破碎岩体渗流的试验及理论研究综述

阐述了破碎岩体渗流的研究意义,对其试验及理论研究现状分别进行了总结,给出了破碎岩体通过试验得到的各种非线性渗流公式,指出承压破碎岩体的渗流随着孔隙率的减小,渗透率减小,而Darcy流偏离因子的绝对值增加;然后根据破碎岩体渗流的非稳态非线性渗流动力学模型,通过平衡态的稳定性分析,指出破碎岩体渗流动力系统存在鞍结分岔及折叠突变;最后展望了破碎岩体渗流的研究趋势,指出破碎岩体变形场与渗流场的动态耦合及温度场与渗流场的耦合研究有待于深入.     

热-流-固耦合非饱和渗流的物理描述和数学模型

研究了热-流-固耦合非饱和渗流的物理和数学模型.其中非饱和渗流部分考虑到水的蒸发-凝结这种相变过程,这是气液两相渗流.液相中含有溶解的空气,气相中含有空气和水蒸气,蒸汽在空气中作扩散运动.基于线化的湿-热弹性理论,建立了热-流-固耦合的本构方程、水和气体的渗流微分方程,以及能量方程.该完整的方程组可很容易推广到热-流-固耦合油-气-水多相渗流情形.     

页岩气藏流固耦合数学模型

页岩层是超低渗透率的储气层,页岩气藏开采过程中流固耦合效应表现明显.基于渗流力学和Biot固结理论,综合考虑页岩气藏储层的启动压力梯度,页岩气渗流过程中的解吸附,建立了一个适用于滑脱流、孔内扩散等页岩基质孔隙内所有气体流态形式的流固耦合数学模型.页岩气开采流固耦合数学模型包含了气体渗流和页岩变形相互作用的耦合项,必须进行耦合求解.使用显式迭代编制相应程序求解其数值解,计算结果表明,考虑流固耦合和不考虑流固耦合对页岩气开采过程中压力分布影响较大,考虑流固耦合情况下,压力降低趋势比不考虑耦合情况下要快,更符合实际开采情况.流固耦合现象对页岩气渗流过程影响较大,页岩气开采过程中必须考虑流固耦合影响.     

岩样应力应变全程中的渗透性表征与试验研究

通过岩样应力应变全过程体积应变和渗透率的试验研究，分析了应力水平、孔隙率等对多孔介质岩体渗透率的影响规律；理论研究分析了岩样全应力应变过程渗透率的变化规律，提出了岩石应力应变全过程中渗透率的表征关系式，其可作为研究多孔介质岩体流固耦合的一个重要耦合关系式，并对今后低渗透性油气田煤层气、天然气的开发有现实的指导意义。     

基于固—气耦合物理相似模拟的实验装置研究

采动裂隙演化与卸压瓦斯渗流耦合的物理相似材料模拟实验是研究采动影响下煤岩体渗透率变化规律及分布特征的基础,文中通过研制"固—气"耦合物理相似模拟实验台,设计耦合实验中的开采系统、充气系统和测试系统,进行了相似模拟实验及渗透率测定。开采系统保证箱体气密性的同时实现了煤层的模拟开采,测试系统验证了试验箱内气体在岩层中的流动规律符合达西定律,进而验证了实验装置的可行性,从而为研究采动裂隙场时空演化与卸压瓦斯渗流耦合规律的相似模拟实验奠定实验基础。     

蠕变作用下多孔介质渗流的固流耦合数学模型

针对岩体是一种可变形的多孔介质,岩体在荷载作用下发生蠕变的问题,岩体孔隙度、渗透率等物性参数随之变化;同时,孔隙和渗透特性的变化又引起压力场、速度场的改变,带动蠕变特性的变化。在研究渗流的过程中,考虑岩体蠕变的影响,基于岩体流变力学和渗流力学理论,应用对应性原理,建立了含有蠕变参数的动态应力平衡方程,推导了蠕变作用下多孔介质渗流的固流耦合数学模型。     

