应力,提高低渗煤层渗透性,随着注水时间的增加,增透区域以注水钻孔为中心向径向方向均匀扩展,注水钻孔间会产生水力复合影响区域,降低注水增透效果,注水压力、钻孔孔径和钻孔间距均不同程度影响水力耦合区域;在相同注水时间下,选用0.2 m孔径及5 m钻孔间距,在8 MPa水压下煤层注水卸压增透效果较好.     

浅埋薄基岩自燃煤层火源位置探测数值计算及应用

数值计算方法是研究氡迁移机制问题常用的手段之一,以半无限大均匀多孔射气介质为计算模型,推导出氡在其中的运移传播方程,并分别计算了只有扩散或对流作用下射气介质表面氡运移及析出规律。计算结果发现,半无限大均匀多孔介质中氡浓度分布规律服从指数分布。在以扩散对流作用为主的氡迁移过程,射气介质的氡析出率取决于射气介质孔隙氡浓度大小及流体的对流速度。只在扩散作用下氡析出率的大小由孔隙浓度决定;只在对流作用下氡的析出率由流体流动方向和流速大小决定。将计算结果应用于测量浅埋藏薄基岩自燃煤层地表氡值,探测结果与理论计算结果吻合度高。     

隧洞开挖过程中的裂隙多孔介质水力耦合分析

基于有效应力的概念,在Biot理论的基础上给出了考虑液体和颗粒可压缩性的多孔介质水力耦合理论的控制方程——流体的连续性方程,动量平衡方程,材料的本构方程和Darcy定律,并且与传统的Biot固结方程进行对比,阐明了Biot系数的意义和形式。利用Bear等提出的等效连续理论把多孔介质理论推广到裂隙岩体介质中去,采用了与变形相关的渗透系数张量,建立了孔隙率和体积应变以及渗透系数和体积应变的函数关系,利用有限元法求解具有强烈非线性特点的耦合方程,并且对岩体隧洞开挖过程中的流固耦合机制进行了数值仿真分析。     

基于FLUENT的采空区流场数值模拟

研究使用FLUENT进行采空区数值模拟多孔介质渗透率确定方法时,引入通风阻力定律验证所建三维模型。分别从x、y、z 3个方向总结分析采空区垮落煤岩体碎胀系数,确定采空区孔隙率和渗透率三维连续分布函数。将采场空间作为一个与采空区渗透系数不同的多孔介质区域,建立更加准确的工作面—采空区连续流场数学模型。引入通风阻力特性,对比数值模拟与现场实测压差、风量验证所建阻力系数模型。以沙曲矿14204综采工作面为背景,结合现场实测参数进行数值模拟验证,结果表明该模型是可靠有效的。     

上海深层承压水抽水试验流固耦合三维数值模拟

上海深部含水层降水对地面沉降影响的研究较少,是水文地质领域具有挑战性的难题之一。上海某工程实施的第二承压含水层现场抽水试验结果,简略分析降深与沉降关系,并采用建立水土流固耦合三维计算数值模型,进行抽水试验的三维流固耦合反演分析及模拟计算,获取本场地承压含水层水文地质参数,据此建立的数值模型能够很好地反映实际地下水渗流场的变化规律。     

白象山铁矿富水巷道遇断层防水岩柱留设研究

基于多孔介质流固耦合理论及弹塑性极限平衡理论,以白象山铁矿-390-1#穿脉与导水断层交汇处为工程背景,建立穿脉巷道遇大倾角导水断层数值模型,研究在不同侧压力系数条件下防水岩柱的留设宽度,探讨和研究在巷道开挖扰动下围岩系统的应力及应变场变化规律以及对巷道围岩稳定性和突水风险性的影响规律。     

白象山铁矿富水巷道遇断层防水岩柱留设研究

基于多孔介质流固耦合理论及弹塑性极限平衡理论,以白象山铁矿-390-1#穿脉与导水断层交汇处为工程背景,建立穿脉巷道遇大倾角导水断层数值模型,研究在不同侧压力系数条件下防水岩柱的留设宽度,探讨和研究在巷道开挖扰动下围岩系统的应力及应变场变化规律以及对巷道围岩稳定性和突水风险性的影响规律。     

采动影响下等效连续介质水岩耦合数学模型及应用

为研究采动影响下含水层渗流场演化规律,推导了以应变为参数的裂隙岩体等效渗透系数,基于Biot固结理论建立了等效连续介质水岩耦合数学模型,采用快速拉格朗日有限差分进行了数值模拟.研究结果表明：裂隙是采动岩体渗流的主要通道;煤层开采初始阶段岩体渗透性增加区域在底板呈“W”形分布,在顶板岩体渗透性增加区域呈“M”形分布;当含水层渗透性增加区与下方顶板渗透性增加区相交时,形成导水裂隙;在渗透性增加区内岩体形成了相对“膨胀区”,而在渗透性降低区内岩体产生被压缩的现象.     

