破碎岩体非达西渗流的非线性动力学分析

基于多孔介质的有效应力原理,建立起饱和破碎岩体非达西渗流流固耦合的非线性动力学模型,并对其一维解耦动力学方程进行无量纲变换,通过逐次亚松弛迭代法,得到其收敛于平衡态的孔隙压力及渗流速度时间序列.分析了系统在不同控制参数下的动力学响应,并给出了其相轨线图案.研究表明,渗流速度时间序列曲线存在周期2轨道,当非线性项参数递增或系统远离平衡态时,系统会发生渐进失稳,引发水渗流动力灾害.     

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。     

Forchheimer型非Darcy渗流系统的滞后分岔

在对Forchheimer型非Darcy渗流系统的控制方程进行简化的基础上,分析了系统平衡态的存在性、稳定性及其跳跃,详细讨论了系统的滞后分岔.研究表明：当非Darcy流β因子由负变为正时,平衡态的一支可能失去稳定性,或者跳到另一支,系统发生滞后分岔;当系统的空参量和边界压力发生变化时,稳定的平衡态和不稳定的平衡态合为一个鞍结点,系统发生切分岔.     

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。     

岩石渗流系统动力学响应及分析

煤矿突水和瓦斯突出是渗流系统失稳的表现 ,是由系统的非线性机制决定的复杂动力学行为。通过变换一个简单的线性变换 ,可将岩石孔隙非 Darcy渗流动力系统转化成一个不含控制参量的非线性微分动力系统。本文分别用分离变量法、行波法、相似变换法研究了这种系统的动力学响应。研究表明非 Darcy渗流动力系统的冲击波解存在同宿和异宿轨道 ,自相似方程存在奇异性     

岩石渗流系统动力学响应及分析

煤矿突水和瓦斯突出是渗流系统失稳的表现，是由系统的非线性机制决定的复杂动力学行为。通过变换一个简单的线性变换，可将岩石孔隙非Darcy渗流动力系统转化成一个不含控制参量的非线性微分动力系统。本文分别用分离变量法、行波法、相似变换法研究了这种系统的动力学响应。研究表明非Darcy渗流动力系统的冲击波解存在同宿和异宿轨道，自相似方程存在奇异性。     

气体在煤层中渗流的稳定性分析

基于瓦斯突出本质在于气体在煤层中渗流失稳的假设，建立了气体渗流的一种非线性动力学模型，讨论了系统平衡态的存在性。用Chebyshev配点法将系统的控制方程简化成含12个相变量的常微分方程组，计算了系统的动力学响应，得到了系统失稳的条件。研究表明，由于气体的压缩性，煤层中气体非Darcy渗流系统平衡态的绝对压力的平方成线性分布；系统存在跨临界Hopf分岔和切分岔。     

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.     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理，有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置，提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法，研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律，构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构，级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大，降低破碎岩体的压缩性，增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变，降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用，束缚孔隙率对渗透率的影响较小，增大应力会降低破碎岩体渗透性，大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述，应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反，小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型，通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献，可显著提高...     

深部巷道在温度和地下水影响下的变形特征

因为地下深处岩体常年处在温度场、渗流场和应力场三个耦合环境中,所以地下深部岩石和地表浅层岩石的性质不一样,对地下深层岩体力学特征及变形规律进行深入研究显得十分重要。研究了温度场、渗流场和应力场之间的耦合关系,并提出其三场平衡方程。通过FLAC~(3D)数值模拟软件建立用于计算温度场、渗流场和应力场的模型,依据模拟结果分析热对流系数、温度、应力、孔隙水压力等因素对巷道变形破坏的规律。     

混合粒径散体岩石非线性渗流的试验研究

由于渗流引起的动力灾害多发生在破碎岩体中,因此研究破碎岩体的渗流特性是非常必要的。利用MTS815.02岩石力学试验系统及破碎岩石渗透仪,采用稳态渗透法和轴向位移控制法测定了混合粒径的煤、煤矸石及灰岩在承压过程中非Darcy流的渗透特性,得到了渗透特性随孔隙率的变化规律。研究结果表明:混合粒径破碎岩体中的渗流为非达西渗流,混合粒径岩石在压实过程中随孔隙率φ的减小渗透率k逐渐减小、非达西流β因子变大,渗透率的量级为10-14～10-13 m2,而非达西流β因子的量级为1010～1011m-1,该研究可为解决破碎岩石渗流的工程问题提供一定的参考。     

基于非达西渗流的采空区自然发火数值模拟

为了研究非达西渗流下的采空区自然发火情况,对4种不同平均粒度的破碎岩样分别进行了稳态渗流实验,再对得到的数据按非达西方程处理,然后进行二元拟合得到非达西渗透系数 K 与孔隙率 n 和粒度 d 的关系式以及非达西流因子 β 与 n 和 d 的关系式。依据流体动力相似准则的雷诺准则将这些关系式推广应用到实际采空区,结合采空区动态移动的特点,建立了移动坐标下的采空区漏风流场、氧浓度场和温度场相耦合的自然发火数学模型,利用有限体积法编制了数值解算程序。以河东矿31005工作面的采空区为例,解算得到了不同推进速度下的氧浓度场和垮落煤岩温度场的分布情况,比较分析后得出加快推进速度能显著降低该采空区自然发火危险。     

