基于分数阶导数的非饱和渗流问题研究

非饱和渗流问题广泛存在于煤炭工程领域。 现有实验表明,均方位移与时间成非线性关 系,但经典的Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程未考虑这一情况。 针对这一问题,本文通过引入时间分数阶导数,结 合两种水力传导系数对新的Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程进行了数值求解。 在此基础上,分析了时间分数阶 Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程中的相关参数对含水量曲线的影响,并对已有论文的实验数据进行了拟合。 结果 表明,新的模型能够描述反常扩散条件下的非饱和渗流问题。     

基于零厚度黏聚力单元的水力压裂裂隙空间分布影响分析

作为页岩气开采关键技术,水力压裂在目标岩层产生大量裂隙,构成页岩气有效运输通道。因此,研究裂隙的空间分布和影响因素具有重要意义。采用连续-非连续方法,通过ins-coh程序在ABAQUS有限元模型全域内批量嵌入零厚度黏聚力单元,得到计算模型。考虑到水力压裂中的流固耦合,编写用户子程序确定孔隙压力初始场分布,并给出压裂阶段压裂液的流动准则和流固耦合方程。随着压裂液的注入,黏聚力单元发生破坏,连贯的张开区域形成页岩气运输通道。在验证该方法可行性基础上,结合西南某地区页岩气储层典型地质条件,进行三维水力压裂数值模拟。模拟结果显示:该方法能够合理模拟高水压下压裂液在岩体中流动,岩体裂隙面萌生、扩展、贯通的完整破坏过程。最后,通过设计多组模型进行对比分析,探究注液速度、初始裂隙间距和长度对裂隙空间分布的影响,为实际工程的方案设计提供指导意见。     

基于损伤理论的多孔介质动力解析

介绍了多孔介质连续化方法和连续介质损伤力学研究的一般方法，采用宏，细观相连接的损伤模型，描述了多孔介质的骨架刚度和流体通道演变过程，在连续介质力学守恒定律的基础上，推出了非饱和土的动力方程，进而，可方便地退化为饱和多孔介质的动力方程和一维固结构方程。图3，参11。     

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。     

矿山岩土液化有限元数值模拟与π定理的耦合研究

实际工程中的矿山泥石流现象非常复杂,仅靠理论分析对矿山安全中的岩土液化问题进行求解存在许多困难。应用OpenSees有限元平台和非线性空隙介质固液耦合本构方程理论对矿山岩体与砂土液化现象进行数值模拟,应用无量纲分析法分析了复杂的矿山泥石流现象影响因素。无量纲分析结果与实际情况一致,且能够直观地表达各无量纲量对岩土液化现象的影响,为矿山安全生产研究提供了一种新的思路和依据。     

煤岩水力压裂物理试验研究综述及展望

水力压裂物理模拟是对压裂过程中裂隙演化及其动力学过程的近似再现,成为了煤岩压裂机理研究的重要手段。相似理论是现场原型与试验模型转换的理论基础,试验装置和相似材料是物理模拟试验的物质前提,监测方法及检测技术是评价水力压裂致裂效果的关键部分,从以上3点对水力压裂物理试验的相似理论发展、试验材料和装置的演变、常用监测检测方法的特点和适用范围等方面进行了总结。分析认为：水力压裂的相似准则已经初步成形,但需要结合煤岩物理力学特性进一步修正,并利用数值模拟手段探究相似准则推导中忽略的次要因素影响程度,提高经验方程的可靠性与适用性;针对煤岩的多种物理力学性质,现阶段已得出许多相似材料的经验配比方程,但仍需要一套详尽的配比试验规范及大量试验尝试,提升试验的可重复性,以建立更具普适化的相似材料配比经验方程数据库;压裂装置正向着模拟条件更多、模拟范围更广、模拟尺度更大的多场耦合方向发展,压裂方法也随着工程应用逐渐多样化,但压裂装置三轴加载精度有待进一步提高,以保证高应力条件下压裂试验的有效进行,降低试验操作对最终结果的影响;监测方法与检测技术对水力压裂致裂效果的评价各有优势,相似材料对监测方法与检测技术的...     

