基于数字图像及数值模拟的裂隙岩体渗透特征

基于真实的岩体剖面图片,通过剪裁、二值化、矢量转化,再导入数值计算软件,建立数值计算模型,进行模型水压力场、渗流速度场分析及渗透系数的计算。分析发现,从水流入口至出口,水压整体呈递减规律;岩石的裂隙中渗流场分布不均匀,渗流活跃的通道主要是左右串通好的裂隙,在不同水流入边界条件下,依据达西定律计算获得的岩体渗透系数存在差异。      

裂隙特征对岩石渗流特性的影响规律研究

裂隙是油气储层主要的储集空间及流体渗流通道,影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要指标。以冀中坳陷任丘油田任10井为例,运用数值模拟方法研究了裂隙开展宽度和裂隙面粗糙度对岩石渗流特性的影响规律。研究结果表明,(1)裂隙开展宽度较小时,孔隙内流体压力仅在入口处小范围内呈扇形分布,裂隙中压力分布曲线呈正切函数型,流体流速在裂隙和孔隙中都较小;随着裂缝开展宽度的增加,孔隙内流体压力逐渐增大,裂隙中压力分布曲线逐渐向直线型转变,流体流速在入口处先减小后稳定,在裂隙中先增加后稳定;(2)裂隙面粗糙度对裂隙岩石渗流特性的影响与裂隙开展宽度有关,在裂隙开展宽度较大时,裂隙面粗糙度对流体压力的分布影响较大;随着裂隙面粗糙度增大,孔隙内流速逐渐增大,而裂隙中流速逐渐减小;(3)随着裂隙开展宽度的增大,影响裂隙流体流动的主控因素逐渐由裂隙开展宽度转变为裂隙面粗糙度。     

基于格子Boltzmann方法的岩体单裂隙面渗流特性研究

为了研究层流状态下粗糙单裂隙面的渗流特性,基于格子Boltzmann方法,建立了压力作用下单裂隙面渗流的数值模型。采用D2Q9模型模拟离散速度分布方向,在宏观尺度上,上、下边界设置为不透水边界(u_x=u_y=0),左、右边界为压力边界(左侧压力p_(in)大于右侧压力p_(out))在微观尺度上,左、右边界及光滑裂隙表面采用非平衡态外推格式,粗糙裂隙表面采用标准反弹格式。编制了相应的计算程序,验证了光滑平板裂隙流的立方定律。采用分段随机裂隙长及裂隙宽的方法生成了粗糙裂隙面,并基于格子Boltzmann方法研究了不同粗糙裂隙面方案的渗流特性。研究结果表明:对于粗糙裂隙面,渗流特征极大程度取决于裂隙表面形貌,随着相对粗糙度的增加,裂隙渗流规律明显偏离立方定律。为此,考虑裂隙面相对粗糙度的影响,根据不同裂隙粗糙面方案的数值计算结果,提出了层流状态下粗糙裂隙面渗流的立方定律修正公式,为系统研究复杂粗糙裂隙的水力特性奠定了一定的基础。     

近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析

采动裂隙是瓦斯运移的通道,搞清瓦斯运移规律是瓦斯治理的前提。在考虑岩石动态破坏过程和含瓦斯煤岩渗流-应力-损伤耦合的基础上,结合平煤五矿实际地质条件和开采工艺,建立了数值计算模型,应用RFPA-Gas程序模拟了近距离上保护层采动顶底板岩层变形破坏、裂隙演化规律与瓦斯运移规律。模拟结果较好地再现了保护层开采过程中煤岩层应力变化、顶底板损伤及裂隙演化过程,得到了上覆岩层移动的“上三带”（冒落带、裂隙带和弯曲下沉带）和底板变形的“下两带”（底板变形破坏带和弹塑性变形带）。得到了被保护层瓦斯流量分布、瓦斯压力分布和透气系数的变化规律,卸压煤层瓦斯透气性增大了2 500倍,得到了煤壁下方压缩区和膨胀区之间的张剪瓦斯渗流通道,并将保护层底板压缩区和膨胀区的瓦斯渗流特征提炼出来：压缩区对应的是渗流减速减量区、膨胀区由卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区组成,分别对应着渗流急剧增速增量区和渗流平稳增量区。指出卸压膨胀陡变区是瓦斯突出危险区,为近距离保护层开采瓦斯治理指明了方向。实践表明,瓦斯治理效果显著。     

