瓦斯渗流过程孔隙流体压力变化规律数值模拟研究

孔隙流体对煤岩体的变形与破坏有着不可忽视的影响,为研究瓦斯渗流过程孔隙流体压力变化规律,对国内某地煤层气开采工程进行流固耦合数值模拟分析,通过应力场和渗流场耦合比较计算分析,结果表明:考虑渗流过程孔隙压力随瓦斯排放时间增加而逐渐减小,孔隙压力随离井的距离增加逐渐增大。     

论矿业工程中的流—固耦合渗流问题

简单回顾渗流力学发展历史，指出实际沙流都是在可变形多孔介质中发生的，流体流动与介质变形间存在相互作用。过去常加以忽略，将渗流作为非耦合问题研究，随着科学技术的发展．有越来越多的无法忽略耦合效应的工程问题．本文较系统地介绍了矿业工程中涉及的流-固耦合问题以及流-固耦合渗流的研究方法、宏观方程与测试技术和应用．     

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.     

矿井地下水库破碎岩体运移的DEM-CFD耦合分析

利用矿井采空区建设矿井地下水库有利于协调煤矿开采与矿区水环境保护利用.采空区垮落带作为矿井地下水库协同承载体与库容体,在矿井地下水库循环蓄放水过程中内部破碎岩体的运移直接影响垮落带孔隙率的分布与渗流特性.以矿井地下水库为工程背景,构建矿井水渗流的破碎岩体流固耦合模型,量化分析了垮落带孔隙率、破碎岩体半径以及流体流速对破碎岩体流体压力和运移的影响.在此基础上,借助PFC3D与Python进行了破碎岩体模型不同流体流速的DEM-CFD耦合数值模拟.研究结果表明:水渗流过程中对破碎岩体的流体压力由拖曳力与梯度压力组成,且在矿井水库工程背景下,梯度力可以忽略不计.垮落带孔隙率的增加,促使流体压力急剧减小,在垮落带孔隙率范围内对破碎岩体运移影响较小.流体压力随着破碎岩体粒径的增加呈幂函数式增加,但破碎岩体的增加同时造成重力的升高,使得破碎岩体移动所需的流体压力大幅度增加,进而造成破碎岩体越小越容易被流体携带.由于破碎岩体间接触应力的存在,使得流体很难打破原有的破碎岩体孔隙平衡结构.只有游离于破碎岩体结构孔隙内的小破碎岩体才能被流体携带,这对整体破碎模型孔隙率影响较小.研究结果有助于科学评估矿井地下水库蓄放水过程中垮落带孔隙率的演化情况.     

考虑流固耦合作用的钢板桩基坑变形模拟分析

在软土地区深基坑施工过程中,由于地下水渗流场变化的影响,基坑失稳破坏是较为常见的灾害.该文采用等刚度替换法,将拉森钢板桩等效为矩形截面钢板,并借助有限元软件ABAQUS,结合某工程算例探讨了渗流应力耦合作用下基坑周边土体孔压场及变形场的分布特性.结果表明,在地下水位以上开挖时,地下渗流场基本没变化,是否采用渗流应力耦合,土体变形结果基本一致;在地下水位以下开挖时,随着开挖深度加大,渗流应力耦合计算结果与未考虑渗流影响的计算结果偏差越大,说明在深水区,考虑渗流应力耦合的必要性和合理性.未考虑渗流应力耦合作用的计算结果偏于不安全,考虑渗流应力耦合作用可更准确地反映基坑渗流与变形情况.     

渗流对泥质页岩蠕变规律的影响

地下水渗流易引发深部岩体工程地质灾害,而深部岩体中泥质页岩对渗流极为敏感,本文就渗流对泥质页岩的蠕变影响进行研究,基于软岩工程力学和岩石力学理论,将泥质页岩视为多孔介质,渗流视为流体在孔隙中的管流,用单向流体在多孔介质中渗流的固流耦合数学模型作为力学模型,结果表明渗流是影响软岩蠕变变形的重要因素,蠕变量和蠕变速率都随渗流量的增加呈现非线形增大。     

多孔介质软岩蠕变的渗流固流耦合模型

基于深部岩体工程地质灾害防范预测研究的目的,开展了渗流对软岩蠕变变形规律的影响的研究,根据岩土流变力学和流体力学理论,流体的质量和能量守恒方程,建立了单向流体在多孔介质软岩中流动的固流耦合数学模型。     

岩体破坏突水失稳的水压致裂机理及工程应用分析

首先从渗流-损伤耦合角度深入研究水压致裂破坏机理,探讨水压致裂过程的渗流-损伤耦合效应,提出了研究水压致裂的难点是破坏模式及失稳压力的确定.针对矿山采动岩体破坏突水问题,系统解释了渗透系数、有效应力系数在突水机理研究中的工程意义.其次,通过对煤层开采过程中底板突水实例模拟,分析了渗流-损伤耦合作用,从稳态和瞬态两个方面探讨了不同有效应力系数条件下煤矿底板突水过程的渗流-损伤耦合效应.研究结果表明:岩层破坏突水不仅和岩层的应力状态和力学强度密切相关,而且还受控于岩层的渗流力学指标;煤层底板有效应力系数越大,突水失稳临界水压越小;渗透系数越大,突水失稳临界水压越小,这对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质和突水系数的内涵,具有重要的理论和实用价值.     

