基于渗流实验的三轴流固耦合离散元数值模拟研究

卸压开采覆岩的应力场、裂隙场及渗流场耦合特性直接影响卸压瓦斯的运移特征。 本文 根据弹性煤样及贯穿裂隙煤样的应力渗流实验数据,结合渗流立方定律提出了数值模型中裂隙 煤岩体流固耦合参数的选取方法,建立了三轴加载流固耦合数值模型。 在此基础上模拟分析了 单轴及三轴加载过程中煤样应力、裂隙及渗流的耦合特性。 模拟结果表明:煤样渗透率随着轴向 应变的升高呈Ｓ形变化,在煤样内部裂隙产生前随着轴压的增加而逐渐减小;煤样内部裂隙的产 生及扩张使得渗透率开始升高,且裂隙扩张速度越快渗透率升高幅度越大;围压的升高使得煤样 内部裂隙产生及扩展速度减缓,致使渗透率降低阶段延长,煤样初始渗透率及屈服后的渗透率逐 渐减小。     

裂隙岩体非稳定渗流的离散-连续介质模型

给出了一种非线形耦合分析模型,即离散－连续介质模型，该模型克服了求取两类介质之间水量交换的困难，能更准确地反映裂隙岩体的结构特征和渗透特性.基于该模型导出了裂隙岩体渗流场的非线形耦合分析有限元格式，并编制了相应的有限元程序.最后给出算例分析，验证了所提出的方法的可行性和实用性.     

多场耦合作用下煤与瓦斯突出机理分析

为预防煤与瓦斯突出的发生,研究了煤体中裂隙的产生扩展及裂隙产生扩展时引起的振动、电磁辐射和渗流变化的机理,并从振动场、电磁场、应力场、渗流场的耦合角度对一起煤与瓦斯突出事故的发生原因进行了分析。结果表明:煤与瓦斯突出的发生过程是煤体裂隙产生并快速发展的结果,在裂隙的产生过程中必然产生相应的振动场和电磁场,而裂隙的产生扩展以及振动场、电磁场同时又将使煤体内的应力场和渗流场发生变化,这些场综合作用将使含瓦斯煤体裂隙快速扩展、贯通,最终形成大量的宏观裂隙致使含瓦斯煤体突发性失稳破坏,导致煤与瓦斯突出的发生,即振动场、电磁场、应力场、渗流场的综合作用最终导致了煤与瓦斯突出的发生。     

采空区底板运移规律及渗流-应力耦合数值模拟

基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合平台,通过对采空区底板运移规律及承压水上采煤进行渗流-应力耦合数值模拟,分析了开挖过程中煤层底板的应力变化、塑性破坏深度、渗透率变化等,得出了采空区底板裂隙发育及渗透特性变化规律,导水裂隙形成过程。     

采动应力场与瓦斯渗流场耦合理论研究现状及趋势

随着高强度开采方法的广泛应用,采动应力场与渗流场耦合理论的研究成为国内外研究的热点,通过对国内外相关文献的整理与分析,从采动围岩应力场、裂隙场演化规律、瓦斯渗流理论等方面进行了论述,展望了高强度开采应力场与瓦斯渗流场耦合理论的研究方向和有关发展趋势。高强度开采条件下将应力场与瓦斯渗流场耦合研究是高强度开采条件下保证煤矿安全开采的客观要求,也是解决实际工程中瓦斯安全问题重要的理论基础,对工程实践具有指导意义。     

煤层气非饱和流阶段非稳态流固耦合渗流的一维摄动解析解

煤层甲烷运移包含渗流场、变形场和应力场的动态耦合过程，考虑到渗流过程中水－气两相不溶混流体与固体耦合作用，建立了非饱和水流阶段非稳态渗流问题的流固耦合数学模型，对该强非线性数学模型采用摄动法及积分变换法进行解析求解，并讨论了其压力动态特征，分析了压力随饱和度S及时间t变化的情况和气相以及耦合作用的影响。图4，参6。     

裂隙岩体的固气耦合模型及其在岩盐储气库中的应用

在含裂隙的岩盐中建造地下天然气储库工程必须研究裂隙岩体的气体渗流规律,以确保地下储气库工程安全运行,防止天然气渗漏。提出了岩体和裂隙的变形场与天然气渗流场的耦合模型,并建立了有限元分析的数值解法,在建设地下天然气储库确定气库的运行气压时可提供一些依据,对评价天然气储库的稳定性有参考意义。     