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。     

降雨作用下路基裂隙渗流分析

为探讨路基裂隙在降雨作用下渗流特征及其对路基含水率影响作用,分析了路基裂隙产生的原因及土质裂隙特征,研究了土质裂隙渗流特点。根据降雨IEM及FDEM模型,推导了降雨作用下路基裂隙渗流公式。利用Hydrus渗流软件,分别模拟了路基中的裂隙及路堑边坡裂隙渗流下含水率分布状况特征。模拟结果表明,降雨过程中路基裂隙渗流能够较显著的改变局部路基含水率,在工程中值得重视。     

岩体裂隙中渗流场有限元随机模拟分析

采用有限元方法数值,模拟了开度随机分布裂隙中的渗流场问题。根据给定的裂隙开度均值和标准差,随机分布生成有限元模型中的单元裂隙开度,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值。根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同裂隙开度标准差条件下的等效导水系数,研究等效导水系数与裂隙粗糙度之间的关系。数值模拟结果表明,与光滑平直的裂隙相对比,在裂隙平均开度为常数、开度随机正态分布的条件下,表面粗糙裂隙的等效导水系数略有降低;对于裂隙平均开度为0.5 mm的裂隙模型,裂隙开度标准差从0.01 mm变化到 0.2 mm,其等效导水系数变化小于5 %。传统的渗流控制方程无法精确描述地下水在粗糙裂隙中的流动特征,因为在压力水头的定义中忽略了速度项。     

基于裂隙渗流效应的水封油库涌水量预测分析

准确预测洞室涌水量和库区渗流场的空间分布特征是确保地下水封油库施工期安全性和运行期经济性的基础性工作之一。为真实地反映地下水封油库围岩随机分布裂隙的渗流效应对涌水量预测和渗流场空间分布特性的影响,提出了一种基于嵌入裂隙单元模型（EFE模型）的裂隙岩体渗流分析方法,并采用该方法对湛江水封油库的三维渗流场进行了计算分析,通过对比工程实测资料,验证了所提出方法的可靠性,进而预测了实例工程在运行期的涌水量。计算结果表明,EFE模型能够较好地模拟裂隙对洞室岩体局部渗流场的影响,反映库区渗流场及洞室涌水量空间分布不均匀的特性。研究成果可为水封洞库渗控措施的精准设计以及运行期污水处理设施配套设计工作提供参考。     

考虑三维形貌特征粗糙裂隙加卸载渗流规律研究EI北大核心CSCD

裂隙岩体在天然地质因素和人工扰动作用下处于加卸载环境是普遍存在的,裂隙面的几何特征和加卸载环境对裂隙渗流特性的影响在实际工程中不可忽视。采用试验和数值模拟相结合的方法,利用热-流-固三场耦合渗流试验系统,开展了应力加卸载作用下不同粗糙度裂隙岩芯试件的渗透试验,自主开发程序将激光扫描裂隙面的三维形貌信息导入到ABAQUS软件,模拟应力作用下的粗糙裂隙渗流。试验和数值模拟一致表明,粗糙裂隙的宽度和渗透率都随载荷的增加而减小,随着载荷的增加,裂隙接触刚度增大,裂隙的宽度和渗透率对载荷变化的敏感性降低;由于点接触产生的塑性变形不可恢复,卸载阶段的裂隙宽度和渗透率增加幅度减小,且小于加载阶段同载荷条件下的宽度和渗透率;裂隙渗透率、宽度与粗糙度呈正相关关系,且粗糙度越大,接触应力分布越不均匀;裂隙内流场符合群岛流,粗糙度越大群岛流现象越明显。     

考虑三维形貌特征粗糙裂隙加卸载渗流规律研究

裂隙岩体在天然地质因素和人工扰动作用下处于加卸载环境是普遍存在的,裂隙面的几何特征和加卸载环境对裂隙渗流特性的影响在实际工程中不可忽视。采用试验和数值模拟相结合的方法,利用热-流-固三场耦合渗流试验系统,开展了应力加卸载作用下不同粗糙度裂隙岩芯试件的渗透试验,自主开发程序将激光扫描裂隙面的三维形貌信息导入到ABAQUS软件,模拟应力作用下的粗糙裂隙渗流。试验和数值模拟一致表明,粗糙裂隙的宽度和渗透率都随载荷的增加而减小,随着载荷的增加,裂隙接触刚度增大,裂隙的宽度和渗透率对载荷变化的敏感性降低;由于点接触产生的塑性变形不可恢复,卸载阶段的裂隙宽度和渗透率增加幅度减小,且小于加载阶段同载荷条件下的宽度和渗透率;裂隙渗透率、宽度与粗糙度呈正相关关系,且粗糙度越大,接触应力分布越不均匀;裂隙内流场符合群岛流,粗糙度越大群岛流现象越明显。     

