煤层底板破坏流固耦合数值模拟

根据煤层底板含水层具有不均一性的特点,建立了底板含水层非均布水压力学模型和流固耦合模型,并根据"下三带"理论和弹塑性理论求得了底板保护带突水极限压力的弹性解和塑性解。利用FLAC3D软件对工作面采动底板进行了流固耦合数值模拟,并对煤层采动底板的应力破坏特征以及渗流特征进行了研究。综合采用理论计算和数值模拟的方法对煤层底板进行了突水预测。研究表明:非均布水压模型更符合工程实际,数值模拟方法可以快捷、准确的对煤层底板突水进行预测,对水害防治具有重要意义。     

渗流的PFC-CFD耦合细观数值模拟

本文针对饱和多孔介质中渗流特点,在分析渗流连续介质力学模型的基础上,采用描述多孔介质中固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,其中固相颗粒采用离散元的颗粒流理论(PFC)模拟,液相流体通过求解平均Navier-Stokes方程的计算流体动力学(CFD)技术计算,并利用建议的模型对二维渗流问题进行了模拟验证。数值模拟结果表明,采用PFC-CFD耦合细观力学模型能够描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动,可以用于多孔介质中的渗流问题分析。     

考虑粒间滚动阻力的CFD-DEM流-固耦合数值模拟方法

在离散元(DEM)和计算流体动力学(CFD)程序基础上,运用流-固相互作用力方程建立三维CFD-DEM细观耦合数值模拟模型。CFD-DEM的控制方程包括流体-颗粒相互作用力方程、CFD的流体和DEM的颗粒运动方程。其中,考虑到土颗粒的形状效应,引入颗粒滚动阻力机制,介绍了适用性较强的滚动阻力模型。在开源耦合程序CFDEM的框架下,定制CFD开源程序Open FOAM与DEM开源程序LIGGGHTS之间的双向耦合,实现基于颗粒细观的流-固耦合计算。通过砂堆和砂土渗流的模拟分别验证了所嵌入的滚动阻力模型的有效性及耦合模型的可行性。模拟结果表明,圆柱土体中向上渗流流速与水力梯度关系与经典的Ergun理论解接近;耦合模型中所引入的颗粒间滚动阻力模型能够很好地反映颗粒形状对砂堆形成休止角和土体堆积孔隙率的影响。     

低渗透煤层气-水流固耦合数学模型及数值模拟

基于有效应力原理,结合弹塑性几何方程、本构方程及平衡方程建立了应力场控制方程。依据流体力学中的质量守恒原理建立了煤层气、水和煤岩体固体颗粒的渗流场方程;以上方程再配以辅助方程和定解条件构成了应力作用下煤层 气-水流固耦合的数学模型,并对简化模型进行了单相流流-固耦合数值模拟分析,得到了压力动态分布曲线,分析了耦合和非耦合情况对压力分布的影响,进一步为煤层气流-固耦合分析提供了一定的理论基础。     

用于煤层底板突水机理研究的岩体原位测试技术

底板突水是底板受采动应力和承压水水压共同作用的结果。开拓和采动打破了原有地应力的平衡状态,为达到新的平衡,某些应力相对集中的地方,会释放应变能,使岩体构造发生变化;而承压水的水压对底板隔水层的作用主要是压裂扩容作用与渗水软化作用。本文介绍了由岩体原位应力测试技术、室内三轴渗透仪测定技术和计算机有限元模拟技术组成的岩体应力测试综合技术及其在煤层底板突水预测中的应用。     

等效连续岩体流固耦合流变分析模型

位于地下水位线以下的岩体洞室围岩承受应力场与渗流场的耦合作用,而且其变形随时间的持续而发展。本文以岩体水力学和流变力学的基本理论为基础,研究建立了岩体应力场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,导出了相应的流变有限元计算格式。所建立的两场耦合有限元流变分析模型,可用于对地下洞室和边坡工程等进行两场耦合流变条件下的长期稳定性分析。     

