热采井套管热固耦合作用数值模拟分析

套管损坏是热采工艺中出现的主要问题之一,其主要影响因素是热力耦合作用。应用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics对热采井套管的热固耦合问题进行了数值模拟,通过应力和温度的耦合计算,得到套管受力变形情况并分析结果。     

深部巷道围岩热-固耦合分析及数值模拟

为了研究深部巷道围岩温度场、应力场的分布规律及其耦合作用,基于理论分析,得出热应力影响下巷道围岩应力场的解析解,并通过数值模拟和现场监测研究了热应力对围岩稳定性的影响。研究表明:围岩温度分布呈非线性变化,表层温度梯度大,围岩深部温度梯度小,且热应力与温度梯度呈正比;随着巷内温度与原岩温度差值的增大,围岩塑性区、应力场、位移场都有不同程度的增大;巷内温度在风流作用下,温度不断地变化,形成的热应力作为附加应力会对深部巷道围岩应力场施加变化的作用力,易使巷道围岩发生挠动失稳。     

岩石热损伤破裂的数值模拟研究

基于颗粒流离散元程序PFC^2D建立热力耦合数学模型,针对温度作用下花岗岩的破坏裂纹扩展演化规律展开模拟研究。数值模型计算结果表明：热冲击下数值模型的裂纹均从四周开始向内部延伸,并在边界处产生相对较密的裂纹;升温与降温均会对岩石造成一定的热损伤,升、降温过程中裂纹均率先出现在热膨胀系数较大的颗粒之间,400℃为该岩种的起裂温度;升降温过程分别产生的主要裂纹的力学属性不同;降温导致岩石宏观力学特性小幅增强后大幅劣化,力学性质衰减42%。计算结果与试验现象保持较好的一致性。     

瓦斯运移规律气固耦合数值模拟研究

在高瓦斯矿井实测了瓦斯基本参数,运用数学偏微分方程,建立了瓦斯运移方程,嵌入仿真数值模拟软件,分别对不同埋深和瓦斯压力下对瓦斯渗流速度、瓦斯渗透率进行了模拟研究。模拟得出埋藏深度和瓦斯压力对渗流速度基本无影响,而埋深和瓦斯压力增加,渗透率较低。渗流速度和渗透率因采动破坏而变化,在煤体原始状态趋于稳定。瓦斯运移气固耦合模拟研究,为矿井配风和瓦斯防治提供了一定的指导。     

基于流-固-热耦合的CO2-ECBM数值模拟研究

为了分析煤储层特征参数对CO_(2)注入煤层提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)工程的影响,基于二元气体的非等温竞争吸附和渗流扩散特征,建立CO_(2)-ECBM的流-固-热耦合模型,进行CO_(2)-ECBM工程数值模拟研究,分析初始储层温度、渗透率和压力对煤层渗透率、CH;生产速率和CO_(2)封存速率的影响。结果表明:CH;的生产速率在抽采初始阶段下降迅速,之后随着抽采时间的增加,生产速率减幅越小;CO_(2)封存速率可以被分成3个阶段:初始迅速减小,中期几乎保持稳定,后期缓慢减小;CO_(2)未影响区域,煤层渗透率的变化规律是先略微减小然后不断增加,CO_(2)影响区域,煤层渗透率迅速下降;相同条件下,储层的CH;生产速率和CO_(2)封存速率与初始储层温度成反比,与初始储层渗透率和初始储层压力成正比。     

不同耦合介质下岩石损伤特性数值模拟研究

为探究空气和水不耦合爆破的岩石损伤特性,利用数值模拟分析了五组不耦合系数模型爆破后的岩石损伤演化过程、破裂范围以及孔壁峰值压力,最后开展现场试验验证数值模拟结果。结果表明：随着径向不耦合系数增大,空气不耦合爆破的岩石损伤区域范围衰减更加明显;水不耦合爆破产生的初始冲击波能量更大,传播过程中的能量利用率更高,且由于水介质的几乎不可压缩性,能量能够较平缓而均匀地作用在炮孔壁上;相同不耦合系数条件下,水不耦合爆破后的孔壁峰值压力更大,但水介质能够对孔壁产生较好的保护作用,进行隧道光面爆破试验后效果更好。以上研究可为隧道光面爆破装药结构选择提供一定的参考依据。     

热-流-固耦合岩体三轴压缩实验数值模拟

为了探究岩体渗透特性与应力场和温度场之间的关系,进一步获得耦合条件下岩体的力学行为规律,在温度场、渗流场、应力场三场耦合条件下,对岩体进行不同围压梯度、不同Darcy渗透系数的三轴压缩实验的数值模拟研究。研究表明:围压是影响岩体渗透性的因素之一,在其他各场条件一致的工况下,围压越大,岩体的渗透性越低;作用于岩体的应力场对流经岩体的渗流场产生的影响比较明显,流经岩体的渗流场对岩体内部分布的温度场的影响占主导作用,但作用于岩体的应力场对岩体内部分布的温度场的影响并不十分显著;岩体在多场耦合条件下进行三轴压缩实验模拟,端部效应显著,边缘应力分布集中,岩体应力分布呈现上下对称分布状态。     