基于CT三维重建的注水煤岩体裂隙扩展规律研究

针对煤层注水防尘过程中注水压力设置不合理、注水渗流效果差等问题,采用CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法,构建了可以表征注水煤岩体内部孔裂隙结构的三维细观非均匀渗流损伤数值模型。通过对经过CT三维重构的煤岩模型进行不同注水压力的渗流损伤模拟,研究了煤层注水压力对煤样的渗流破坏、渗透率演化及声发射特性变化的影响;并通过对重构的煤岩模型进行缩放处理,研究了煤岩尺寸对煤样的渗流破坏和声发射变化的影响。研究结果表明：在煤样微观裂隙扩展过程中,随着注水压力的递增,煤样损伤单元数、渗流运动的渗流场分布范围、渗透率、声发射数目和能量总体呈上升趋势,局部范围内有波动发生,发生波动的原因是由于渗流运动的渗流场与煤样裂隙内部应力场发生临界反应,致使煤样破坏单元位置发生改变;煤样渗透率由3.82×10−5 μm2上升至0.314 μm2,孔隙率由5.45%上升至48.45%,揭示了煤岩体裂隙总体上随注水压力增大而不断扩展贯通,局部上随注水压力增大而扩展趋势有所下降的影响规律;随着煤样尺寸的增加,注水破坏后煤样的孔隙率呈现先下降后逐渐平稳的趋势,声发射特性变化趋势正好与之相反,表明煤样的尺寸对注水煤岩渗流破坏有显著影响,但当煤样尺寸超过40 mm时,煤样尺寸对注水煤岩渗流破坏的影响趋于稳定。CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法能够有效模拟注水煤岩的裂隙渗流扩展行为。     

Influence of three-dimensional roughness of rock fracture on seepage characteristics based on the digital image technology

Digital image processing technology can objectively reflect the surface roughness of coal and rock mass fractures and turn physical properties such as fluctuation height to physical data of the rock fracture surface to be used for numerical analyses; thus, it can effectively be applied to the seepage flow analysis of rock fractures. First, clear digital images of the fracture surface height are obtained under the same camera conditions, and then characteristic function values specific to various structure are normalized. Subsequently, the fluctuation height distribution of the rock surface is restored according to the measured fluctuation heights of local points. Finally, according to the surface fluctuation of fractures, invasive restructuring is carried out for three-dimensional fractures in the same coordinate system. Obtained physical parameters on the three-dimensional fractures of the rock are inputted into the COMSOL Multiphysics software to obtain the characteristic three-dimensional model of the rock fracture surface. The numerical analysis results are compared with experimental data on fracture seepage obtained from a seepage coupling true triaxial test system, and the relevance between the simulated result and the physical experiment is higher than 90%, which confirms that the integration of the digital image technology and the numerical analysis method can effectively simulate seepage in rough fractures. The hydraulic gradient of rough fractures and seepage velocity are also consistent with Forchheimer flow characteristics.     

沁水盆地柿庄北区块3号煤层裂缝预测

柿庄北地区位于沁水盆地东南部,是我国重要的煤层气产区。煤层裂缝作为主要的渗流通道,对煤层气高产富集起到重要控制作用。该区山西组3号煤层中褶皱轴部走向为近南北向,野外露头区发育一组共轭剪裂缝,优势方位为NW与近EW向,其次是近SN向。根据构造形迹确定燕山期应力场以SEE105°挤压为主。利用水力加砂压裂法对现今井点目的层地应力进行计算,通过古地磁定向与声速各向异性确定现今最大水平主应力方向为NE55°。将煤层构造与地表起伏形态作为主要影响因素,采用有限元法对燕山期及现今地应力场进行数值模拟,利用弹性力学理论对裂缝参数进行计算,计算结果认为柿庄北3号裂缝孔隙度、渗透率普遍较小,整体上中部背斜区 > 中部平缓区 > 东部单斜区 > 中部向斜区 > 西部地区。模拟的裂隙特征与实测数据所反映的裂缝特征相近,单井产气量高的地区,裂隙较发育。      

煤内生裂隙的成因

根据多年对煤层裂隙的几何形态、分布规律、性质、与煤层的组合关系等的研究，认为煤内生裂隙是在煤化作用过程中，由于脱水、脱挥发分、煤体积收缩作用产生或者是由于煤化作用生成的水、气体及温度升高，孔隙产生膨胀，形成异常高压产生的；裂隙的发育方向因受区域应力场的控制，区域上具有一致性，且走向与最大主应力方向一致；内生裂隙属于张性裂隙。     

