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非均匀煤岩渗流-应力弹塑性耦合数学模型及数值模拟 总被引：11，自引：2，他引：9
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。 相似文献
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为描述采动煤岩渗透率演化过程,引入强度退化指数,基于Hoek-Brown强度准则,建立了考虑围压影响的煤岩应变软化力学本构模型。给出了体积应变和渗透率的关系方程,结合应变软化模型建立了采动煤岩渗透率演化模型,并在FLAC下予以实现。通过数值模拟研究了不同围压下圆柱岩样的峰后应变软化力学行为和某煤矿工作面开采过程中煤岩的渗透率演化过程,结果表明：（1）该模型能较好地反映围压对煤岩峰后应变软化行为的影响;（2）随着工作面推进,越来越多的煤岩单元破坏,渗透率也不断增长,逐渐成为瓦斯等流体运移的主要通道。（3）模型能再现采动煤岩渗透率演化的动态过程,从而为煤与瓦斯共采、煤层瓦斯抽放和瓦斯灾害防治提供指导。 相似文献
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高瓦斯矿井"U"型通风工作面采空区上隅角容易积聚瓦斯。以渗流理论为基础,根据气体扩散定律和质量守恒定律,建立了顶板走向钻孔抽放采空区瓦斯流场数学模型,并用6点隐式有限差分法进行了求解。以VB6.0为平台,利用工程软件SURFER模拟了抽放钻孔周围瓦斯压力场,并在现场进行了工业试验。理论研究与现场实践均表明:顶板走向钻孔抽放采空区瓦斯是解决高瓦斯工作面上隅角瓦斯积聚的一种行之有效的措施;顶板裂隙程度和状态是影响瓦斯抽放量的主要因素,将钻孔布置在适当的裂隙带中,瓦斯抽放浓度可达30%～90%,抽放负压可达50～55 kPa;数值模拟方法研究采空区瓦斯运移等工程实际问题是可行的。 相似文献
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为了研究岩体裂隙网络中矿物溶解-沉淀的变化规律及其对溶质运移的影响,联合矿物溶解-沉淀动力学模型、渗流模型和溶质运移模型建立了岩体裂隙网络矿物溶解-沉淀-迁移模型,经过水溶液络合物计算和矿物成分分析,对研究区域方解石溶解-沉淀作用及溶质运移进行了数值模拟。得出的结论主要有:(1)受裂隙网络分布的影响,溶质运移分布极不均匀,溶质主要通过连通的裂隙从上游向下游迁移;(2)考虑方解石的溶解-沉淀作用之后,在溶解区域溶质浓度增加,在沉淀区域溶质浓度减少;(3)通过对比分析,可知方解石溶解-沉淀受水溶液中CO23-浓度影响较大。 相似文献
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考虑Klinbenberg效应的煤中应力-渗流耦合数学模型 总被引：4，自引：0，他引：4
已有研究表明,瓦斯在煤层中渗流存在明显的Klinbenberg效应,建立考虑Klinbenberg效应的煤中瓦斯渗流应力耦合模型是煤层瓦斯抽放数值模拟的关键。通过试验研究了煤中的气渗透率与瓦斯压和围压的关系,试验数据的拟合分析表明,赵阳升公式能很好地模拟瓦斯渗流的Klinkenberg效应及围压对煤的渗透率的影响。将赵阳升公式引入到建立的煤层瓦斯渗流应力弹塑性耦合模型中,建立了考虑Klinkenberg效应的煤层渗流-应力弹塑性耦合数学模型,在数值计算程序Coupling Analysis中予以实现,并利用已有解析解对程序的可靠性进行了验证。按考虑和不考虑“Klinbenberg“效应两种工况进行了数值计算。结果表明,按前者计算的瓦斯压降要大于后者。这与理论研究的结论一致,表明所建立的考虑Klinbenberg效应的模型具有理论和工程价值。 相似文献
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近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析 总被引：10，自引：1，他引：9
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。 相似文献
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渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性,在圆柱坐标系下,考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响,构建温度影响的孔隙压力时空演化函数,据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明:建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性,即在恒定外应力的条件下,随抽采时间增加,不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓,煤储层渗透率先降低后升高;此外,同一煤储层位置处,考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低;通过讨论发现,随抽采时间增加,根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应,设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。 相似文献
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From the viewpoint of interaction mechanics of solid and gas, a coupled mathematical model is presented for solid coal/rock‐mass deformation and gas leak flow in parallel deformable coal seams. Numerical solutions using the strong implicit procedure (SIP) method to the coupled mathematical model for double parallel coal seams are also developed in detail. Numerical simulations for the prediction of safety range using protection layer mining are performed with experimental data from a mine with potential danger of coal/gas outbursts. Analyses show that the numerical simulation results are consistent with the measured data on the spot. The coupled model shows a positive future for applications in a wide range of gas‐leak‐flow‐related problems in mining engineering, gas drainage engineering and mining safety engineering. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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This paper proposes a three-dimensional coupled hydrothermal model for fractured rock based on the finite-discrete element method to simulate fluid flow and heat transport. The 3D coupled hydrothermal model is composed of three main parts: a heat conduction model for the rock matrix, a heat transfer model for the fluid in the fractures (including heat conduction and heat convection), and a heat exchange model between the rock matrix and the fluid in the fractures. Four examples with analytical solutions are provided to verify the model. A heat exchange experiment of circulating water in a cylindrical granite sample with one fracture is simulated. The simulation results agree well with the experimental results. The effects of the fracture aperture, fluid viscosity, and pressure difference on the heat exchange between the fluid and rock are studied. Finally, an application concerned with heat transport and fluid flow in fractured rock is presented. The simulation results indicate that the 3D fully coupled hydrothermal model can capture the fluid flow and temperature evolution of rocks and fluids. 相似文献