地下工程渗流场与应力场耦合的相似材料模拟

针对工程岩体中存在的渗流场与应力场耦合问题,在研制固液耦合实验材料的基础上制作了固液两相相似材料模拟模型,通过地下煤炭开采中渗流场与应力场耦合的相似材料模拟,得到了水在工程破坏岩体中的渗流以及岩体在渗流场作用下的破坏规律,确定了上湾保水采煤工作面的合理推进距离及基岩保护层的厚度。实验得出的结论和现场实践所取得的结论一致,进一步证实了实验的可靠性,这一实验的成功为以后研究渗流场与应力场的耦合开辟了新的途径。     

矿井巷道掘进过程中含水构造附近岩体温度场的模型试验研究

分析含水构造附近渗流作用影响下的热扩散理论,采用典型的流-固耦合相似材料配比和相似模拟试验架,完善光栅温度、渗透压力监测系统。对含水构造附近的巷道掘进进行试验模拟,对掘进过程中围岩变形和渗流边界条件改变引起的渗流场、温度场的变化规律进行分析。研究结果表明:含水构造附近的岩体具有明显的低温异常特征;掘进过程中,水体附近渗透压力显著降低,岩体的热对流作用随巷道开挖逐步加强,岩体温度逐步降低,但水体的温度影响范围变化较小;通过Peclet数的对比分析,为探测矿井突水提供了一种新途径;对巷道掘进中的岩体温度场进行数据拟合,得出温度法预报的经验公式,为岩体温度法探水提供了可靠的试验依据。     

裂隙岩体流热耦合的三维有限元模型

利用传热学和渗流理论,建立了深部裂隙地层流热耦合传热的三维数学模型。采用渗流和导热微分方程描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值模拟。数值模拟结果表明:岩体内裂隙水流所引发的热质迁移,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。模型揭示了岩体与裂隙水流之间发生的对流换热现象,模拟了岩体内的温度场分布,实现了由点向场的转变。模拟结果与实际情况相吻合,表明采用该方法研究裂隙岩体的流固耦合传热是可行的。     

地质系统THMC耦合随机模型研究

热-水-力-化(THMC)耦合作用是岩石流体力学与环境地质中的重要理论课题.设计用实验方法研究温度场-渗流场-应力场-化学场四场耦合效应中热传导系数、渗透率及岩体变形参数的空间变异性表征方法,及块裂岩体的非确定性耦合控制方程,试图建立热-水-力-化耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评价和地下水资源评价等提供科学的新方法.     

渗透动水压力作用下裂隙岩体渗流与应力耦合分析

针对裂隙岩体的渗透水压力使岩体应力产生非常大变化,同时应力变化也影响裂隙岩体渗透性。考虑岩体渗流和应力耦合分析是研究地下水活动规律的首要问题。当岩体以裂隙为主,且其分布较密集时,可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。运用等效连续介质理论,建立了等效连续岩体渗流与应力耦合分析的数学模型,充分考虑了渗透水压力和裂隙的存在对岩体应力及孔隙裂隙水压力变化产生的影响。给出了渗流场与应力场耦合分析的工程算例。     

裂隙岩体核素迁移的稳态时间模型

将裂隙岩体渗流视为裂隙网络流 ,核素仅在岩体裂隙网络流中迁移 ;核素在迁移过程中同时存在吸附和解吸作用 .基于图论和单一裂隙渗流的立方定律 ,建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型 ;在此基础上 ,考虑核素在裂隙网络流中迁移时既被裂隙表面吸附同时又发生解吸 ,建立了裂隙岩体核素迁移的二维稳态平衡和非平衡时间模型     

采动岩体渗流与煤矿灾害防治

针对煤矿采动破碎岩体高渗透、非Darcy流等特性,利用自行研制的渗流试验装置进行渗透性测试,并在此基础上建立了能够描述采动岩体渗流非线性和随机性特征的渗流理论.以采场底板隔水关键层力学模型为基础,建立了以采动岩体渗流失稳为突水判据的预测预报体系.分析了综放工作面瓦斯涌出规律及采空区瓦斯运移规律,开发出治理高产高效综放工作面瓦斯超限的J型通风技术.     