地下水渗流的固液耦合理论及数值方法

该文将渗流力学与弹塑性力学相结合 ,考虑地下水和岩土骨架之间的相互作用 ,建立地下水流固耦合渗流数学模型 ,根据有限元原理得出其计算方法 ,并给出耦合求解方法。这对于真实模拟地下水渗流状况具有重要的意义。     

煤层瓦斯强化抽采工程试验与多过程耦合渗流数值解

为提高低渗透煤层的瓦斯抽采能力,采取了多种工程强化抽采煤层瓦斯,措施包括:高压水射流割缝卸压增渗、强化预抽、注气增压驱气、注水增湿抑制瓦斯解吸。首先在煤层底板岩巷中利用穿层钻孔实施高压水射流割缝,以提高煤体的渗透性,之后进行预抽煤层高压瓦斯;达到抽采极限时间后,采用注空气增压的方法提高瓦斯的流动能力,以增加瓦斯的抽采能力;达到注气极限时间后,采用高压注水的方式湿润煤体,达到增加煤体水分,抑制残余瓦斯解吸的目的。试验结果表明:实施强化抽采措施后,煤层渗透性提高了100倍以上,瓦斯抽采率从措施前的16. 4%提高到了58. 6%。多个工程实施过程中,瓦斯—注入气—水等流体的流动具有前后继承性,即后一个工程流体的渗流是在前一个工程流体渗流的终态基础上进行的。为此,提出了多过程渗流的新概念,据此建立了多过程耦合渗流力学方程,将前一个流体的渗流压力——距离终态作为后一个渗流过程的初始条件,代入后一个渗流方程进行耦合数值计算,得到了符合实际的多过程、多流体的耦合渗流数值解。计算表明:第一过程的抽采压降曲线终态为抛物线形态,可用幂函数描述,第二过程注气压力曲线初态呈现先下降后上升的波谷曲线形态,末态可用幂函数描述,第三过程的注水压力曲线为幂函数下降形态。     

考虑滑脱效应的水气耦合煤层气渗流数值模拟

建立了考虑滑脱效应影响的水、气两相流阶段的非线性渗流耦合模型，采用数值模拟手段研究了考虑水气耦合作用下的煤层气运移规律.得到了以下重要结论：在考虑水气耦合的煤层气渗流时，滑脱效应对压力场的影响不明显；气相相对渗透率对水相饱和度的影响很大，气相相对渗透率越大，相对研究区域水相饱和度变化的范围越大，变化越显著；时间效应对水相饱和度变化速率有很大的影响.     

原位改性流体化采矿科学、技术与工程

为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题,提出了原位改性流体化采矿方法,即在原位对矿体进行物理、化学性态改造,实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法,系统介绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与关键技术、工程应用领域等核心内容。其突出内涵是在原位,采用物理与化学方法改造矿体与矿物,改造后的矿体多孔化、矿物流体化、矿物提质改性,实现矿物流体化开采。根据矿体性态变化特征,原位改性流体化采矿问题可分为残留骨架和无残留骨架两类问题。科学理论主要包括固流热化学耦合作用下矿体物理与力学特性演变规律、两类问题的固流热化学耦合的非线性理论模型。技术原理包括原位改性流体化采矿的适用性判据、物理改性原理和化学改性原理。建立的三维孔隙裂隙双重介质逾渗理论是该方法适用性确定的主要依据。概括介绍了覆盖的工业与工程领域及其相应的原位改性流体化采矿技术、工程的发展现状及其展望,这些工业与工程领域包括煤层气、盐矿、油页岩、放射性及有色金属矿产、天然气水合物、低变质煤、干热岩地热等。原位改性流体化采矿方法将有力推动极为广泛的、新型的、下一代非常规地质资源能源的清洁高效开发。     