深部煤层注气强化开采的流-固-热耦合数值模拟研究

为研究温度效应对深部煤层注CO₂增抽瓦斯的影响规律,根据煤体变形特征和瓦斯渗流特性基本理论,建立了同时考虑非等温吸附、二元气体竞争吸附、气体渗流和扩散、热传递和热对流的注CO₂强化煤层抽采的流-固-热耦合模型,探究了温度效应对煤储层参数和产气演化规律的影响。结果表明：煤层温度降低引起的煤基质收缩促进了CH₄解吸,忽略温度效应的流-固耦合模型会低估瓦斯产气量;在初始渗透率为3.95×10^-17 m²,CO₂注气压力为8 MPa时,对于韩城矿区3^#煤层埋深1 400 m的深部煤体而言,考虑温度效应（319.5 K）的流-固-热耦合模型相比流-固耦合模型,瓦斯抽采3 650 d,煤层平均瓦斯压力下降0.69%,A点渗透率增幅11.02%,产气速率增幅13.51%,累计产气量增幅13.76%。     

基于流-固-热耦合的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为了提高煤层瓦斯抽采效果预测的准确性,揭示瓦斯抽采过程中煤层各参数的变化规律,基于煤岩结构和瓦斯煤层内运移特征,结合岩体力学、渗流力学、传热学相关理论,建立了煤层瓦斯抽采的流-固-热耦合模型,进行了单裸竖直钻井瓦斯抽采数值模拟,结果表明:所建模型解算结果与工程实际相吻合,能够满足工程需要;在瓦斯抽采过程中煤层温度、瓦斯压力和产气速率均随着抽采时间的增加而减小,瓦斯抽采活动对煤层温度的变化有着很大影响;由于瓦斯吸附量减少和温度降低引起的煤基质应变降低值大于煤层压力降低引起应变增高值,瓦斯抽采影响范围内煤体渗透率不断增高,但受煤层瓦斯运移、解吸速度的影响,煤体渗透率增高速率不断减缓。     

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。     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。     

高承压水上采煤固流耦合数值模拟

随着矿井开采深度的增加,一些深部有高承压水的煤矿正面临高承压水上采煤的现状。根据"下三带"理论,在工作面推进过程中,煤矿底板要受到采动压力及高承压水的破坏,但是底板破坏带及承压水导高带很难用解析的方法进行计算。基于此,通过研究地下水渗流场和应力场耦合作用机理,建立了渗流场和应力场的耦合方程,并采用数值计算软件ANSYS对葛亭煤矿11601工作面进行了模拟研究,获得了采动破坏带和承压水导升带的破坏范围。最后,用双端堵水器测定底板破坏深度验证了模拟的结果。     

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 ,证明所建立的理论是正确的     

含水煤层热流固耦合模型建立及数值模拟研究

为优化含水煤层瓦斯抽采孔的布置方式,在考虑气—水两相流、应力及温度因素的基础上,建立了能够描述煤层在瓦斯抽采过程中的热流固耦合模型。以平顶山某矿工作面的相关物性参数为基础进行了数值模拟,采用COMSOL Multiphysics高效模拟软件进行科学数值计算模拟。研究得出,含水饱和度对气体的相对渗透率影响显著,而且随着抽采的进行,钻孔周边含水饱和度随之而提高,阻碍了瓦斯抽采工作的进行;在瓦斯抽采过程中,随着抽采时间的进行,压力的变化梯度逐渐变小,且呈现非线性关系;瓦斯抽采过程中需要考虑温度对其影响,温度的变化对煤层渗透率的变化有着重要的作用。故在对煤体进行水力化处理时,需要优先采用排水手段,结果表明在煤体中注入水蒸气可有效提高瓦斯抽采效率。     

立井井筒注浆封堵固液耦合数值模拟

针对某煤矿复杂水文地质条件下立井井筒严重涌水的实际情况,采用理论分析和数值模拟相结合的综合研究方法,深入分析了立井井筒涌水机理;结合井筒围岩特性和周围地下水渗流场的变化规律,通过试验研究,选择以马丽散N为主的注浆材料;在考虑水体作用条件下,通过FLAC3D对立井井筒注浆封堵进行固液耦合数值模拟,分析了马丽散N在立井井筒注浆封堵中的使用效果;经过实测煤矿涌水量最终小于0.05 m3/h,达到了防治井壁破裂、封堵涌水的目的,抑制了井壁附加应力。     

浅埋煤层开采固液耦合的数值模拟研究

在前期固液耦合物理模拟的基础上,应用岩石破裂过程渗流与损伤耦合作用分析系统(F-RFPA2D),以大柳塔煤矿20601工作面50 m基岩厚度处为例,固液耦合模拟再现了采动后其上覆岩体破坏的动态发展过程;揭示了采场顶板破断后潜水向工作面溃流规律,松散层厚度和潜水水位对上覆岩层破断规律以及对开采参数的影响;模拟比较直观地得到了采动下岩层裂隙发展及贯通引起的突水过程。     

矿山井下泥石流形成机理与固液耦合数值模拟研究

在雨季,随矿山围岩崩落的上层覆盖物和土壤吸水饱和,在爆破动载荷作用下可能产生液化并涌入采场,形成井下泥石流,给矿山的安全生产带来重大危害。运用动态非线性固液耦合本构方程,研究在动载荷作用下饱和岩土液化的机理,分析爆破动载荷与井下泥石流的关系。以程潮铁矿多次发生的井下泥石流事件为例,运用OPENSEES有限元数值模拟,计算结果表明,爆破动载荷对泥石流存在直接影响,最终计算结果与数值模拟吻合,为雨季矿山的安全生产提供了依据。     

钻孔瓦斯抽采流-固耦合数值模拟

为了探究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯压力随时间的变化规律,通过建立流-固耦合模型,考虑渗透率、孔隙率和体积应变的动态变化,结合矿井煤层物性参数,运用多物理场软件进行了模拟分析。分析结果表明:随着抽采时间的延长,钻孔周围煤体瓦斯压力逐步降低,在瓦斯抽采过程中,瓦斯压力的降低有助于渗透率的提高,但影响效果甚微,埋藏深度对煤层渗透率起主导作用。