裂隙煤岩体的流固耦合精细模型

将裂隙煤岩体视为裂隙-孔隙双重介质,以满足某种概率分布的主干裂隙网络描述煤岩体裂隙的分布;将主干裂隙间包含低序次裂隙的基质煤(岩)块视为各向同性孔隙介质,建立裂隙煤岩体的流固耦合精细模型.对不同介质分别进行渗流-应力耦合分析,在应力计算时采用等厚度节理单元进行模拟,在渗流计算时,采用节理单元的中面坐标将节理单元转换为线单元进行模拟的数值技术,解决2类介质耦合求解时存在不同介质间流体的交换问题.研究结果表明:裂隙煤岩体流固耦合的数值实验结果反映了裂隙煤岩体渗流的各向异性,孔隙渗流滞后裂隙渗流现象,体现了煤岩体贯通主干裂隙网络对渗流场分布起控制作用;数值实验结果较真实地模拟了煤岩体应力分布的复杂性,体现了孔隙单元的有效体积应力和裂隙单元的有效法向应力随渗流发展的时效演化规律.     

岩体离散裂隙网络渗流应力耦合分析

裂隙渗流具有沿裂隙网络做定向移动的特点,用非连续介质方法分析裂隙岩体渗流应力耦合更符合工程实际.本文以人工模拟的随机裂隙网络为对象,应用离散裂隙网络模型和节理单元模型,以裂隙开度变化为纽带,同时考虑渗透静水压力和动水压力的影响,研究水位变化条件下裂隙岩体渗流应力耦合特性.算例表明,考虑耦合作用时,岩体内部结点水头、结点应力和岩体渗流量会发生相应改变.岩体中水头大的裂隙段,耦合作用更加明显.在高坝工程岩体渗流分析和岩体稳定评价计算中,应当考虑渗流应力的耦合作用.     

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。     

岩石面糙率的分布及其对裂隙水流的影响

就岩石央糙率的分布规律及其对裂隙水流的影响进行了计算分析,通过天然大理石板人工构成开裂隙模型所进行的大应力高水头耦合试验研究,对大理石板在糙度的实测数据进行了数值分析,分析表明,该岩面糙率符合斯分布,由此得出了数值岩面,同时,用数学模型确定了裂隙面接触状态与应力的关系,用应力场与渗流场耦合地描述了裂隙流渗随应力变化的渗流特性,从计算途径验证了试验结果。     

脆-塑性充填裂隙差异的渗流应力模型

为了研究不同属性介质(脆-塑性)非完全充填裂隙的渗流应力特性,采用花岗岩作为裂隙壁,利用自制渗流应力装置,通过轴向压缩、侧向约束的实验方式,进行了渗流应力实验,得出了相应的渗流应力曲线。结果表明:充填物的脆-塑性变化对裂隙渗流应力特性产生显著影响。脆性充填裂隙渗流应力曲线表现出平衡、失稳和稳定三个阶段;弹塑性充填裂隙表现为失稳和稳定两个阶段;塑性充填裂隙表现出急剧下降一个阶段。根据实验数据的整理与分析,得到差异充填(脆-塑性)裂隙的渗流规律;并建立了相应的数学模型。     

粗糙裂隙渗流及其受应力作用的计算机模拟

基于裂隙微小单元内立方定律成立的假定和有限元法，建立了粗糙裂隙渗流及其受应力作用的计算机模拟技术，通过数值模拟的手段，进行任意粗糙裂隙等效水力隙宽的确定，并考察应力作用对裂隙面渗流的影响，通过算例分析，研究了有接触面积的粗糙裂隙和张开裂隙的等效水力隙宽的表征方法。     

考虑剪切接触与碎屑充填的裂隙渗流模型与数值分析

为研究大尺度裂隙内部复杂的渗流规律,综合分析裂隙面粗糙度、初始裂隙宽度、剪切过程裂隙接触面积以及剪切碎屑对渗流的影响,提出一种考虑剪切接触与碎屑充填的裂隙渗流模型并开展多种工况下的数值实验研究。研究结果表明:当裂隙相对接触率低于15%时,等效水力宽度数值计算结果与理论计算结果基本吻合,当裂隙接触面积继续增大,两者计算结果出现较大偏差;当裂隙表面模型增加相同的分形维数时,渗流体积流量减小愈加明显;分形维数为2.4的裂隙模型接触率变化范围为19.3%～29.2%,但稳定体积流量仅为初始状态的0.20%,说明剪切过程裂隙接触面积对渗流的影响与其分布状态密切相关,其影响远大于仅改变裂隙接触面积的影响;渗流方向与剪切位移方向对渗流的影响同样是通过改变裂隙接触分布状态实现,优势导水通道对渗流规律的影响起主导作用;裂隙剪切过程所产生的岩石碎屑对渗流规律存在较大影响,出口流量稳定值分别为未考虑裂隙碎屑充填模型的27.1%和32.4%,且裂隙初始宽度越小,影响越显著。     

岩体裂隙网络渗流作用力及其对岩体应力的影响*

岩体裂隙网络渗流对裂隙壁施加有两种作用力:垂直于裂隙壁使裂隙产生扩张的法向渗透压力以及平行于裂隙壁和裂隙水流方向一致的切向拖曳力.从岩体裂隙网络渗流的特点出发,分析了二维及三维情况下岩体裂隙网络渗流的这两种作用力,推导出二维及三维情况下裂隙单元因这两种作用力而产生的等效结点力,并应用算例定量分析了岩体裂隙网络渗流对岩体应力的影响.可以看出,岩体裂隙网络渗流作用力使岩体各应力分量增大.     

