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。     

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。     

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。     

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。      

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。     

相似材料模拟在研究煤层底板采动破坏规律中的应用

为研究煤层底板采动破坏规律,以邯邢地区9号煤层为原型,采用室内相似材料模拟技术,对煤层开采过程中煤层底板的应力分布、位移、破坏规律及破坏深度进行模拟和观测研究。结果表明,工作面推进0～70cm时底板应力分布曲线呈V形,工作面推进70～150cm时底板应力分布曲线呈W字形。并提出邯邢地区9号煤层埋藏深度为600m之内的煤层底板破坏带深度的经验公式为h=0.04367H-2.7315M 12.6117。     

含裂隙煤层底板突水规律的数值模拟与工程应用

本文结合淮北杨庄矿某工作面实际工程情况, 利用NCAP-2D-W对煤层底板突水进行多方案的数值模拟试验研究。主要内容包括:(1) 考虑在承压水不变的条件下,设计不同裂隙分布状态,探讨单裂隙、多裂隙、不同长度裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙顶部破坏的影响;(2) 考虑承压水的变化,分别考虑单裂隙和多裂隙两种分布状态,探讨裂隙对煤层底板破坏的影响及开采矿压对裂隙底部破坏的影响。通过分析受采动荷载、岩层结构变化、煤层底板中裂隙分布状态及承压水变化等因素影响的数值试验,获得了随开采工作面不断推进煤层底板破坏区的发展、突水导升高度的递增、突水通道的形成等相关规律。     

高水压作用下煤层底板隔水关键层弹性力学解

针对高承压水作用下的底板隔水关键层的隔水能力问题,将隔水关键层简化为固支梁,分别采用弹性力学中的应力函数法和半逆解法求取应力以及位移。并将2种计算结果与FLAC^3D模拟结果进行对比验证。研究结果表明,应力函数法得到的应力及位移与FLAC^3D模拟计算结果更加贴切,建议关键层固定梁弹性力学分析方法首采用应力函数法。研究成果可为采场底板突水的预测预报提供理论支撑。     

非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟

利用Weibull分布模拟煤岩弹性模量和强度的非均匀性,结合煤岩弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型,给出了该数学模型的有限元离散方程,开发了相应的数值计算程序Coupling Analysis。利用建立的模型模拟了辽宁某瓦斯抽放试井瓦斯抽放过程,结果表明,在瓦斯抽放过程中,有效应力变化诱发煤岩局部进入塑性状态,塑性区透气系数增加了约4.9倍,而弹性受压区的透气系数最大减小至22 %,计算实例的瓦斯压、煤岩有效应力和煤岩变形都呈现非对称性,但服从理论规律,表明采用Weibull分布能很好地模拟煤岩力学参数的非均匀性。     

范各庄矿12煤底板突水过程模拟分析

以范各庄煤矿水文地质条件为基础,建立了承压水上采煤的岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA^2D-Flow)模拟分析了范各庄矿12煤层底板开采扰动下,裂隙形成、扩展到突水通道最终贯通形成突水的全过程。通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化分析,揭示了开采扰动及水压驱动下完整泥岩底板由隔水岩层到突水通道的演化过程,对突水通道进行了模拟定位,并对不同水压条件下含水砂岩层对底板突水的影响进行了分析。结果表明：12煤底板突水问题取决于含水砂岩中的水压力,在假设隔水层厚度不变时,水压力与突水系数呈正相关关系,随着水压的增大突水越易发生。该研究为12煤底板突水预测与防治提供了理论依据。     

煤层底板突水综合监测技术及其应用

底板岩溶水害是华北型煤田较为普遍存在的问题,因其具有隐蔽性、突发性的特点,防治水工作面临巨大的问题和挑战,因此,底板突水监测预警已成为煤矿安全生产过程中的必要措施。底板水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的演变过程,在此过程的不同阶段,底板裂隙、岩层视电阻率等均会释放出对应的突水征兆,及时、准确、有效地采集这些信息,根据这些信息判别突水过程中的具体水文地质特征,为建立突水监测系统奠定了基础。根据突水三要素,在葛泉煤矿东井11916工作面,利用井-地-孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建了底板突水综合监测系统,对引起突水的导水通道和水源2个要素进行实时监测。监测结果表明：正常情况下,11916工作面回采过程中底板破坏深度为20~25 m,但是在2019年9月14日工作面推进到中间巷道时,运料巷和中间巷来自顶板的压力对底板破坏的叠加作用,以及附近的陷落柱原有破裂,致使该位置底板破坏深度加大,达到30~35 m,底板本溪灰岩水通过导水通道进入运料巷,底板出水2 m³/h,从视电阻率监测结果中不难发现1个低阻异常体从底板下逐步向上发育的过程。利用井-地-孔微震监测技术和视电阻率监测技术构建的底板突水综合监测系统能够捕捉到底板突水征兆,对于预测重特大水害事故的发生具有重要意义和实用价值。     

基于二项logistic回归模型与CART树的煤层底板突水预测

为定量评价煤层底板突水信息对突水过程的影响程度,获得煤层底板突水规则,采用二项logistic回归与CART树相结合的方法进行煤层底板突水预测。在煤层底板突水信息分析的基础上,建立了包含全因素的煤层底板突水预测概率模型,基于向后逐步回归分析方法获得了包含6项主要突水信息的精简煤层底板突水预测概率模型。通过CART树算法获得了煤层底板突水规则,分类测试结果表明,所获得的突水规则分类准确率达到91.67%。