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This paper presents the development of a mathematical model for methane gas migration in coal seams. The major focus of this model is the coupling between the gas flow and deformation of solid coal. The effect of diffusion of adsorbed methane gas from the solid matrix to the voids has been taken into account. The adsorption of gas in the coal seam causes a two-phase state of gas flow. The governing equation for the two-phase gas flow is a non-linear partial differential equation with non-linear boundary conditions. A finite element model has been developed for simulation of the distribution of pressure and concentration of methane gas due to gas migration in coal seams. 相似文献
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深部煤层渗透性普遍较差,直井压裂开发单井产量低效果不甚理想,而U型水平井分段压裂开发煤层气技术已取得很好的效果。该项技术试验前必须进行适合该井型的地质评价。以鄂尔多斯盆地东缘延川南区块为例,首先分析影响水平井压裂产能的地质因素,主要为单井控制资源量、储层渗透性和煤层气解吸难易程度,其中单井控制资源量受含气量和煤层厚度影响,渗透性与煤层埋深、构造及煤体结构等有关,碎裂煤发育区渗透性相对好。而后假定吸附性能不变的前提下,利用数值模拟方法分别模拟了不同渗透率、含气量和煤层厚度条件下水平井压裂的产气情况,模拟结果表明水平井压裂后累计产气量与渗透率、含气量、煤层厚度正相关。最后在经济效益评价的基础上,查明适合水平井压裂的地质条件:渗透率>0.25×10–3μm2,含气量>12.3m3/t,煤层厚度>2.9m。该地质适用性评价标准在现场得到广泛应用,并收到了良好的开发效益。 相似文献
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Under the background of China as a big coal-hungry country lasting till 2050, deep mining becomes more and more significant. However, deep coal seams usually have a very complex geological structure like Karst collapse columns, and excavation is often accompanied with water-inrush accidents, restricting the development of the coal industry. In order to study on seepage problems on fractured rock accompanying with mass loss during excavation in coal mines with karst collapse columns, researchers studied on water-inrush mechanism in karst collapse columns directly, researched on seepage behavior of fractured rock with pressure as the basis of studying on water-inrush mechanism indirectly, studied the fluid flow change in fractured rock regarding the change of liquid flow type in fractured rock as seepage instability, and observed and studied the phenomenon of mass loss during seepage in succession. In the following research, (1) the cementation, lithology, and match rate of testing samples, which are the foundation of the simulation study, need to be determined in more detail; (2) migrated particles in fractured rock should be distributed which are from migration, corrosion, erosion, and abrasion; (3) multi-permeate agents in the fractured geological structure, their diffusion and convection, and the related chemical reactions should be involved; (4) more and more contemporary mathematical methods will be introduced to help us to study the complex dynamic system; and (5) experimental equipment needs to be designed and improved. What we did before, do now, and will do later is to penetrate the mysteries of seepage problems on fractured rock accompanying with mass loss during excavation in coal mines with karst collapse columns. 相似文献
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裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析 总被引：1，自引：0，他引：1
通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。 相似文献
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探究激光辐照煤岩的热效应,有助于理解激光作用于煤岩的成孔机制,从而为激光应用于煤层气水平钻进提供理论支持。基于传热学理论,建立了激光辐照煤岩的数学模型,通过多物理场仿真分析软件COMSOL Multiphysics对激光破岩过程中温度场分布情况进行数值计算,探讨了激光光束辐照在煤岩表面时激光功率、光斑半径及辐照时间等因素对激光作用于岩石的热效应影响。再考虑到煤岩在极高的升温速度下将发生相变,建立了其发生气体相变的数值仿真模型,对其气化后形成的烧灼孔进行模拟仿真。仿真结果分析表明,影响钻孔深度的主要因素是激光功率和辐照时间,影响孔口直径大小的主要因素是光斑直径,激光辐照煤岩的成孔机理主要是激光高温烧蚀成孔,如果用于实际钻进过程中将大幅减少固体岩屑,有助于降低排屑工艺的难度。 相似文献