煤层开采后覆岩稳定性物理模型及数值模拟

选取鄂尔多斯盆地某典型的煤矿区,通过FLAC~(3D)数值模拟、相似材料模拟以及理论计算,对煤层开挖后上覆岩层稳定性进行模拟研究,预测多种采动下地层动力学发生失稳及周围岩体应力重分布的规律及影响范围。研究结果表明,FLAC~(3D)能够较好地模拟煤层开挖给上覆岩层带来的影响;煤层开挖后,采空区上方竖向位移呈现中间大,两边小的趋势;采空区的影响范围略大于开采范围。     

水源热泵系统中地下水流贯通及其对温度场的影响

利用含水层储能的一般特点,提出流贯通;分析流贯通和热贯通的相互作用、相互影响及对工程实际的意义;并基于地下水水热运移的基本原理,建立地下水流动和热量输运的耦合数值模型。在此基础上对沈阳某场地水源热泵工程的运行进行流场及温度场的数值模拟分析,给出产生流贯通的依据,即利用水力坡度定量的判断流贯通发生与否;当水力坡度变化非常小、可忽略不计时,认为含水层出现流贯通;进而研究抽、灌量对流贯通的影响,发现抽、灌量越大,则出现流贯通时间越短;而大量的抽、灌量更容易发生流贯通,进而会引起热贯通的发生。在实际工程中可降低抽、灌水量,在条件许可的情况下可提高抽、灌井的间距,并可在抽、灌井运行一个周期后调整抽灌井位置,以减少热贯通的发生。     

深部水热型地热潜力区的GIS预测模型——以土耳其西安纳托利亚地区为例

开发地热资源有着很大的不确定性和很高的经济风险,需要建立可靠的数学预测模型以确定潜在地热区。通过对地震震中、断层、布格重力异常、磁异常和红外遥感5个与地热密切相关的因素进行整合,建立了地热潜力区的数学预测模型;并以土耳其西安纳托利亚地区为例,对模型的优劣性进行分析评价。运用指数叠加模型和证据权重模型分别建立地热潜力区图,预测成功指数表明证据权重模型的预测结果更为准确。其中,中高潜力区总面积为26 529 km²,占总面积的31.14%,包含39个地热点,占总地热点的50.65%。预测结果显示潜在地热区位于Ayd?n,Denizli,Manisa和Bal?kesir,其中前2个地区的地热已经被开发利用。本研究可以在地热勘探阶段确定潜在地热区,降低经济风险。     

基于TOUGH软件模拟加拿大BORDEN含水层储能试验

介绍了含水层储能地下温度场和地下流场(TH)耦合运移的机理;针对加拿大BORDEN含水层储能试验及观测数据,根据实际土层工程地质、水文地质和初始温度条件,建立了BORDEN储能试验的TH耦合3D数值模型。将模拟结果与实际观测数据进行对比,二者非常接近,符合理论和实际观测情况;模拟了热羽逐渐移动的规律,证明利用TOUGH软件在地下TH耦合模拟方面的准确性和实用性,为将来的地下含水层储能工程设计提供理论基础和参考依据。     

地下水源热泵系统和太阳能辅助热源系统的地温场数值模拟研究

地下水源热泵系统的地温场数值模拟研究对浅层地热能开发利用项目具有重要意义。通过TOUGH2建立地下水源热泵系统的水-热耦合模型,模拟了研究区多年地温场变化趋势以及抽灌井温度变化。结果表明地下水源热泵系统运行10年后部分组团出现大量冷堆积现象,影响供暖温度。依据本结果,结合场地条件,针对冷堆积现象采用太阳能辅助热源系统进行系统强化设计,并模拟研究强化后的地温场多年变化趋势,结果表明太阳能辅助热源系统可以有效提高供暖温度。     

TOUGHREACT搭接FLAC3D算法

多孔介质THM多场耦合分析在诸如核废料地质储存、干热岩和CO2地质埋藏等地质科学领域广泛应用,鉴于其计算的复杂性往往需要借助数值手段。基于角点-中心点网格转换以及三维三点拉格朗日插值方法,通过编制程序将TOUGHREACT和FLAC3D搭接,实现了多相多组分流体-温度-岩石力学的耦合计算分析。为了验证程序的效率及适用性,构建了Salah场地深部咸水层CO2储存数值模型,模拟CO2连续注入3a的地下流体运移和储、盖层的岩石力学变化,并将地表位移与inSAR实测值进行了对比分析。以此为基础进一步模拟了中国西部某盆地CO2地质储存三维筒注模型。结果表明:搭接程序能平滑连接TOUGHREACT和FLAC3D,其考虑岩石力学影响下的注入压力和地表位移等成果符合理论及实际监测规律,同时得到岩石孔隙率、渗透率随CO2注入时间增加而变大的结论。     

天然冷源对地下水源热泵的影响规律

东北某些地区长期存在着一定规模的地下冻土,在地下水源热泵的运行中可视为天然冷源。天然冷源对地下水源热泵的利用产生一定的影响。为了提高地下水源热泵运行效率,运用室内外实验和数值模拟方法探寻冷源对地下水源热泵影响规律。对加格达奇地区的冷源场地进行了室内热物性试验和现场岩土热响应试验。研究表明：该地区砂、砾的热物性参数（比热容、导热系数）随深度增加呈现离散现象,砂岩、花岗岩热物性参数变化不大;岩土体导热系数花岗岩最大,砾、砂最小,砂岩居中;比热容受深度影响波动较大,特别是不同深度的砾、砂层比热容差别较大。依据该场地的地质条件,构建数值模型,开展模拟研究,对多井抽灌系统下热突破现象以及影响范围进行模拟分析,模拟结果显示冷源对该场地地下水源热泵的影响范围在150 m以内,而且在小于75 m的范围内对地下水源热泵的影响最为显著,为未来该地区地下水源热泵的设计、选址提供理论基础和参考依据。