水-土相互作用对土体裂隙水流的影响

分析了土体裂隙介质的渗透空间结构,概化了其水文地质模型;从流体动力学角度探讨了水－土相互作用与水流运动互为影响,互为控制的内在关系。     

煤层气运移过程中损伤效应对煤强度的弱化影响

煤层气开采时,基质–裂隙内气体压力相互作用引起煤体出现损伤效应,致使煤的强度降低。为得到损伤效应对煤强度的影响规律,通过提出基质与裂隙几何变形的概念模型进而推导出耦合损伤本构参数的渗透率模型,并通过COMSOL live link with MATLAB程序对考虑气体作用的渗透率模型进行强度后处理计算。结果表明：通过孔隙基本原理得到的渗透率模型适用于不同边界条件,在单轴应变和常应力条件下新模型与试验数据匹配良好,而Palmer-Mansoori(P-M)模型只适用于单轴应变边界条件;与对照煤样相比,在气体作用后杨氏模量比为1/3,1/5,1/7和1/10的煤样强度分别降低了46.6%,32.0%,27.9%和26.4%;气体运移降低煤样强度的机制为损伤效应以损伤–诱导应变贡献于煤的孔隙度,孔隙发育程度改变了单轴加载后主裂隙的扩展轨迹。该研究通过编程对渗透率模型进行后处理计算,实现了煤层气运移出现的损伤效应对煤强度影响的耦合计算。     

利用波速、密度和体积模量估计微裂隙岩体的渗透率演化

热致裂隙会引起储层岩石渗透率的显著增加,利用弹性波速、密度和弹性模量的改变预测裂隙引起的渗透率的变化.对Westerly花岗岩样进行了250℃、450℃、650℃和850℃的热处理,温度的升高引起了各向同性均布裂隙的长度、隙宽和密度的增加.采用去离子水作为孔隙流体,测试了10、30、50 MPa有效应力下的渗透率.对同...     

桩-土-桩相互作用分析

分析层状场地桩-土-桩相互作用,采用子结构方法推导单桩与群桩沉降计算公式。求解两桩相互作用系数。将计算结果与采用弹性理论计算结果进行比较。研究影响群桩作用的因素。     

考虑基质渗透性的岩体单裂隙渗流及影响因素的室内和数值试验研究

为客观评价基质渗透性,并探明其在裂隙岩体渗流中的作用和比重,采用自主研制的应力–渗流耦合试验装置,开展水力耦合条件下完整岩芯和含贯穿单裂隙岩芯(泥岩、砂岩、石灰岩)的渗透试验研究,探究变围压(10～18 MPa)和变裂隙粗糙度系数(1.64～15.52)条件下裂隙、基质的渗流过程及规律。试验结果表明：基质和裂隙的渗透率均随围压的增加而降低,且裂隙渗透率的下降速率快于基质的下降速率,造成裂隙与基质的渗透率比值(Kf/Km)也逐渐下降;当围压增加至18 MPa时,泥岩的Kf/Km已介于7～8(与裂隙粗糙度有关),小于一个数量级,基质渗透率已不容忽视。为进一步探索不可忽略基质渗透率的围压阈值,采用COMSOL构建含贯穿单裂隙岩芯的数值模型,模型中假定基质和裂隙内的渗流分别服从Darcy定律和Forchheimer定律,进而开展更大围压(3～53MPa)范围和粗糙度系数(2.58～17.4)下的渗流数值模拟。数值模拟结果与试验结果较为一致,精准复现了裂隙及基质渗透率随围压和粗糙度系数的演化规律。若以Kf/Km=10作为界定不可忽略基质渗透性的界限值,对应泥岩、砂岩、石灰岩的围压阈值分别为18,...     

考虑土-结构相互作用的结构延性折减系数分析

结构延性折减系数是抗震设计中把弹性抗震强度需求折减到弹塑性设计水准的关键参数.本文通过单自由度体系的非线性时程分析,定性研究了土-结构相互作用对抗震延性折减系数的影响.分析结果表明,土-结构的相互作用对结构抗震延性折减系数有很大的影响,无量纲频率系数和结构高宽比越大影响越显著,考虑土-结构相互作用的结构体系比假定基础固接的结构体系的延性需求大.     