基于岩石工程系统的煤层底板突水机制

为了系统描述煤层底板突水渗流-应力耦合作用机制,引入相互作用过程矩阵,提出优化的岩石工程系统方法,构建了煤层底板突水网络系统。突水网络主对角元素包括采掘工程、应力场、岩体结构和渗流场;系统分为工程活动、采掘活动扰动效应、渗流应力耦合矩阵和水害综合控制方法等4个功能区。研究表明:采掘活动产生一系列并行和时变的影响,是突水发生的诱因;突水通道的形成和演化是渗流-应力耦合作用过程,不同底板岩体结构具有不同的突水发生机制;底板水害防治要从系统的观点出发综合考虑不同因素的影响,在RES网络中施加合理干扰。研究结果可以为复杂水害问题的分析提供思路和方法。     

煤矿陷落柱突水的变形-渗流-冲蚀耦合模型及应用

为揭示煤矿陷落柱突水机理并为其突水防治提供理论依据,基于双重孔隙介质渗流理论,将陷落柱视为由岩块骨架、流体、裂隙充填物3种介质构成,分别推导了其运动控制方程,给出了裂隙演化控制方程,建立了多场耦合的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀力学模型。结合研究矿区地质条件,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics将力学模型数值化,模拟研究了陷落柱内裂隙开度、颗粒体积浓度、涌水量等随时间的变化规律,数值再现了煤矿底板承压陷落柱突水发展的全过程。研究结果表明:(1)数值模拟得到的陷落柱涌水量曲线与实测数据吻合较好,验证了本文建立的陷落柱突水变形-渗流-冲蚀耦合模型的正确性。(2)在骨架变形-水渗流-充填物颗粒冲蚀迁移耦合作用下,陷落柱内充填物颗粒液化并迁移流失,部分裂隙不断扩展并贯通发展成为优势导水通道,导致陷落柱涌水量急剧增大并引发了突水事故。     

单孔岩石在孔隙水压力作用下破坏过程的数值模拟

应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统RFPA~(2 D),对单孔岩石在孔隙水压力作用下的破坏过程进行数值模拟研究。研究结果表明,孔隙水压力会降低岩石的强度,随着孔隙水压力的增大,裂纹扩展速度加大并很快进入失稳扩展阶段,此时声发射发生一次较大的突跳,将这个突跳压力称为岩石破裂过程中的失稳临界压力,通过声发射来监测临界压力可以对工程实践有一定的指导意义。     

基于CT三维重建煤骨架结构模型的渗流过程动态模拟研究

为了探究煤体微观结构中的渗流变化情况,以新疆大黄山气煤为研究对象,运用CT扫描和三维重建技术建立了含有孔裂隙的三维煤体骨架结构模型。在此基础上构建了一种能够反映动态渗流过程的流固耦合模型,并结合内置Navier-Stokes控制方程的ALE算法进行了渗流模拟。结果表明:渗流过程中,孔裂隙中每个点的流速都会存在一个速度峰值和稳定流速值;相较于裂隙结构,孔隙结构较差的连通性增大了其在模型前端的流体动能损耗,减缓了后续孔隙中流体的流动。初始流速影响了入水口处流速及流体密度的变化趋势,也改变了裂隙中速度峰值的变化规律,当初始流速值低于0.03 mm/s时,裂隙中速度峰值沿渗流方向呈现出"先增大后减小"的变化趋势,而当初始流速值大于0.03 mm/s时,速度峰值则沿着渗流方向逐渐减小。在低压力梯度条件下,孔裂隙的速度峰值与压力梯度之间存在非线性变化关系,而稳定流速值则随压力梯度的变化线性增大。研究成果为后续相关渗流影响因素的研究提供了一种新的思路。     

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。     

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。     

尾矿坝渗流-应力耦合场的有限元分析

尾矿坝作为典型颗粒堆积多孔介质,其安全稳定运行对矿山的生产关系重大。建立了尾矿坝渗流与应力耦合的数学模型,以金山店锡冶山尾矿坝为例,分析了正常运行的工况下渗流与应力场的耦合特性,得出浸润线、变形场及应力场等尾矿坝的重要指标。通过模拟分析发现,考虑耦合情况比不考虑耦合场的渗流量增加约2%,且渗流对应力场的影响较大,由渗流所产生的渗流体积力占总应力的10%~20%。据此可全面直观地了解尾矿坝在各运行工况下的信息,为尾矿坝的稳定性分析及日常维护提供了理论依据。     

近水平煤层顶板应力-承压水耦合响应分析

采用应力-渗流耦合的数值计算方法,分析承压含水层下采煤过程中渗流场、应力场演化规律,分析了工作面推进过程中岩石破断规律,探讨岩层交界面、天然断层、裂缝对岩石裂缝扩展路径的导向作用,孔隙水压力分布、水头分布的变化规律,预测承压流体涌入工作面的可能性,为煤矿灾害预警和优化开采提供参考。