急倾斜煤层采空区输气管道变形模拟

为了探究急倾斜煤层开采形成的采空区对其上覆输气管道安全运行的影响,基于快速拉格朗日法对某煤层采空区进行数值模拟,探究了实际煤矿采空区的地质沉降和管道位移特征,研究了不同倾角、不同开采深度的急倾斜煤层对上覆输气管道变形的影响。结果表明:某煤矿区五个急倾斜煤层在开采100 m后,在煤层坡面上方形成最大深度1.54 m的塌陷,塌陷区内的土壤和岩石主要向煤层方向水平移动和垂直向下移动;靠近煤层采空区的管道,垂直方向位移大于水平方向位移,而远离煤层采空区管道,则水平位移较大;随着急倾斜煤层倾角减小和开采深度增大,管道向下的沉降量增大,并且发生最大沉降的位置逐渐向煤层方向靠近。     

地下采矿对埋地输气管道变形影响分析

管道通过不同矿区,矿层特征不一,开采工况不同,对管道造成的沉降不同.为得出采空区地表沉陷对埋地输气管道位移量的影响,运用ABAQUS软件,结合三向土弹簧非线性模型,建立有限元计算模型,分析了不同开采深度及开采厚度下地表变形情况,管道竖向位移和水平位移在不同开采厚度下的变化规律,以及管道最大位移量随开采厚度的变化情况.研究结论对穿越采空区埋地输气管道的风险评价和维护措施的制定具有一定参考价值.     

流固耦合对裸露输气管道固有频率的影响

以采空区埋地管线系统为研究对象,利用Hamilton原理,推导出考虑弯曲变形、流体压力和温度变化等因素的输气管道横向振动微分方程。以两端简支管道为例,利用里兹法求解固有频率,进而分析了温差、流体流速、压力以及几何因素对输气管道固有频率的影响。研究结果表明:管内流体流速对管道固有频率的影响较小,工程流速范围内,可忽略流体流速的影响;管道固有频率随流体压力的增加而降低;管道固有频率值随管长的增加而降低,随外径的增加而增加;管道固有频率随温度改变量的增加而降低。     

采空区多参数气-固耦合渗流模拟

针对由于采空区内非均匀孔隙介质的存在,造成采空区风流动态流动的复杂性,在渗流力学与气-固理论相结合的基础上,采用理论分析、软件模拟以及实例验证等方法,分析了采空区内孔隙度变化规律以及多参数渗流连续数学模型;基于高效的有限体积算法,进行了数值解算,并编制了模拟软件,研究结果表明:采空区内渗透率整体呈现"U型"筛分布,在进风口和回风口处最大,随着采空区深度的增加渗透率逐渐变小;压力呈"扇型"分布,在进风口处最大,随着向采空区延伸,压力变化逐渐趋近于零;采空区内渗流速度呈"弧型"分布,靠近工作面的区域漏风较强,随着向采空区延伸,漏风速度逐渐趋近于零;同时对模拟结果进行了三维和二维演示,使问题更清晰、直观明确,为辅助分析采空区瓦斯排放、自然发火、注氮灭火、大面积均压调压等诸多安全问题提供保障.     

不均匀沉降时埋地输气管道应力及许可沉降值研究

以埋地输气管道为研究对象,利用采空区不均匀沉降时埋地管道变形解析表达式对管道的Mises应力进行了研究,并确定了在不同跨度下输气管道的许可沉降量。研究表明:(1)在采空区,当地基发生不均匀沉降时,埋地管道所承受的Mises应力主要是由管道弯曲变形引起;(2)当跨度(即相邻两个极值点之间的水平距离)为25 m、50 m、250 m时,管道的许可相对沉降值分别为0.505 m、1.126 m、5.348 m.     