考虑土-结构动力相互作用影响的结构神经网络控制

将人工神经网络控制理论应用于软弱地基上建筑结构地震反应的主动控制分析中。通过训练神经控制器NNC (Neural networkController)预测结构控制力 ,由神经模仿器NNE (Neural networkEmulator)预测结构对地震力的反应来修正NNC的输入 ,从而实现结构的主动控制。数值模拟表明 ,神经网络控制系统能够有效地控制结构的地震反应 ,且对地震输入有很好的自适应性 ,在设计神经网络控制系统时 ,应考虑土—结构动力相互作用的影响。     

蠕变对含瓦斯煤渗透率影响的试验分析

 以重庆市松藻煤电公司石壕矿原煤制备的型煤试样为研究对象,设计含瓦斯试样的三轴蠕变及渗流试验方法和步骤。利用试样瓦斯渗透仪试验装置,在不同温度条件及不同有效应力水平下,对型煤试样进行三轴蠕变及渗透性试验,获得大量蠕变前后不同有效应力和不同温度条件下的渗流试验数据,研究蠕变对试样渗透率的影响规律。研究结果表明：在相同温度与有效应力条件下,蠕变后试样渗透率降低,下降幅度为25.2%～38.7%;在三轴应力条件下,随着有效应力增大和温度升高,蠕变前后试样渗透率逐渐降低,探讨两因素对渗透率的影响机制;定义渗透率损伤率来表示蠕变使得试样渗透率减小的程度,当温度一定时,渗透率损伤率与有效应力符合线性关系,该渗透率损伤率随有效应力增加而增加,且温度越高,增加的速率越大;在不同温度及有效应力耦合作用下,蠕变对渗透率的影响程度不同。研究结果对进一步认识瓦斯运移规律具有一定的意义。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩三剪应力统一强度理论解

为了研究渗流、应变软化和扩容对巷道围岩稳定性的影响,首先根据三剪应力统一强度理论建立了平面应变状态下的屈服方程,将巷道围岩从外往内依次划分为弹性区、塑性软化区、破碎区,然后综合考虑渗流影响、应变软化、扩容以及塑性软化区和破碎区内弹性应变的2种情况,推导了各个区应力、位移以及塑性软化区和破碎区半径的三剪应力统一强度理论解...     

考虑桩-土-结构相互作用影响的多层厂房振动分析

通过引入黏弹性人工边界,建立了桩-土-结构相互作用的厂房整体有限元分析模型,对设备作用下的多层厂房振动进行较为全面的分析,并就模型简化及桩-土体系对系统的影响进行对比研究。实例计算表明:桩-土体系的参与降低了系统自振频率,并对结构的动力响应产生了一定的影响,但在水平与竖向两个方向上存在差异。高频设备荷载作用下,桩-土体系的参与对厂房的水平振动影响不大,而会造成结构竖向动力响应放大。桩体在水平振动表现为弯曲变形,变形主要集中在上部,在竖向振动中则表现为整体振动。     

基于结构异性比的含瓦斯煤渗透各向异性研究

渗透率是煤层气生产中的重要参数,而原煤的结构异性导致其渗透率具有明显的方向性。假设煤体结构各向异性,建立基于结构异性比的煤体各向异性渗透模型,再进一步推导出瓦斯煤各向异性气–固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究了煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明:煤体结构异性比和平行层理方向渗透率与垂直层理方向渗透率的比值之间存在指数关系,结构异性比越大,则渗透率比值越大;恒定围压条件下,结构异性比随压力的增大而增大,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在增大;恒定围体积条件下,结构异性比随压力的增大而减小,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在减小;本文模型计算数据与渗透各向异性试验数据吻合度高,验证了本文模型的合理性,可适用恒定围岩应力、恒定储层体积等多种条件的渗透各向异性研究。     

基于非平衡状态的煤层中气体运移规律研究

煤层气开采过程中,由于裂隙与基质渗透率性能差异性较大,导致储层在长时间内都将处于非平衡的动态调整阶段。然而,目前大多数的试验和渗透率模型只考虑某一固定气体压力的影响,这极大地限制了对非平衡状态下储层气体流动的研究。为此,基于储层为双重孔隙介质的概念,考虑开采过程中基质–裂隙不同的孔隙压力、解吸变形和力学作用对裂隙开度演化的影响,提出了一种预测气体在非平衡状态下的渗透率模型,并用现场数据进行了验证。进一步将渗透率模型代入气体流动方程,采用有限元软件分析了岩芯内基质–裂隙的孔隙压力和渗透率随时空的演变规律。研究结果表明：在岩芯解吸过程中,(1)岩芯内裂隙气体压力受扰动范围大于基质气体压力;(2)基质–裂隙气体压力和渗透率沿岩芯长度呈现非线性分布;(3)基质–裂隙渗透率变化趋势相同。     

Theories and techniques of coal bed methane control in China

Coal bed methane control with low permeability is a hot issue at present.The current status of coal bed methane control in China is introduced.The government-support policies on coal bed methane control are presented.This paper proposes the theories of methane control in depressurized mining,including methane extraction in depressurized mining,simultaneous mining technique of coal and methane without coal pillar,and circular overlying zone for high-efficiency methane extraction in coal seams with low permea...     