基于流固耦合理论的尾矿库数值模拟及模型试验研究

以云南省某尾矿库为例,运用流固耦合原理进行尾矿库三维有限元数值模拟,研究尾矿库在正常工况和洪水工况下浸润线高低和孔隙水压力大小变化情况,并运用模型相似理论建立室内尾矿库试验模型,分别在2种工况下进行浸润线和孔隙水压力实际测量。研究结果表明:正常工况下,数值模拟中考虑流固耦合作用比不考虑流固耦合作用时浸润线偏差5%,孔隙水压力大小偏差30%;模型试验实测浸润线和孔隙水压力结果与考虑流固耦合作用时偏差分别为0.12%、6%,不考虑流固耦合作用时偏差分别为0.35%、21.20%。洪水工况,数值模拟中考虑流固耦合作用比不考虑流固耦合作用时浸润线偏差10%,孔隙水压力偏差16%;模型试验实测浸润线和孔隙水压力结果与考虑流固耦合作用时偏差分别为4.6%、4.1%,不考虑流固耦合作用时偏差分别为7.3%、11.3%。在2种工况下,数值模拟考虑流固耦合作用时尾矿库内浸润线和孔隙水压力更加接近室内模型试验结果。因此,在数值模拟中考虑流固耦合作用的计算结果更加趋于实际工程情况和满足工程实际要求。     

某铅锌矿井下采空区对地表沉降的影响分析

为了评估某铅锌矿山井下采空区对地表沉降的影响情况,通过理论分析与数值计算方法,将采空区对地表沉降影响进行了数值模拟与分析,得到了地表可能发生沉降的范围与尺度。研究结果表明:模拟结果与地表实际塌陷位置在整体方位上具有相似性,为采空区治理与地表沉降监测提供了参考。     

煤层瓦斯流固耦合渗流的数值模拟

将渗流力学与弹塑性力学相结合,考虑煤层瓦斯和煤体骨架之间的相互作用,建立了煤层瓦斯运移的数学模型,并给出其数值解。对煤层瓦斯渗流方程和煤体变形场方程分别进行离散,得到其相应的泛函方程。根据有限元法原理推出其耦合求解方法,最后进行了实例计算,证明所建立了理论是正确的。     

基于瞬变电磁法探测结果的煤层底板突水数值模拟研究

基于井下瞬变电磁法对某矿71309工作面底板含水性的探测结果,划分煤层底板岩层含水性分布异常区,结合实际地质条件,借助FLAC3D软件建立流固耦合数值计算模型,并对数值计算结果进行分析,结果表明:煤层底板受采动及承压水影响,底板破坏带与含水异常区对接,发生底板突水事故。研究结果为指导煤矿安全生产提供了参考依据。     

护巷小煤柱留设的可行性研究

从数值模拟、矿山压力理论分析和经验公式计算等多方面综合分析,确定防护小煤柱的合理尺寸。以某矿新331工作面合理小煤柱的宽度留设为例,采用数值模拟方法,分别获得顶板下沉、底臌、两帮的位移值,分析发现,当煤柱尺寸为4.5m左右时,巷道各部分的位移已经趋于稳定;从矿山压力理论分析,合理小煤柱尺寸为4.0-4.5m之间;根据经验公式可以求出该煤矿小煤柱的留设宽度为4.5m。综合分析可以确定,该煤矿护巷小煤柱的合理尺寸为4.5m。结果表明,用本文研究方法确定合理的煤柱留设尺寸,是相对比较准确的,在以后的实践中具有重要的参考价值。     

构造应力和节理耦合对采煤沉陷的控制作用分析

为了提高采煤沉陷设计计算的精确性,掌握构造应力和节理耦合对采煤沉陷的控制作用,采用FLAC有限差分程序建立数值模拟模型,分析不同构造应力和不同节理条件下对采煤沉陷的影响,为采煤沉陷预防提供一种有效的设计分析手段。     

羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程井壁稳定性分析

基于三维快速拉格朗日有限差分法多孔介质流固耦合理论及弹塑性极限平衡理论,根据羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程QK-2井实钻资料,分析在渗流条件下井壁失稳机理,并对失稳段井壁稳定性进行了数值模拟分析,研究在不同钻井液密度下井径周围围岩应力分布和井眼坍塌或拉裂变形规律,为羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程确定地层不坍塌(不缩径)、不压漏的钻井液安全密度窗口,以便为钻井井身结构设计及合理钻井液密度的确定提供依据。