水力冲孔有效影响半径数值模拟

根据力学平衡方程和质量守恒定律及煤层渗透率、孔隙率、煤岩体积应变等参数的关系,建立了煤层底板巷水力冲孔气固耦合方程。通过模拟不同出煤量的水力冲孔有效影响半径变化,得出水力冲孔有效影响半径随冲出煤量和抽放时间的增加而增加。当冲出煤量为1 t/m时,有效影响半径为5.8 m,卸压增透效果十分理想。     

河流强水力联系下采空区水害综合防治技术

为切断地表水对采空区水的补给通道,疏放采空区积水,消除水害威胁;根据工作面回采期间工作面涌水量变化、物探及钻探,确定库车河水是采空区充水主要水源,并建立河水水力渗透水文地质模型;确定采动前后河水水力渗透补给采区积水分为采前低渗流固液耦合作用和采动后高渗流固液耦合作用2个阶段,采用帷幕注浆切断库车河与A_3煤层顶板基岩风化裂隙水含水层之间的渗透补给。通过物探、钻探效果可知:帷幕注浆切断采空区水的补给通道,保证了矿井安全生产。     

固气耦合相似材料配比的确定方法

为研究固气耦合相似材料特性,运用多元线性回归分析法,结合MATLAB软件求出多因素影响下固气耦合相似材料的回归方程,剔除异常点,从而预测固气相似材料成型特性,得到确定固气耦合相似材料配比的经验方程。试验结果表明:经验方程计算所得的相似材料配比可以满足试验要求。     

大连大魏家岩溶地下水系统管理模型的研究

海水入侵是一个水质问题。解决该问题传统的水文地质计算方法就是建立一个溶质对流—弥散模型。该方法是否对岩溶介质也适用,目前仍是一个争论的问题。笔者在充分分析水文地质条件基础上,从系统工程的观点出发,利用响应矩阵方法建立了以地下水最大可开采量为目标函数的水力管理模型,把保证水质的问题转化为控制各约束条件耦合于管理模型中,较好地确定了该系统的优化开采方案。     

Prediction of Water Inrush from Coal Seam Floors Based on the Effective Barrier Thickness

Floor water hazards pose an increasingly prominent risk in China as coal mining depths progressively increase. Two general models of complete and structural floor water inrush that consider the coupled effect of mining stress and water pressure were developed to address the problems caused by highly confined aquifers under these complex stress conditions. We developed an integrated floor water inrush model, and the floor rock mass was rezoned based on the deformation, failure characteristics, and water inrush mechanism of water-resistant floor strata under the combined action of confined water pressure and mine pressure. The formation of the coupled solid–fluid confined water uplift zone was studied from the perspective of fracture propagation. A formulation was obtained that describes the confined floor water under the coupled effects of mine pressure, water pressure, and solid–fluid interaction. An inrush risk prediction is proposed that considers the relationship between the confined water pressure and horizontal principal stress in the bottom plate’s pressure relief zone.

     

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-2孔钻井液工艺研究

汶川地震断裂带科学钻探项目二号孔（WFSD-2）,地质条件极为复杂,孔壁稳定性差。施工期间由于地层中水敏性矿物吸水膨胀、地层破碎及地应力释放等原因,多次发生孔壁缩径、坍塌掉块及漏失现象。针对以上问题,施工中采用了以低粘增效粉和改性沥青为主要原料的LBM-GLA钻井液体系,通过对钻井液配方、性能参数的合理调整与维护以及固相等方面的控制与处理,较好地解决了上述问题。重点介绍了WFSD-2孔各孔段钻井液的使用及维护情况。     

高掺量粉煤灰注浆材料在采空区治理中的应用

为减少矿山在综合治理工作中的成本问题,进行“粉煤灰掺量水泥注浆材料配比”实验研究.设计正交实验进行粉煤灰-水泥注浆材料析水率、结实率、抗压强度研究,对各实验方案可行性进行研究,优选出最优方案并进行现场工业实验研究.研究表明:固相比为单轴抗压强度的主要影响因素,水固比为析水率、结实率的主要影响因素,水玻璃掺量对试件抗压强...     