温度对裸露的输气管道固有频率的影响

以采空区埋地管线系统为研究对象,讨论了其裸露在自然环境中时,温度变化对输气管道振动特性的影响。本文利用达朗贝尔原理和考虑温度变化的本构关系建立了输气管道振动微分方程,以两端简支管道为例利用里兹法求解其固有频率,进而分析温度对输气管道固有频率的影响。研究结果表明:温度对管道低阶固有频率影响不大,对高阶固有频率影响较明显;随着裸露长度和壁厚的增加,温度对管道固有频率影响加剧;输气管道固有频率随温度变化值增大而减小。研究结果可为管道设计提供参考。     

输气管道滑坡灾害影响因素敏感性分析

为保证输气管道在滑坡灾害下能够安全运行,需对输气管道滑坡灾害进行影响因素敏感性分析,以识别出管道应力与影响因素之间的敏感状况.利用ABAQUS有限元软件建立输气管道滑坡灾害数值分析模型,计算出管道的最大Mises应力值;应用敏感性系数分析法分析了输气管道滑坡灾害的主要影响因素,得出主要影响因素与管道应力之间的变化规律.计算结果表明,管道在横穿滑坡区域时,除管道壁厚与管道应力呈反向变化关系外,滑坡宽度、内摩擦角度、土体黏聚力、管道埋深和管内压力都与管道应力呈正向变化关系;管道壁厚为影响管道应力的关键因素,其余各因素敏感性从强到弱的排列顺序为,滑坡宽度土体黏聚力内摩擦角管内压力管道埋深.     

基于DEM-FEM耦合的滑坡作用下输气管道动力响应分析

油气长输管道输送距离长,途径地形地貌复杂多样,沿途地质灾害频发对油气管道的安全输送造成严重威胁与破坏。本文以联络线输气管道横向滑坡为例,通过离散元与有限元单向耦合方式,对管道进行滑坡作用下的动力响应分析。首先通过EDEM离散元软件模拟滑坡过程中土体颗粒对管道的动态冲击过程,分析在滑坡过程中土体颗粒与管道的接触变化以及受力变化,然后将管道所受最大滑坡推力作为荷载导入ANSYS中,模拟得到在滑坡及内压协同作用下管道的应力和位移分布,最后将模拟结果与线上监测数据进行对比。结果表明：由离散元模拟得到滑坡作用下输气管道受力时程变化曲线,在第3秒管道受到的滑坡推力最大,将其导入有限元中模拟得到滑坡段管道等效应力、剪切应力与位移分布云图,将等效应力与实际监测数据进行对比,计算得到相对误差在7.30%以内,因此表明该模型具有一定的可靠性。     

浅埋煤层综放采空区自燃“三带”与压力横三区关系

根据不连沟煤矿F6102面开采强度大、煤层自燃倾向等级高,研究其采空区自燃"三带"的分布规律,并结合顶板失稳特征分析二者之间的关系。采用束管监测采空区气体分布,得出了采空区自燃"三带"的分布规律。根据矿压观测与关键层理论分析,分析了顶板破断形成的结构及失稳形式,采用RFPA2D模拟了采空区底板支承压力分布规律,划分了采空区压力横三区;分析了各区渗流特点,通过对比发现浅埋采空区自燃"三带"与压力横三区有较好的对应关系。     

输气管道末段储气规律动态仿真

 末段储气是输气管道短期调峰的重要手段,工程上经常用稳态计算法估算输气管道末段储气量,而末段储气过程是一个复杂的非稳态过程,因此用稳态计算法估算末段储气量具有一定的偏差。本文通过对管道末段进行多种工况下的非稳态模拟来界定末段储气量稳态计算法的偏差范围,并得到了若干管道末段的储气规律。针对影响输气管道末段储气的各种因素,分别按不同管径、管长、进口压力和流量设计了6种工况并利用国际上通用的管道仿真软件SPS 9.6(Stoner Pipeline Simulator 9.6)进行动态仿真。结果表明,在非稳态工况下,稳态法计算末段储气量比非稳态计算末段储气量低约14%—25%;输气管道末段储气量的变化受用气负荷变化规律的影响,在不同工况下末段最大储气量出现的时间一般比管道末端最大用气负荷出现的时间有所提前或时间相近;当管道末端用气流量发生变化时,管道末段起点压力的变化较终点压力的变化具有滞后性,管段越长、管径越大,滞后越明显。     

