采场覆岩破坏流固耦合的数值模拟分析

为了分析浅埋煤层中渗流场与应力场相互影响,在理论分析的基础上建立了厚松散层富含潜水浅埋煤层开采的数值模型.浅埋煤层开采过程中采场覆岩破坏的流固耦合模拟表明,渗流场与岩体应力场耦合对覆岩的破坏有很大影响.在基本顶岩层悬梁达到接近极限破断距时,岩层破坏受水压的扰动十分敏感,在渗流影响下很容易失稳;在上覆岩层发生整体破断时,岩层的渗透系数、潜水流量及潜水水头都将发生突变,这些渗流参数的突变进而影响上覆岩层的稳定性.     

裂隙岩体渗流水-岩耦合数值分析

以单条平直裂隙中的水流运动规律和裂隙网络渗流模型为基础，介绍了裂隙岩体渗流场与应力场耦合非线性分析的基本原理以及两场耦合的数学模型，并说明了耦合计算方法及步骤，运用算例，通过对比分析耦合及非耦合两种情况下的渗流场等值线图，说明了在渗流场必须考虑水-岩耦合作用。     

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。     

温度-应力-化学三场耦合作用下深部软岩巷道蠕变规律数值模拟

描述了所建立的连续介质温度场-应力场-化学场三场耦合控制方程。使用有限元程序对地下1 500 m的深部软岩巷道蠕变规律进行了温度场、应力场和化学场三场耦合过程的三维数值模拟,分析了温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变规律的影响。结果表明,深部软岩巷道产生大应变,主要来源是蠕变,弹性应变和热应变次之;温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变都产生不可忽视的影响,就影响程度来看,应力场影响最大,化学场和温度场次之。     

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。     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

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。     

裂隙状采场底板固流耦合作用的数值模拟

提出了承压水上采煤的裂隙介质固流耦合数学模型及其数值模拟解法，介绍了西峪煤矿承压水上采煤问题进行的数值试验方法及结论，研究了推进速度，煤柱宽度与水压，煤柱应力，断层渗透系数，断层变形之间的相互关系 。     

陷落柱突水流固耦合渗流模拟因素分析

建立陷落柱流固耦合模型和对应的数值模拟计算模型及陷落柱充填物孔隙率的随机分布,通过有限元多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics对力学模型进行模拟计算,然后分析不同时间点上的陷落柱压力分布云图和不同时刻的剪切力的分布云图及其对应曲线,分析发生突水事故的各种因素,对矿井预防突水事故发生有一定的作用。     

采场围岩流固耦合数值模拟与充填采矿参数优化

司家营铁矿属于水文地质条件复杂类型,为确保采矿安全和矿区水文环境,采用充填采矿法采矿,建设规模为年产铁矿石2 000万t。矿山南区地表赋存丰富第四系含水层,采用渗流-应力耦合数值正交试验,建立了南区开采的优化设计模型。通过数值模拟和优化分析,揭示地下开采对地表岩移和渗流场的影响规律。对于南区充填法采矿,采用所获得的采场结构参数和充填体强度,可以控制地面变形在允许的范围内,潜在大量涌水主要发生在-450 m段和-350 m段,必须采取安全防范措施,避免采场突水灾害。     

司家营铁矿阶段充填法开采流固耦合数值模拟

为了开展司家营铁矿南区充填法采矿的可行性论证以及开采设计参数优化,通过渗流-应力耦合数值正交试验,建立了南区开采的优化模型,揭示地下开采对地表岩移和渗流场的影响。计算结果表明:采用充填法采矿,不会产生地面塌陷;开采过程中围岩中的水会向采空区涌出,主要集中在第一阶段和第二阶段的采场当中,可能产生危险,应提早防范。     

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.     