固液两相流理论在水煤浆喷嘴上的应用研究

发展以煤代油技术是缓解能源安全问题的一个重要方面,针对供浆系统中存在的喷嘴磨损和堵塞问题,根据水煤浆燃料组分情况运用固液两相流理论对燃料供给过程进行了分析;建立了水煤浆两相粘性流体的一般方程式,且对固相动量方程中相关力进行了分析,通过对固相动量方程和连续方程在边界层区域内的简化,推导出求其解的方程式,得出较为合理的过流表面边界层流动规律。     

Genesis and evolution of discontinuities in geomaterials: Theory and a laboratory experiment

The authors designed and manufactured a test stand to study origination and evolution of discontinuities in rocks. Based on the laboratory experimental data obtained for artificial geomaterials and the new-developed geomechanical model, the state equation for shear deformation of a discontinuity is synthesized.     

清洁压裂液与水对煤层渗透率影响对比试验研究

针对煤矿井下采用不同压裂液增加煤层透气性的工程问题,开展了多组有效应力作用下烘干、含水与含清洁压裂液3种煤样的渗透率对比试验,并利用多孔介质和流体力学理论分析了压裂液影响煤层渗透率的机理。研究结果表明：饱和清洁压裂液煤样渗透率比饱和水煤样渗透率平均高出177.83%,随着有效应力增加,煤样渗透率均呈指数关系降低;压裂液对煤层渗透率的影响受表面张力影响,表面张力大,液体会在煤体内占据更多瓦斯运移通道,从而降低煤层透气性,与清水相比,清洁压裂液有效降低了煤体内部孔隙表面液体张力,增大了瓦斯运移通道,提高了煤层渗透率,有利于煤层气的抽采。     

植物胶冲洗液在东乌旗阿吉勒铅锌矿钻探施工中的应用

内蒙古东乌旗阿吉勒铅锌矿区地层复杂,钻进过程中经常遇到多个构造破碎带,以凝灰岩和碳质板岩为主,蚀变发育,在泥质、硅质胶结段极易遇水膨胀、水化分散,造成坍塌、缩径等护壁难题。在采用多种冲洗液效果不理想的情况下,试验应用了植物胶低固相冲洗液,达到较好的防塌效果,且适应性强、粘度适中,形成的泥饼薄而致密且有韧性,成功地解决该矿区钻孔护壁难题。以ZK1507钻孔为例,阐明了所采用的冲洗液在水敏性地层取得明显的防塌效果。     

破碎岩体流固耦合渗流的分岔

利用承压破碎岩石非Darcy渗流的渗透特性试验规律,对破碎岩体渗流动力系统进行了应力场与渗流场耦合的分岔行为研究.根据多孔介质的有效应力原理建立了含有孔隙度及孔隙压力等渗流物理量的应力场控制方程;考虑流体与固体骨架各自的运动速度,分别建立了流体非Darcy渗流的运动方程以及固体骨架和流体的连续性方程,推导出含有应力场体积应变的渗流场控制方程;得到了垮落破碎岩体由自然堆放状态过渡到压实状态时的弹性流固耦合一维非Darcy渗流的非线性动力学方程组,分析并求解了渗流系统的平衡态,利用逐次亚松弛迭代法分析了平衡态的稳定性,得到了无量纲化孔隙压力、渗流速度随参数变化的动力学响应,指出破碎岩体渗流动力系统存在鞍结分岔.在分岔点处任意微小的扰动易诱发渗流失稳,引发突水等动力学灾害.     

热力生产过程中饱和水流动的探讨

对直接空冷回水过程进行了分析,利用流体力学和水工学中压力流、射流、无压流的相关理论方法,描述了凝水管道中饱和水的流型及变化,论述了回水状态的变化和对热力系和管道布置的影响。