含瓦斯煤Forchheimer型非达西渗流实验研究

针对目前非达西渗流在含瓦斯煤三轴应力状态下研究较少的问题,基于Forchheimer型非达西渗流理论,采用自行研制的含瓦斯煤准三轴渗流试验装置,研究了2个煤矿的贫煤煤样在不同围压、轴压条件下Forchheimer型非达西渗流特性并计算了相关参数。研究结果表明,三轴应力状态下煤样中瓦斯气体流速随瓦斯压力梯度的变化而出现明显的Forchheimer型效应。相同介质和流体下,瓦斯压力和三轴应力状态成为煤体瓦斯渗透规律的主要影响因素。不同围压、轴压条件下,瓦斯渗透速度会随瓦斯压力的增大而增大,但其渗透速度的增大速率最终会趋于恒定。相同围压下,非达西渗流因子β随轴压的增大而增大,且β越大,压力梯度与渗流速度之间的非线性关系越明显,而非达西渗透系数K值会有减小的趋势。     

基于CT三维重建的煤层气非达西渗流数值模拟

为了探究煤层气非达西渗流中各参数对渗流的影响,通过CT三维重建技术,建立了从现场采集到的6种煤样的真实模型。基于建立的真实模型,进行了在30种不同压力梯度下的煤层气渗流数值模拟试验。模拟试验结果表明：（1）在微观尺度下(<100 μm),模拟得到的渗流速度与压力梯度符合Forchheimer高速非线性渗流规律;（2）渗透率随有效孔隙率的增长并不是绝对的,在有效孔隙率较大时会出现局部波折的情况,在相同压力梯度下,渗流速度总的趋势随有效孔隙率、渗透率、非达西系数的增大而增大;（3）非达西系数随着有效孔隙率和渗透率的增大而减小。幂函数拟合和多元回归分析结果表明有效孔隙率对非达西系数的影响最为显著,仅考虑有效孔隙率的经验公式可更加精确的估算非达西系数。由数值模拟结果得到的非达西经验常数为0.003 171,有效孔隙率幂次为-5.387 45。     

地下水非达西渗流分析

非达西渗流分析是地下水资源分析与评价的重要内容。系统地分析与总结了岩土体中地下水非达西 (非线性 )渗流的理论与试验规律 ,采用解析分析和数值分析相结合的研究方法 ,对一维、二维非达西渗流进行了求解 ,并与相应的达西 (线性 )渗流解进行了比较。可以看出 ,不能采用线性渗流规律来近似代替非线性渗流规律     

基于圆孔扩张理论压密注浆不排水条件下理论计算方法

针对目前压密注浆理论未考虑浆液重力和惯性的缺陷,基于宾汉流体的本构方程以及微单元体的受力平衡方程,推导得出了考虑重力条件下土体介质中浆液渗流的速度方程。对于压密注浆,已有的理论仅限于弹性范围,基于圆孔扩张理论,对压密注浆过程中土体塑性区内的应力分布以及扩孔过程中塑性区半径变化和孔壁处的压力变化做了研究,最终计算得出注浆的极限注浆压力。对不排水条件下的柱孔扩张问题分别进行了探讨,同时考虑了超固结比和静止侧压力系数不同带来的影响,展开参数分析。将数值解与解析解对比,发现误差在可接受范围内。     

非轴对称荷载下立井围岩的应力应变分析及其应用

采用基于分离变量法的有限元半解析法对立井在非轴对称荷载作用下开挖过程中的应力应变的动态变化情况进行了分析，得出了立井围岩位移应力随开挖的变化规律，并结合支护分析提出了井壁支护设计与施工的最优方法，为立井井筒的设计和施工提供了新的思路，具有重要的理论价值和广泛的应用前景。     