急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合模型及保护范围

开采保护层是防治煤与瓦斯突出最有效的措施之一,其关键是保护范围的合理确定。针对急倾斜多煤层上保护层开采有效保护范围的划定问题,基于煤层瓦斯越流理论,根据煤岩层变形与瓦斯渗流的固-气耦合作用,建立了瓦斯渗流场方程和煤岩体变形场方程,得到了急倾斜上保护层开采瓦斯越流固-气耦合数学模型。以南桐矿区某矿上保护层开采为实例,通过多物理场耦合系统,建立了该矿上保护层开采瓦斯越流几何模型并进行数值计算,获得了上保护层工作面开采后被保护层瓦斯压力的分布规律,确定了上保护层开采的卸压保护范围。数值计算与现场考察试验结果具有一致性,由此验证了数值计算的合理性。研究结果可以对现场保护范围的划定及卸压瓦斯抽放等提供理论指导,具有实际工程意义。     

断层破碎带突水突泥演化特征试验研究

为了研究富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制,自行研制了一套可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统。利用该装置开展了不同水压加载方式、不同破碎带介质参数等条件的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验。结果表明：（1）断层破碎带突水突泥灾害演化是渗流?侵蚀强耦合过程,在水压作用下,破碎带介质中的细颗粒首先发生迁移,导致充填介质孔隙结构增加,进而加速细颗粒流失,促使涌水率不断增长,随着细颗粒不断迁移流失,水流流态由层流转换为紊流,最终诱发突水突泥灾害;（2）破碎带介质初始孔隙率和施加水压越大越易诱发突水突泥,介质渗流演化特征越明显,渗流场参量如渗透率、孔隙率、雷诺数增加越快,且渗流场参量演化曲线出现突增现象;（3）梯度水压加载模式下断层破碎带介质较恒定水压加载条件下突水突泥演化特征更明显,介质发生突水突泥的临界水压更小。在此基础上,基于涌水率?时间（Q-t）、水力梯度?涌水率（i-Q）关系的流态转换分析和基于渗透率?水力梯度（k-i）关系的渗透性演化特征,建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型。该研究结果对于断层破碎带突水突泥灾害演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。     

Numerical simulation on tendency mining fracture evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth

In order to master the tendency mining-fracture-evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth in mining process, the 1221 working face in Zhao mine is selected as the engineering background and a mathematical model is established. The displacement variation, stress and strain of overlying strata and coal seams are simulated by using ANSYS software. In the mining process, the movement characteristics, displacement variation laws and fracture evolution characteristics of overlying strata and coal seams above working face with large inclination angle and mining depth along inclination direction are discussed. Simulation results show that with the advance of working face, the fracture development of overlying strata and coal seams is larger and larger; the area of gob is gradually expanding and the transverse stress of overlying strata and coal seams is also expanding. Stress contour of overlying strata and coal seams at both ends of gob becomes denser and denser; the activity of the overlying strata and coal seams near the up-roadway side of the gob is violent. The pressure relief zone is formed in the upper part of the strata and the roof above the gob. Large inclination angle of coal seam results in larger supporting pressure in the underside of the gob and smaller supporting pressure in the upper side of the gob. Along the inclination direction of the working face, the pressure relief zone is mainly concentrated in the outlet roadway of the working face; the fracture development and strata separation are obvious, which offer good passage for gas flow and migration.     

裂隙对煤岩超声波速度影响的实验——以沁水盆地石炭系煤层为例

对沁水盆地煤岩样品进行模拟煤层埋藏压力条件下的多方位超声波速度测试,研究煤岩中裂隙对超声波速度的影响,进而对地下裂隙进行预测,有利于煤层气的勘探开发。分析结果表明:煤岩中的裂隙会导致超声波速度降低,但当围压增大到10 MPa以后,大部分裂隙被压密闭合,煤岩的超声波速度趋于稳定;裂隙的方位对超声波在煤岩中的传播速度产生一定的影响,平行裂隙方向,超声波传播速度最大,垂直裂隙方向,超声波传播速度最小。研究成果为预测煤层中的裂隙提供了基础资料。      

低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。     

含瓦斯煤样横向变形与瓦斯流动特性耦合关系试验研究

以二次成型煤样为研究对象,运用自行研制开发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对含瓦斯煤样三轴加载过程中横向变形和与瓦斯流动特性的耦合关系进行了试验研究。结果表明：弹性力学定义的泊松比不能准确表征含瓦斯煤样的横纵应变特性,其关系可用二次函数表征;在预加载荷引起的横压向应变恢复阶段瓦斯流动速度变化呈先急剧降低再缓慢增加特性;在横向应变逐渐向扩张应化转变阶段,煤样内部的瓦斯流动速度呈单调缓慢增加趋势,且存在一个内部结构临界状态点使煤样内瓦斯流动速度最小;含瓦斯煤样处于横向压应变状态起始时的瓦斯流动速度要大于处于横向应变呈扩张状态末端时的瓦斯流动速度。