倾斜煤层底板破坏特征的微震监测

带压开采是承压水上采煤的主要方法,底板采动破坏深度的确定是实现带压开采的关键和前提。针对底板采动破坏深度现场测量方法的局限性,特别是倾斜煤层（煤层倾角在25°～45°之间）底板采动破坏深度的现场测量。以桃园煤矿1066工作面为例,利用高精度微震监测技术,对承压水上倾斜煤层底板的采动破坏特征进行了连续的、动态监测。监测结果表明：（1）工作面运输巷（下顺槽）附近的底板比工作面回风巷（上顺槽）附近的底板破坏深度更深,破坏范围更大;（2）倾斜煤层工作面底板破坏形态整体呈现为一个下大上小的非对称形态。根据微震监测结果,确定了1066工作面回风巷和运输巷附近底板的最大破坏深度,划分了倾斜煤层工作面底板突水危险区域。将微震监测的倾斜煤层底板破坏深度与经验公式计算的底板破坏深度进行了对比,指出了经验公式存在的不足     

考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟

根据隧道工程施工实际情况和地下水渗流的基本规律,以及弹塑性力学理论,建立了在应力场和渗流场耦合作用下隧道开挖数学模型,借助Comsol模拟了隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律。研究结果表明：在原岩开挖时,隧道围岩变形及地面沉降大,不利于周围建筑的安全,隧道内积水,施工无法进行;进行灌浆处理后,围岩变形小,地面沉降得到控制,有利于施工及周围建筑的安全。     

承压水底板突水失稳过程的数值模型初探

利用自行开发的岩石破裂过程渗流与应力耦合分析系统F-RFPA2D,对承压水底板破裂失稳过程进行了数值模拟。在这个数值模型中,材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。根据模拟结果,分析了承压水底板失稳的机理,对承压水底板的突水部位的预测进行了探讨。得出了与实际基本一致的结果,说明了F-RFPA2D作为一种新的数值模拟方法,可以用来研究承压水底板突水问题。      

非均质土坡降雨入渗的耦合过程及稳定性分析

针对天然土质边坡通常呈现非均质特性这一问题,进行了降雨入渗作用下非均质土坡稳定性分析,考虑了渗流场和应力场之间的耦合作用。以一简化非均质土坡模型为例,对比了耦合和非耦合情况下渗流场的差异,验证耦合的客观性和其必要性;细-粗型和粗-细型土坡的降雨入渗过程可分别分为2个和3个阶段;运用有限元强度折减法,以特征部位位移突变并结合塑性区贯通作为失稳判据,进行了土坡稳定性分析,发现雨水到达土坡土层接触面的时刻即为边坡稳定性突变的时刻;并通过深入分析孔隙水压力分布,揭示了降雨诱发非均质土坡的变形破坏机制。同时,就降雨强度、历时和渗透系数对非均质土坡入渗过程和稳定性的影响进行了大量的计算和分析,发现只有当雨水进入到下层土体时,该层土体渗透系数才会对土坡稳定性产生较大影响。     

Extension of numerical manifold method for coupled fluid flow and fracturing problems

The present study extends the numerical manifold method to include the hydro‐mechanical model to investigate the effect of water flow in fractures on the stability of rock structures, particularly slopes. The proposed flow model is verified by a simple 2‐D flow problem in a homogeneous aquifer. Combining the water flow model with the earlier developed fracture evolution technique, the entire failure process of the rock slope due to a heavy rain is simulated. The results illustrate that the developed numerical manifold method can not only determine the trigger factor of the crack initiation but also model the failure processes related to crack initiation, propagation, block formation, detachment and sliding due to the water effect successfully. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

突水预测的采动煤层底板相似模拟方法研究

以淮北朱庄矿Ⅲ616综采工作面为原型建立了相似模型,模拟工作面回采过程中的应力和位移变化。模拟结果表明由切眼向前开挖至45～50 m,老顶岩层初次断裂失稳,底板岩层压张应力差最大,采动造成的底板变形破坏深度在16 m以上,为突水危险地段;与数值模拟方法相拟合,计算采动造成的底板应力变化,选取Drucker-prager屈服条件作为判断岩石是否破坏为突水判据,由煤层底板塑性区分布图反映,当开挖至49 m左右时,底部导升区和上部采动破坏带基本贯通,可能发生突水。据此对工作面进行了布置,并采取了相应防范措施,取得了良好的应用结果。     