煤矿覆岩裂隙地下水渗流特征的试验研究

覆岩裂隙地下水渗流特征是采煤和采空区后期维护需考虑的重点因素，特别是煤矿地下水库修建区，覆岩裂隙场经沉积作用形成稳定形态，具有良好的储水和导水能力，也是煤矿地下水库重要的组成部分。在浅层地下水丰富区域或夏季极端降雨条件下，地下水库形成垂向补给，分析地下水在覆岩裂隙中的渗流特征为煤矿地下水库安全运营及地下水资源保护提供科学依据。此次研究通过固-液耦合相似模型试验获得开采区覆岩裂隙发育稳定规律及导通含水层后地下水渗流特征，分析得出延伸远空间大的离层裂隙和微裂隙多以储水为主，贯穿多个岩层的垂向裂隙具有很强的导水能力，离层裂隙间的水力联系主要靠两侧区域的垂向裂隙形成。垂向补给条件下，地下水先以非饱和方式沿垂向裂隙进行入渗，由上及下覆岩裂隙逐渐区域饱和，最终形成稳定的饱和入渗形式。在此基础上建立饱和渗流状态的地下水渗流数学模型，并依靠数值法求解，与相似模拟试验相互验证得出垂向裂隙是主要的导水通道，其导水量占比最大可达到97%，与此同时垂向裂隙中地下水的运移速度也远超出离层裂隙中的多个数量级。最后通过敏感性分析得出垂向裂隙渗流量与裂隙发育程度和总涌水量成正相关，与岩石渗透性成负相关。覆岩裂隙中地下...     

巨厚火成岩下采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律研究

为考察巨厚火成岩下远程下保护层开采覆岩采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律,通过采用理论分析、相似模拟试验、数值模拟实验及现场观测的方法,分析了覆岩垮落变形和裂隙发育规律,研究了巨厚火成岩下瓦斯储运规律。结果表明：巨厚火成岩控制着其上覆岩层的全部运动,弯曲带内存在裂隙与离层长期不闭合的区域,即离层区;弯曲带内离层区存在大量离层裂隙和少数穿层裂隙,其中裂隙成为瓦斯运移的通道,离层成为瓦斯的富集区;巨厚火成岩下断裂带与离层区内气体运移与煤岩体变形之间存在着复杂的相互作用,它是渗流场、浓度场和裂隙场（包括离层）之间耦合的一个动态平衡体系。     

采动渗流场分析方法

煤炭高强度开采中含水层保护是绿色安全开采的难点，采动局域渗流响应规律则是含水层保护方法与技术的认知基础。研究采用多场源耦合分析思路和有限的矿区水文观测数据，通过剖析开采行为与渗流场响应耦合关系，构建采动局域地下水系统和分析采动渗流场时-空演化规律及采动-渗流耦合累积效应，结合典型案例分析，形成适于矿区地下水保护的采动渗流场分析方法。结果表明：(1)分析提出基于“开采激励-覆岩应变-渗流场响应”耦合和开采动能量与渗流场势能量传递关系的采-渗耦合机制，构建了描述采动局域渗流场状态的采动渗流系统(MSS)和采动渗流场的导通区、扰动区和辐射区划分架构；(2)构建集导通区“柱状渗流模型”和扰动-辐射区“井-渗”态模型为一体的采动渗流场分析简化模型，提出采-渗耦合系数、采动渗流量、视导水系数、源-位距等采动渗流场描述参数，含水层损伤、安全开采风险等含水层保护分析参数；(3)揭示采-渗耦合系数是影响局域采动渗流响应特征的关键因子，发现硬岩类较软岩类覆岩耦合强度和影响范围大，低导水性较高导水性含水层的采动渗流场响应区域窄、频度高和累积影响距离近，采动渗流量和介质导水性等响应显现周期性、振幅波动性和涌流...     

渗透水压力对节理裂隙岩质边坡的影响

基于岩体裂隙网络模型，对含二维平面单裂隙的岩体，分析了渗透水压力与岩体应力场间的相互影响关系，研究讨论了渗透水应力（渗透静水压力及切向拖曳力）、岩体中应力场和裂隙间的相互耦合作用关系，指出了渗流水诱发裂隙岩质边坡失稳破坏的作用机理。     

矿山井下岩体裂隙变形与水渗流关系模型

以实现矿山井下热害治理和热能源利用一体化为出发点,阐述利用流体渗流特性开发矿山地下热能的可行性;提出用高压水泵人工制造裂隙,用冷水冲刷地下热岩获取热能的想法;找出矿山井下自然涌水的主要原因;分析岩体裂隙变形的成因、特性,用数据表明建立岩体裂隙变形和渗流关系模型可以在等效连续介质状态下进行;最后建立了岩体裂隙变形与渗流关系模型,得出矿山地下水在岩体中的流动与岩体裂隙变形之间的关系。     

破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。     

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.     