凝析气藏水平井产能计算新方法及影响因素分析

当前对于凝析气藏渗流和产能的研究是以直井研究较多,甚少有研究凝析气藏水平井产能。考虑压力变化对流体物性影响,对凝析气藏的产能进行研究评价。从常规的产能分析出发,考虑岩石应力敏感系数、气体高速非达西渗流因素,定义了气油两相拟压力,采用复变函数理论保角变换,推导凝析气藏气油两相渗流产能方程。实例计算表明,新公式与产能测试的误差仅为7.2%,准确程度高。产能影响因素分析表明,凝析气藏高速非达西渗流效应对产能影响较小,岩石应力敏感系数、油气体积比和滑脱因子对产能影响较大。随着岩石应力敏感系数和油气比的增大,气井无阻流量逐渐降低,而随着滑脱因子的增大,无阻流量不断增大。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

块裂介质岩石流体力学研究新进展

概括地介绍了我们在块裂介质岩石流体力学方面近年来所作的研究工作,内容包括：（１）岩体裂缝二维,三维分布分形规律及分形仿真方法;（２）三维应力作用下,气体,液体,气液二相流体沿裂缝的渗流物性规律;（３）二维,三维块裂介质固液,固气耦合数学模型及其数值解法。（４）承压水上采煤的理论与实践。     

渗流作用下柱状节理岩体强度特性试验

为研究白鹤滩水电站柱状节理玄武岩在高渗透压力作用下的强度特性,采用与水电站现场岩体物理力学性质相近的人工材料,制作具有相同节理构造的柱状节理岩体模型试样,开展了不同渗透压力的渗流应力耦合三轴力学试验,分析了渗透压力对柱状节理岩体的破坏模式、强度和渗流量的影响。试验结果表明:渗流作用下柱状节理岩体的破坏模式为沿着节理倾角的滑移破坏;渗流作用下的柱状节理岩体具有较低的强度,三轴压缩峰值强度与渗透压力呈负相关关系;应力应变曲线可分为4个阶段,渗流量随应力应变曲线呈现出阶段性特征,渗透压力对岩体强度和渗流量影响较明显。     

煤炭开发中相关渗流力学问题研究

煤碳是我国的主要能源,在能源消费结构中占居主导地位,煤岩体是一种典型的孔隙裂隙结构体,在煤炭资源开发的过程中涉及到一系列渗流力学问题.探讨了煤层中瓦斯渗流特征及其规律,分析了煤与瓦斯的流固耦合作用,介绍了煤与瓦斯突出的失稳判据;分析了煤矿生产过程中对地下水的污染,对酸性矿井水的水岩作用问题作了初步探讨,同时对煤矸石的环境效应也作了分析;随着煤层开采深度的增加,矿井热害越来越受到学者的重视,分析了矿井热害的形成机理及其影响因素.最后提出了煤层开采中渗流问题的研究方向.     

渗流随机有限元程序设计及煤层顶板涌水预测

基于随机有限元理论和渗流力学原理,通过推导渗流随机有限元列式,得到随机渗流单元水导矩阵,将可靠度计算引入采动岩体随机渗流之中.根据渗流随机有限元列式编写出可用于岩层渗流计算的随机有限元程序,并对俄霍布拉克煤矿的实际渗流问题进行了数值计算.结果表明,程序计算较好地反映了实际岩层的渗流特性;保护关键层和防水层对预防矿井的顶板突水具有重要作用.计算结果可为俄霍布拉克的开采提供合理化建议,也为随机有限元在渗流方面的深入研究提供依据.