基于Drucker-Prager准则的深部巷道破裂围岩弹塑性分析

基于Drucker-Prager屈服准则和非关联流动法则,考虑中间主应力、塑性区弹性应变及岩体剪胀性的影响,推导了深部圆形巷道围岩应力、变形及塑性区半径的封闭解析解。结合工程实例,对比分析了不同屈服准则和围岩参数对围岩状态变化的影响,研究结果表明：中间主应力对围岩破裂范围和表面位移均具有重要影响,且表现出明显的区间效应;剪胀角越大,扩容系数越大,围岩破裂范围与表面位移也就越大;围岩参数(残余黏聚力、残余内摩擦角、初始黏聚力)和支护阻力越大,围岩塑性区及破裂区范围均越小;D-P准则解分别与统一强度准则解、双剪强度准则解和M-C准则解相比,围岩破裂范围及表面位移均偏大,但与M-C准则解最为接近;在满足相同围岩变形条件下,D-P准则解所需支护阻力较其他3种准则解均较大,更偏向于刚性支护形式,分析结果可为巷道围岩稳定性评价与支护设计提供重要理论依据。     

渗透率应力敏感性对煤层气井产能的影响

为了得到煤层气井产能方程,并对其敏感参数进行分析,基于煤层流体渗流规律,推导了在达西渗流和非达西渗流下考虑渗透率应力敏感性的产能方程,研究了韩城WLl井某煤层的煤层气井流入动态。结果表明：不管是达西渗流还是非达西渗流,考虑应力敏感性后煤层气井的产能明显减少,无阻流量最多可以减少12．4％;当改变渗透率应力敏感系数后,发现敏感系数越大,煤层气井的产能下降越多;如果生产压差较小,虽然应力敏感性影响不明显,但是产气量较低,生产压差过大又会浪费地层能量。因此,开发时制定合理生产压差是非常重要的。     

采场破碎煤体注浆加固渗流规律研究

为了解决日益增多的煤矿中煤壁片帮事故,用化学树脂浆进行注浆煤体加固．在采场煤体破碎机理研究基础上以支承压力峰值点为分界点将采场注浆区分为塑性区和弹性区两个渗透物理模型来对煤体注浆加固渗流规律进行研究．把塑性区破碎煤体作为各向同性介质来建立注浆物理模型,基于塑性区渗透物理模型、质量守恒和达西定律建立了塑性区注浆渗流数学模型,通过插值方法对模型进行了解算,得到了塑性区浆液渗流规律,并在现场进行了破碎煤壁注浆加固试验和注浆渗流规律解算,结果表明通过化学树脂浆进行塑性区煤体注浆加固是可行的．     

深部破碎软岩巷道变形破坏规律数值模拟研究

文章以某矿深部破碎软岩巷道为研究背景,利用FLAC数值模拟的方法,研究深部破碎软岩巷道埋深不同时其围岩应力及变形的变化规律。研究发现:巷道埋深越大,围岩的应力越大,巷道围岩的变形量也越大,但应力增高系数并不随巷道埋深的增加而增大;深部巷道使用传统的支护方法起不到比较理想的效果,须采取合理的主动支护形式对围岩进行注浆和采用锚杆、锚索相结合的支护形式,使围岩的自身承载能力加强。该研究结果对深部矿井的支护设计具有指导意义。     

高孔隙率砂岩涌水渗流场特征与注浆治理

将孔隙率引入到多孔介质达西渗流理论中的连续性方程及动量守恒方程,建立均质高孔隙率砂岩非稳定达西渗流数学模型,同时结合实际工程中的水文地质条件,采用数值模拟的方法研究了不同注浆压力下渗流场演化规律及涌水区域水流速度变化。计算结果表明:随着注浆压力的提高,浆液不断驱替砂岩中的孔隙水,有效封堵过水通道;不同注浆压力下巷道涌水区域水流速度变化显著:注浆过程中水流速度降低接近于零,注浆结束后水流速度上升最终达到稳定状态。针对地下工程中高孔隙率砂岩的涌水治理提出了"深部封堵水源、浅层注浆加固"治理原则,通过现场试验,取得了良好治理效果。     