煤-热协同开采导水断层岩体热-流-固耦合试验研究

导水断层岩体的高渗透性为煤炭-水热型地热能高效协同开采提供了新思路,研究深部热-流-固耦合条件下断层岩体的渗透性演变规律是实现煤-热协同开采的重要前提。自主研制了热-流-固耦合三轴试验系统,开展了导水断层岩体热-流-固耦合特性试验。试验结果表明,热-流-固耦合作用下破碎岩体的渗透过程可以划分为冲蚀增透阶段及体缩抑流阶段,其中,冲蚀增透阶段发生在试验初期,岩体的渗透性参数(孔隙率、流速及渗透率)在该阶段迅速增长,进入体缩抑流阶段后保持小幅波动。高温下岩石颗粒的热膨胀效应抑制了岩体孔隙空间扩展,导致渗透参数在冲蚀增透阶段增长缓慢;水压越高,渗透参数在冲蚀增透阶段增幅越大,表明高水压的冲蚀效应更显著;加载轴压与围压均会促进岩体的体缩效应,抑制渗透压力的冲蚀效果,导致试样渗透特性降低。文章丰富了导水断层岩体热-流-固耦合特性研究,为煤-热高效协同开采提供了试验基础。     

基于温度-渗流-应力耦合作用下地下采空区损伤岩体受力分析

深部矿井地下采空区围岩的受力涉及岩体应力场、温度场、渗流场及损伤的相互作用,属于多场耦合问题.在基于温度-渗流-应力的耦合作用下,考虑损伤场的影响,建立基于THDM耦合模型.该模型完成了热-流-固的完全耦合作用,并在此基础上充分考虑损伤对这3场的影响,建立了4场THDM耦合的数值分析模型,为进一步研究深部围岩的耦合问题...     

岩体裂纹扩展液-热-力耦合模块数值模拟研究

为研究液-热-力三场耦合作用下深地工程岩体裂纹扩展演化机理,基于现有裂纹扩展模拟优势软件FRACOD,进一步研发了液-热-力(H-T-M)耦合模块.此模块采用间接边界元-位移不连续法进行力学数值计算(岩体的变形和裂纹扩展)和瞬态热流模拟,用迭代法模拟裂纹扩展过程.通过地热能开发、地下天然气液化存储工程案例进行分析验证....     

采空区自然发火多场耦合数值模拟研究

采空区遗煤自然发火严重制约着煤矿的安全生产,其受到渗流场、扩散场、化学反应场以及多孔介质传热场共同作用影响,基于这一特点,本文采用有限元数值模拟手段对采空区内部自然发火多场耦合作用进行细致研究,并通过模拟结果与现场实测数据比对验证了模拟的可行性以及模拟结果的可靠性。研究结果表明:依靠传统的三带划分方式并不能很好的确定采空区可能自然发火位置,此外,工作面漏风入口后部煤体温度变化明显,在实际工作中该区域范围应作为重点监控对象。     

采场底板陷落柱渗流突水数值模拟

为研究采动压力和渗透水压对陷落柱渗流突水的作用,建立了采场底板陷落柱突水的物理模型,并利用FLAC3D 软件模拟分析了采场推进过程中应力场和渗流场的变化特征。结果表明,工作面宽度的增加会增加底板的扰动,导致原生裂隙继续往深部发育,进而增大导通下部陷落柱的风险,采用回填方式开采的工作面底板扰动较小,底板岩层破坏的程度较小,为遇陷落柱构造防治突水事故提供指导。     

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。     

承压水上采煤隐伏断层活化流固耦合数值模拟

针对某工作面底板隐伏断层集中发育现象,利用FLAC3D软件建立流固耦合计算模型,模拟在工作面推进过程中,承压水沿裂隙导升过程,并计算出隐伏断层附近各测点物理力学参数;通过分析数据,找出了隐伏小断层在采动及渗流联合作用下的活化规律,预测了衍生裂隙发育及扩展趋势。     

采空区遗煤氧化蓄热的“热-化”耦合过程数值模拟研究

采空区遗煤在满足某些条件的情况下会发生氧化蓄热升温,以煤氧化蓄热过程中的化学反应场和传热场为研究对象,提出了化学反应场与传热场耦合模型,建立了控制方程并借助数值模拟软件对双因素耦合过程进行了模拟;通过参数扫略（储热系数η=10%、20%、50%、100%）,揭示了采空区不同散热条件下遗煤氧化蓄热过程中化学反应速率、煤温随时间的变化特性以及化学反应速率与煤温之间的变化特性。结果表明：耗氧率呈负指数形式变化,煤温依次经历缓慢升温、快速升温等阶段,模拟结果与之前相关学者的研究结果相吻合;化学反应场和传热场在煤氧化蓄热过程中呈现出正向协同作用。