分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析

煤岩体的渗透特性与孔压梯度满足渗流失稳条件时,易引发突水和瓦斯突出灾害。破碎岩体长时间缓慢变形过程中,其渗透特性将随孔隙率的变化而发生改变,且破碎岩体不同粒径的配比会影响其渗透特性。采用Talbol级配理论,利用DDL600电子万能试验机、渗透仪等试验设备,设置五级轴向恒载加压,每级恒载加压下对应4种不同渗透压进行试验,探究不同粒径配比下的破碎砂岩渗透特性。试验结果表明：① 轴向荷载从第1级加载至第5级,随着缸筒内破碎砂岩有效应力的增大,描述渗流速度变化的参数Dv均呈减小趋势;② 恒载变形后期,破碎砂岩随孔隙率减小,其渗透率总体呈减小趋势,而非Darcy流β因子的绝对值增加;③ 不同Talbol幂指数的破碎砂岩,渗透率与非Darcy流β因子的大小存在差异,n=0.5时,破碎砂岩渗透率最小,非Darcy流β因子最大,n=1.0时,破碎砂岩渗透率最大,非Darcy流β因子整体较小。研究可见,破碎砂岩颗粒粒径很小或颗粒破碎细化非常严重时,非Darcy流β因子较容易出现负值,破碎砂岩发生渗流失稳。     

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。     

基于零厚度黏聚力单元的水力压裂裂隙空间分布影响分析

作为页岩气开采关键技术,水力压裂在目标岩层产生大量裂隙,构成页岩气有效运输通道。因此,研究裂隙的空间分布和影响因素具有重要意义。采用连续-非连续方法,通过ins-coh程序在ABAQUS有限元模型全域内批量嵌入零厚度黏聚力单元,得到计算模型。考虑到水力压裂中的流固耦合,编写用户子程序确定孔隙压力初始场分布,并给出压裂阶段压裂液的流动准则和流固耦合方程。随着压裂液的注入,黏聚力单元发生破坏,连贯的张开区域形成页岩气运输通道。在验证该方法可行性基础上,结合西南某地区页岩气储层典型地质条件,进行三维水力压裂数值模拟。模拟结果显示:该方法能够合理模拟高水压下压裂液在岩体中流动,岩体裂隙面萌生、扩展、贯通的完整破坏过程。最后,通过设计多组模型进行对比分析,探究注液速度、初始裂隙间距和长度对裂隙空间分布的影响,为实际工程的方案设计提供指导意见。     

流热耦合作用下组合岩体等效导热系数研究

针对存在裂隙和流体的组合岩体,采用理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法,基于传热学和热动力学的基本原理,综合考虑不同性质岩石的传热和裂隙流体的对流换热,建立了流热耦合条件下组合岩体等效导热系数的计算模型;采用有限元数值模拟方法,随机模拟岩石的孔隙结构,建立了孔隙分别被空气和水充填时,岩石等效导热系数的统一经验方程;通过对裂隙流体与岩体对流换热系数的实验测试,给出了对流换热系数随与流速和温差的关系;综合分析了裂隙和流体对组合岩体导热性的作用,在低流速和小温差条件下,对流换热阻较小,裂隙宽度和流体导热性对岩体导热系数的影响较大;在高流速和大温差条件下,对流换热阻逐渐超过裂隙流体的热阻,组合岩体导热系数明显增大。     

旋流器内部流场的数值模拟研究

通过FLUENT的前处理GAMBIT建模、计算网格划分和给定边界条件,运用RSM湍流模式和MIXTURE多相流模型,对动量方程采用二阶迎风差分格式离散,采用SIMPLE方法对速度和压力进行耦合求解,得到旋流器内的径向、轴向和切向速度分场、速度流线图以及压力场。结果表明:中心轴线附近静压较低,而动压梯度变化比较大;切向速度总体变化趋势是由内向外先增大后减小,而且切向速度方向的一致性证明内外螺旋方向的一致性;由轴向速度得出零速度包络面的存在,为旋流器的优化和改进提供了理论依据。     

破碎岩石渗流特性及其应用研究

根据采空区岩石的特征,制配破碎岩石岩样,利用MTS815.02岩石力学伺服试验系统及渗透仪完成了破碎岩石的渗流试验,利用1stOpt(First Optimization)软件分别对渗透率和非达西流因子与孔隙率、粒径的关系进行了二元统计分析,分别给出了三者之间的关系式。研究表明,渗透率与孔隙率呈幂次关系,相同孔隙率下,渗透率受粒径影响。根据采空区孔隙率分布情况和试验结果,推出采空区渗透率和非达西流因子的表达式,用VB编程并利用Tecplot9.0软件对数据进行处理,给出了采空区渗透率和非达西流因子的分布图。这对采空区漏风及自燃发火的防治研究具有重要的意义。