岩石应变软化及渗透率演化模型和试验验证

为预测承载岩石的应变软化和渗透率演化,基于Gebdykes白云岩的三轴试验结果,分析了围压对岩石弹性模量、破坏应变、峰值强度、强度退化过程、残余强度和剪胀扩容的影响规律。将岩石变形全过程简化为3阶段,使用强度退化指数、脆性模量系数和扩容指数改进FLAC中的SS模型,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。基于淮南潘一矿煤、凝灰岩、巴里坤砂岩、山西安家岭泥岩的渗透率与体积应变实验数据,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型,与改进SS模型结合,建立了考虑围压影响的岩石应变软化和渗透率演化模型。利用本文模型分别模拟了安家岭泥岩和Gebdykes白云岩的三轴压缩、渗透率演化和体积扩容过程,结果表明:1体积应变渗透率演化模型能较好地描述体积应变与渗透率的关系;2本文模型能较好地模拟围压对岩石残余强度、峰后强度退化过程和剪胀扩容的影响,能较准确预测承载岩石的渗透率演化。     

Controlling effects of differential swelling index on evolution of coal permeability

Coal permeability measurements are normally conducted under the assumption that gas pressure in the matrix is equalized with that in fracture and that gas sorption-induced swelling/shrinking strain is uniformly distributed within the coal.However,the validity of this assumption has long been questioned and differential strain between the fracture strain and the bulk strain has long been considered as the primary reason for the inconsistency between experimental data and poroelasticity solutions.Although efforts have been made to incorporate the impact into coal permeability models,the fundamental nature of those efforts to split the matrix strain between fracture and coal bulk remains questionable.In this study,a new concept of differential swelling index(DSI) was derived to theoretically define the relation among sorption-induced strains of the coal bulk,fracture,and coal matrix at the equilibrium state.DSI was a function of the equilibrium pressure and its magnitudes were regulated by the Langmuir constants of both the matrix and the coal bulk.Furthermore,a spectrum of DSI-based coal permeability models was developed to explicitly consider the effect of differential strains.These models were verified with the experimental data under the conditions of uniaxial strain,constant confining pressure,and constant effective stress.     

基于COMSOL Multiphysics的煤层气对流热采分析

COMSOL Multiphysics软件是一款以有限元法为基础,可以通过求解偏微分方程组来实现多物理场耦合计算的数值仿真软件。通过COMSOL Multiphysics软件,结合多孔介质弹性力学、渗流力学、热力学理论建立多物理场耦合模型,并借助前人成果,模拟向煤层注入200 ℃的水,对煤层气进行热采,计算煤层的应力场、渗流场、温度场的耦合变化规律,以及煤层气的产出量。研究结果表明:向煤层注热水60 d后,煤层温度整体达到160 ℃以上,煤体的渗透率基本能提高到2.1×10^-12 m²附近,结果证明利用对流热采新技术开发煤层气是完全可行的,开采效率极高,值得进行商业推广开发。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

无粘性土粒径特征对其渗透性的影响

通过渗透试验，研究了无粘性土的孔隙率、平均孔隙直径、有效粒径、平均颗粒直径及较粗颗粒粒径等因素对其渗透特性的影响，并用所得修正公式的计算结果与前人的计算结果进行比较。     

采动条件下被保护层瓦斯卸压增透机理研究

保护层开采作为一种典型的煤与瓦斯安全开采形式在煤矿生产中具有重要的意义。通过由半无限开采积分模型求解得到的岩体内部位移场表达式并与相似模拟被保护层沉降曲线对比,研究发现理论模型可以较好地反映煤层实际变形。建立了“两带”裂隙分布模型及其简化力学模型,通过正交设计的全应力应变渗透试验发现,瓦斯渗透主要分为3个过程,发现瓦斯渗透急剧变化在体积应变达到0.015处,对比理论体积应变分布曲线,得出体积应变沿沉降范围总体上呈对称分布,在中心区域存在一个体积应变大于0.015的范围,可见其正处于渗透率急剧增加阶段,其卸压增透效果最好。研究结果为被保护层瓦斯卸压增透计算提供了参考。