考虑渗流作用的深部巷道围岩让压——锚注耦合控制规律研究

地下水的存在给巷道围岩稳定带来了较大威胁,为了研究地下水渗流作用对深部巷道支护的影响,基于渗流对岩体体积力等效理论和让压—锚注锚杆的等效强度准则,应用弹塑性理论,推导了渗流作用下巷道围岩塑性应力场与塑性区分布的理论解,并利用等效圆方法给出了考虑现场渗流作用下的让压—锚注锚杆支护方案参数确定方法。以鲁西南地区某矿为例,给出了矿井回风大巷的锚杆长度、间排距、预紧力等参数,通过FLAC3D数值模拟对支护参数取值合理性进行了验证。研究表明:(1)考虑渗流作用后,巷道围岩塑性区增大,稳定性系数减小,通过减小间排距能够有效减少塑性区分布;(2)通过理论计算确定现场参数,利用数值模拟验证结果表明:现场支护方案能够显著提高巷道稳定性,有效减少塑性区的范围,控制围岩变形。     

某铁矿-540 m中段E1'穿脉运输巷过断层支护技术研究

针对某铁矿-540 m中段E1'穿脉运输巷受开挖扰动、埋深较大和断层影响,巷道围岩变形量大,维护困难的问题,对无支护、喷射混凝土支护、喷锚网支护和喷锚网+二次砌衬联合支护情况下巷道过断层时围岩塑性区分布进行模拟研究,确定了喷锚网+二次砌衬联合支护为最佳支护方式.现场实测结果表明:采用喷锚网+二次砌衬联合支护后,-540...     

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。     

基于统一强度理论的TBM斜井围岩弹塑性解

对TBM斜井围岩应力场和渗流场进行耦合分析,基于统一强度理论对斜井围岩进行弹塑性力学研究,考虑中间主应力、侧压力系数、斜井倾角和渗流作用的影响,推导出TBM斜井衬砌和围岩中应力、位移解析表达式及塑性区半径计算式。结合工程实例计算分析,结果表明考虑中间主应力作用时,围岩自身稳定性得到增强;在二向非等压状态下,围岩侧压力系数、斜井倾角和渗流作用会对围岩塑性区分布和应力大小产生不同程度的影响。研究结果为渗流条件下TBM斜井施工及安全性评价提供了理论依据,具有工程参考意义。     

非达西渗流条件下的单孔注液强度计算模型

把潜水非完整孔分解为潜水完整孔与承压非完整孔, 建立非达西渗流条件下的单孔注液强度计算模型, 通过室内试验确定渗流指数和渗透系数, 比较达西渗流和非达西渗流条件下的注液强度与现场实测注液强度的差异。研究结果表明: 潜水非完整注液孔主要以潜水完整孔的形式向矿体注液, 同时承压非完整孔的注液强度也是不可忽略的, 基于现场实测的单孔注液强度计算得到承压非完整孔液面升高高度约为潜水非完整孔液面升高高度的1/7, 承压非完整孔长度约为潜水非完整孔长度的1/4; 注液孔周的渗流过程与达西渗流存在较大误差, 当注液孔中液面升高高度为0.4~1.0 m时, 非达西渗流条件下的计算注液强度与实测注液强度误差小于15%, 满足工程要求。     

抽采钻孔孔周煤体渗流阻力分布特征试验研究

瓦斯抽采钻孔孔周煤体的孔隙结构变化是影响其渗流阻力的重要因素之一。为研究钻孔孔周粉碎区和裂隙区煤体渗流阻力的演化特征,采用稳态渗流法,研究了三轴压实状态下初始孔径大小对破碎煤样内部孔隙压力的影响规律,并对渗透过程中试样分层界面对孔隙结构属性参数的影响进行了分析。结果表明：单一孔径试样在同一渗流速度下,随着孔径的增加,渗透状态逐渐由层流过渡到紊流,渗流阻力由黏滞阻力为主发展成惯性阻力为主,双重孔径组合试样最小孔径大小是影响孔压梯度变化的先决条件;双重孔径组合煤体平均颗粒粒径介于0.1～1.025 mm,孔喉比分布在2～4,且渗透压降随孔喉比的增加呈二次曲线规律增长;孔径大小的变化对渗透率的影响较大,随着初始孔径的增大,其影响瓦斯通过煤体的能力增强;单一孔径试样与双重孔径组合试样非达西流因子分别与粒径的倒数和粒径差的倒数呈线性关系,且随着非达西流因子的增加,非达西渗流效应越来越明显,说明非达西流β因子增长趋势受孔径大小的影响,且孔径大小突增导致流体与渗透骨架的相对接触面积减小,非达西流β因子进一步增加;可见,在瓦斯运移过程中,钻孔孔周煤体的破碎程度与煤层渗透性具有良好的一致性,结合渗透率与...     