三轴应力作用下岩石单裂隙的渗流特性

侧向应力作用下岩体裂隙开度呈现增大的趋势,采用侧向应力影响系数,将侧向应力等效为作用于裂隙法向的拉应力,基于岩体裂隙法向闭合变形法则,建立了三轴应力作用下裂隙开度表达式,在此基础上推导了岩石单裂隙渗流与三轴应力耦合模型.采用人工劈裂贯通裂隙进行三轴应力下的渗流实验,研究结果表明,法向应力、侧向应力以及渗压对裂隙渗透系数有显著的影响,裂隙渗透系数随法向应力的增加而减小,而随侧向应力或渗压的增加而增大,裂隙渗透系数与三轴应力呈指数函数关系.实验结果与理论分析具有很好的一致性.     

柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性研究

应用3DEC离散单元法模拟柱状节理岩体应力渗流耦合.分析柱状节理岩体模型耦合算法与非耦合算法计算结果的差异及耦合算法下柱状节理孔应力与流量的变化.采用耦合算法所得最大应力与位移均大于非耦合算法,在耦合算法下,裂隙渗流产生的渗流力改变了应力场的分布,而应力场的变化使得裂隙岩体的渗透系数发生变化,从而导致岩体渗流场的重新分布.计算结果表明孔应力以及流量的变化是一个相互影响的动态过程.研究成果证明了所用方法的合理性,对柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性做出了初步的研究与分析.     

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.     

裂缝网络多孔介质渗流特性研究

作为裂缝网络型多孔介质渗流特性研究的基础,本文忽略了母体材料的渗流影响,主要讨论了分形分叉网络模型的渗流特性,其中包括压力、流量、阻力和渗透率等输运参数与裂缝网络结构、孔隙率的关系,给出了显式表达式.并给出了这些输运参数与裂缝网络结构的标度关系.     

复杂渗流条件下致密气藏压裂气井分区产能计算方法

致密气藏压裂气井渗流机理复杂,压裂改造区内外渗流机理和影响因素也截然不同,常规的产能计算模型不能准确描述这种存在区域差异的渗流特征,造成最终产能计算误差较大.以气体渗流理论为基础,分析了在致密气藏压裂气井分区域渗流机理,明确了压裂气井不同区域的渗流特征及影响因素.在此基础上建立了复杂渗流条件下的致密气藏压裂气井分区产能计算方法并开展了实例验证.计算结果表明,分区产能计算模型计算产能更加接近气井实际,较现有模型更加准确可靠.     

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。     

低渗油藏体积压裂井压力特征分析

 体积压裂技术的发展正处于起步阶段,国内多个油田进行了大型水力压裂尝试,其中最典型的是长庆油田实施的分段多簇压裂技术。体积压裂渗流理论发展相比工艺具有滞后性,目前尚未有完善的用于现场指导的渗流理论体系。本研究以矿场体积压裂直井的微地震测试资料为依据,建立了可以描述其渗流规律的数学模型:首先将渗流过程分为油藏到主裂缝的流动和主裂缝内部流动;然后利用达西渗流理论描述主裂缝稳态渗流过程,利用源函数与叠加原理描述油藏渗流过程;最后在主裂缝壁面处进行油藏渗流与主裂缝渗流的耦合。经过数学求解后得到了该模型井底压力的特征曲线,并且分析了各种因素下该特征曲线的变化规律。对该数学模型和数值模型的结果进行比对,证实了该模型的准确性。     

石砭峪岩体裂隙非连续介质渗流对岩体强度的影响

利用非连续介质裂网络渗流数值分析方法结合工程地质勘察方法,对石砭峪供水洞进行裂隙网络渗流分析。在求知渗流量后,确定出渗透压力;在考虑渗透压力作用下,建立了对供水洞岩体变形性影响的数值计算模型。该项研究可用于实际工程岩体的稳定性评价,对工程施工具有指导意义。     

各向异性连续介质渗透系数的反分析法及其应用

根据对渗透特性不同的连续介质（如岩层或岩区）所作若干点渗透压力的测定， 建议一种基于有限单元法的反分析法，可求出表征各向异性岩体渗透特性的渗透系 数，将此法针对正问题作验证计算，所得结果十分理想。     

裂隙岩体离散网络模型及其渗流规律数值计算

为了通过建立离散裂隙网络模型研究裂隙岩体的渗流规律,对建立的离散裂隙网络,借助图论方法描述裂隙间关系,在单个裂隙上,采用边界元方法,推导了求解渗流规律的具体公式。利用Matlab软件,程序实现通路的搜索及单裂隙渗流规律的求解。最后,通过随机生成的裂隙网络及算例调试程序证明:采用该方法可以快速、准确的实现渗流计算,为最终裂隙网络渗流规律的求解奠定了基础。     

岩质边坡渗流场中等效连续介质模型的应用

在运用等效连续介质模型分析了裂隙岩体诊流场时，综合考虑并比较了单孔压水试验和节理裂隙统计取得的渗透系数，获得了能较好反映原位地质环境的修正渗透张量．将这种确定渗透张量的方法应用于某铁矿边坡工程渗流场分析中，取得了较好的结果．