断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析

矿井底板突水是一个复杂的多物理场耦合问题,结合含断层破裂带条件下采场开采的工程背景,通过离散元流固耦合分析,研究了采场工作面推进过程中断层带的变形与受力情况以及底板支承压力、渗流矢量和渗流速度的动态发展规律和分布特征。相关模拟结果表明,采场中煤层的开采与断层破裂带之间是相互影响的,以支承压力为代表的采动应力是底板破坏形成导水裂隙带及断层“活化”突水的一个主要诱因,而断层的存在也使得工作面与断层带范围内的围岩应力更加集中,增大了底板破坏突水的危险性。采动过程中,底板破坏所形成的导水裂隙带主要集中在工作面前方及下方围岩中,这些区域渗流速度较大,是形成突水的主要通道。     

采场底板破坏特征及稳定性理论分析与试验研究

断层分支作为主断层的一部分普遍存在,不易引起人们重视,但断层分支是引起突水的主要因素之一。

以安徽刘庄煤矿为工程地质背景,在考虑Mohr-Coulomb准则岩体压剪断裂判据基础上,建立断层分支渗流与应力双重影响下的断裂力学灾变模型,分析得出断层分支发生劈裂破坏时的临界水压及断层分支到底板破碎区最小安全距离,研究断层倾角、最小主应力、主断层长度和渗透水压对临界水压及最小安全距离的影响规律和主控影响因素,并模拟分析断层分支在采动影响下塑性区及渗流场的演化特征,开展现场压水试验的验证工作。

结果表明：(1)断层分支倾角越大越易发生突水;最小主应力越大,断层分支裂隙越不容易发生扩展;(2)当主断层倾角为60°且断层分支与主断层夹角为60°时,模拟分析结果显示在工作面推进至断层分支正上方位置时,断层导升通道整体活化贯通;当工作面推过断层分支正上方10 m后,断层分支尖端裂隙与工作面底板破坏带贯通并引起底板突水;(3)通过现场压水试验验证了理论计算的正确性,证实断层分支会造成底板裂隙提前与断层相互贯通,引起工作面出水。研究结果可为煤矿采场底板含此类断层分支时的防水煤柱留设提供一定参考。

     

突水预测的采动煤层底板相似模拟方法研究

以淮北朱庄矿Ⅲ６１６综采工作面为原型建立了相似模型,模拟工作面回采过程中的应力和位移变化,模拟结果表明：由切眼向前开挖至４５～５０ｍ老顶岩层初次断裂失稳,底板岩层压张应力差最大,采动造成的底板变形破坏深度在１６ｍ以上,为突水危险地段,与数值模拟方法相拟合计算采动造成的底板应力变化。选取Ｄｒｕｃｋｅｒ－ｐｒａｇｅｒ屈服条件作为判断岩石是否破坏为突水判据,由煤层底板塑性区分布图反映,当开挖至４９ｍ左右     

焦作矿区底板突水预报模型

选取对突水有影响的地质因素，如构造、矿压、构造裂隙、断层断距、断层至突水点距离、隔水层厚度、水压等为自变量，以突水点及未突水点的这些资料为基础，用数量化理论（Ⅰ、Ⅱ）的方法，将定性变量数量化，并参与计算，建立了焦作矿区底板突水的定量预报模型。经检验表明，所建模型可靠，可用于实际预测     

三轴应力状态下单裂隙灾水机理的实验研究

介绍了单裂隙试样在不同三轴应力状态下，其导水性能的变化规律，充填物对裂隙导水性的影响，并得出了突水判据。     

重复压裂转向机制流-固耦合分析

重复压裂已成为油田老井挖潜、稳产增产的重要技术手段,而地应力转向机制与压裂时机选择一直是制约该技术增产效果的关键问题。对ABAQUS有限元软件平台进行了二次开发,考虑储层孔隙度和渗透性随岩石体积应变的动态演化,实现了流体压力变化与岩石物性参数的全面耦合,并分析了重复压裂转向机制。结果表明,地应力转向现象普遍存在,人工裂缝对地应力的影响范围有限,而孔隙压力变化是造成地应力转向的主要因素;随着生产的持续进行,地层压力下降变缓,岩石体积应变变化趋缓,导致渗透率下降趋于平稳,应力转向距离逐渐增大并最终趋稳;应力差越大、应力转向距离越小,越难形成重复压裂转向裂缝。其研究结果实现了流-固耦合作用下地应力转向的可视化描述,直观地模拟结果有利于指导重复压裂的应用实施。