破碎围岩巷道变形失稳特征及控制技术

针对破碎围岩巷道变形量大、围岩整体性差和支护困难等问题，以昌兴煤矿1460运输石门为试验地点，通过数值模拟与现场考察，研究原支护技术下巷道围岩变形失稳特征及机制，拟采用联合支护技术并对比分析围岩变形特征。研究表明：由于围岩强度低、支护方式单一、受开采动压影响和围岩中含软弱夹层，造成围岩松散破碎，稳定性差，顶板最大破坏深度达到4.80 m；提出了“锚网喷+U型棚拱形支架+注浆”联合支护技术，采用预应力锚索、高刚度U型钢棚、浅孔注浆及深孔锚注等支护方式强化围岩特性，形成多层复合加固拱承载结构，实现支护结构与围岩的相互耦合作用；数值模拟分析得出，修复后围岩塑性屈服区最大深度由5.56 m减小到1.07 m，降低了80.76%，围岩塑性区大幅度减小，围岩应力总体趋于均匀分布；现场试验表明，修复后顶底板位移量仅113 mm，两帮位移量78 mm，说明该联合支护技术方案可有效控制围岩变形失稳，维持巷道整体稳定。     

矿井立井提升设备活塞风动力效应研究

为了研究提升设备运行时产生的活塞风动力效应,基于传统流体力学理论,运用流体力学软件FLUENT建立二维RNG k-ε湍流模型,对提升设备在不同运行状态下井筒内的压力场和流场进行模拟。模拟研究结果表明,提升设备在立井内运行时,立井内活塞风动力效应与相对速度密切相关;提升设备逆风运行时比顺风运行时立井内的活塞风动力效应变化剧烈,且随相对速度的增大,立井内最大风速和最大压差在增大,立井内活塞风动力效应变得更加剧烈。     

淋水软弱巷道注浆加固扩散机理与参数优化的研究

为了研究淋水软弱巷道注浆加固与封堵围岩过程中浆液渗透扩散机理并优化注浆参数, 采用流固耦合数值分析方法探索浆液在岩体中的运动扩散规律,并给出合理注浆压力、时间与浆 液水灰比;基于弹塑性与渗流理论分析水渗透压作用下注浆加固半径与塑性区大小关系,确定合 理注浆深度。 研究结果表明:高水黏度时变特性浆液在岩体中的扩散范围随着压力、水灰比和注 浆时间增加而增大,针对石碣峪矿井地质生产条件,合理注浆压力为２*５ＭＰａ,水灰比为２∶１,注浆 时间约为３０ｍｉｎ;随注浆半径增大塑性区半径减小,但减幅变小,得出合理注浆半径约为１０*２９ｍ; 在注浆半径５*５ｍ、渗流压力０*５ＭＰａ下,巷道围岩塑性区半径为２*８４ｍ,大于无渗流塑性区半 径２*１０ｍ;在深孔锚索注浆治理淋水软弱巷道中采用优化后的注浆参数,取得了良好的效果。     

中高渗气藏压裂井产能预测及优化设计

目前,基于达西流动假设所进行的数值模拟对压裂气井生产动态的计算结果与实际相差较大.为此,在引入非达西因子的基础上,推导建立了压裂气井中气体在地层-裂缝中非达西渗流的数学模型,采用有限差分法求解了数学模型,模拟计算了不同裂缝参数和地层参数下的气井产量.计算表明,压裂气井中存在的非达西渗流对气井产量有显著影响;使用正交试验方法可快捷、准确地优选出最优的压裂方案.