Rheological numerical simulation for thermo-hydro-mechanical coupling analysis for rock mass

Under the environment of seepage field, stress field and temperature field interaction and influence, the three fields will not only produce coupling effect, but also have deformation with time due to the rheological behavior of rock mass. In the paper, based on the fundamental theories of rock mass coupling theory and rheological mechanics, the rheological model for fully coupled thermo-hydro-mechanical analysis for rock mass was set up, and the corresponding constitutive relationship, the conservation equation of mass and the conservation equation of energy were given, and the finite element formulas were derived for coupling analysis of rock mass. During establishing governing equations, rock mass was assumed approximately as macro-equivalent continuum medium. The obtained rheological numerical model for fully coupled thermo-hydro-mechanical analysis can be used for analyzing and predicting the long-term stability of underground caverns and slope engineering under the condition of thermo-hydro-mechanical coupling with rheological deformation.     

基于应力-渗流-损伤耦合作用下煤矿突水模拟

突水是影响煤矿安全生产的重大灾害问题之一。本文以山西阳泉煤矿顶板突水为例,考虑突水破坏过程中岩体损伤的判别依据,及其对煤岩体力学性质的影响,建立应力-渗流-损伤耦合模型,阐述了煤岩体破坏的损伤演化过程与渗流突水机理。结果表明,顶板岩体损伤区域贯通、两侧裂隙网络交汇是造成阳泉煤矿顶板突水的根本原因。在此过程中,煤岩体中的裂隙延展、渗流状态与应力演化之间的相互作用,导致岩体损伤破裂形成贯通性的导水通道,诱发突水灾害的产生。研究结果为矿山隔水煤柱的留设提供了依据,也为煤矿顶板突水问题提供了研究思路。     

巷道围岩渗流场和应力场各向异性特征分析及应用

依托范各庄煤矿12号煤层底板的砂岩巷道工程实际,应用岩体结构面非接触测量（ShapeMetriX3D）系统,对巷道开挖面进行岩体结构面数字摄影测量及识别,得到岩体结构面的几何分布参数;在此基础上,利用Mont-Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论计算岩体的渗透张量和弹性张量,研究了岩体力学参数各向异性和尺度效应;最后,建立了平面应变情况下的巷道围岩各向异性渗流力学模型,采用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件,计算得到了可以考虑节理分布特征的巷道围岩应力场和渗流场,并讨论了岩体力学性质主方向对围岩应力场、渗流场及损伤区的影响。研究表明,岩体的各向异性对数值模拟结果影响显著,等效连续介质的各向异性模型能考虑岩体结构面的影响,更符合工程实际。     

水-岩耦合作用下边坡岩体渗流二维数值模拟

为了研究岩体渗流及水-岩耦合作用对边坡稳定性的影响,首先基于岩体特征建立等效连续介质模型,然后采用有限元法求解该模型,并利用SEEP/W软件模拟正常水位、暴雨入渗和排水疏干时采区地下水渗流。结果表明：等效连续介质模型可靠性高,地下水二维渗流存在各向异性,且裂隙轴向的水力坡降明显大于裂隙径向;3种工况水力坡降明显区域均为边坡表层、不同岩层交界处及混合Ⅰ岩内;暴雨入渗时水-岩耦合作用导致岩层拉应力增大、孔裂隙扩展,剪切滑移为边坡失稳主要诱发机制,而排水疏干有利于提高边坡稳定性。     

采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析

底板岩层在采动过程中的变形破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。为了研究底板岩层破坏的细观机理,描述底板岩层的裂隙演化,在分析煤层底板应力环境的基础上,基于岩石工程破坏准则,采用连续介质损伤力学和几何损伤理论的研究方法将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则,建立了煤层底板脆性裂隙岩体介质在孔隙水压力作用下受采动影响的脆性动力损伤发展和孔隙率演变模型。并应用该模型对谢桥矿8#煤层开采过程中的底板变形破坏特征和裂隙水的迁移活动规律进行了脆性动力损伤分析。该损伤力学模型可用于煤层底板稳定性分析。     

裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论:随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。