长输气管道设计优化模型建立与计算研究

以长输气管道系统建设和运行总费用最小为目标函数建立优化数学模型,约束条件包括站间距约束、管径约束和压比约束等,优化变量为管道设计压力、管道直径、压缩机压比、站间距离等。利用改进的POWELL法对建立优化数学模型进行了计算求解,经过实例计算,模型合理反映出管道系统设置压气站的数量、管道直径、输气设计压力对总费用的影响性,与工程实际设计参数误差较小,对建立的模型可靠性进行了验证。     

输气管道第三方破坏数值分析及安全评价方法

为保障天然气管道安全运行,减少天然气管道发生第三方破坏泄漏带来的严重危害,提高破损管道的防控力度,通过经典赫兹接触理论,采用有限元仿真软件,建立第三方挖掘机斗齿作用管道的数值模型,研究了不同斗齿冲击角度和冲击深度对管道的损伤程度。结果表明:随着挖掘机斗齿吃入深度增大,管道内外壁面的变形越大,卸载内压后管道凹坑变形更加明显。基于输气管道残余应力研究分析,考虑凹坑深度及应力综合评价,对破损管道进行了系统分析。结论以管道应变的6%为临界值,管道外表面凹坑深度的最大值为参考,给出破损管道更换的评价标准。最后,对某管段施工过程中挖掘机斗齿的影响进行了风险评价分析,为实际现场输气管道第三方破坏的风险防控预案提供科学依据。     

天然气输送管道流量的计算程序

确定一定条件下天然气在管道内的最大流速u_(■az),对于输气管道的设计与生产都是必要的。作者编制的天然气输送管道流量计算程序,不仅可用于一般工艺计算,也可对天然气在输送管道内能够达到的最大流速进行分析与判断。     

管道由封闭向开口转化过程中预混火焰传播特性

为研究泄压强度与泄压口位置对封闭管道内甲烷-空气预混火焰传播的影响规律,通过在方形管道内放置不同厚度的泄压膜并改变泄压口位置进行试验,采用自发光拍摄技术和动态压力测试技术对其观测.研究结果表明:随着泄压膜厚度的增加,泄压前管道内火焰发展越来越充分,压力峰值与压力上升时间也随之增加.泄压之前压力变化曲线一致,当泄压口距离点火端较远时,泄压后各工况下的压力缓慢增加后下降;当泄压口距离点火端较近时,泄压后压力值直接降低.     

横向滑坡载荷作用下埋地PE管道的损伤数值模拟

埋地燃气输送管道服役环境复杂,其中滑坡地质灾害严重威胁管道的服役安全。本文以埋地聚乙烯(PE)管道为研究对象,利用ABAQUS有限元软件模拟了横向滑坡载荷作用下的管道损伤行为,探讨了滑坡参数(滑坡体位移量)、管道埋深以及内压对PE管力学性能的影响。研究结果表明:滑坡作用下埋地PE管最大偏移、最大Mises应力和最大主应变均位于管轴向横截对称面上。管道最大Mises应力随滑坡位移量的增大而增大,管底为管道最终屈服点,屈服主要原因为管横截面被压扁变形。管道未屈服时,最大Mises应力随内压的增大呈现先减小后增大的现象,最大主应变随内压的增大而增大。最大Mises应力和最大主应变均随埋深的增大而增大。     

采空区土体沉降对埋地输气管道的影响

针对采空区土体沉降严重威胁埋地输气管道安全运行的状况,对土体沉降后管道的受力进行分析,基于管—土相互作用单元并结合三向土模型弹簧,运用有限元分析软件对土体沉降下埋地输气管道进行数值模拟,主要分析了埋深、采深与采厚对管道应力、位移和应变的影响.模拟结果表明:在采空塌陷区,管道覆土厚度的变化对管道的影响并不是主要的;相同采厚下,采深变化引起的管道力学特征值的改变量相差较小;相同采深下,随着采厚的增大,管道的各项力学特征值均有所增加.     

房柱采空区下应力分布特征研究

为研究房柱采空区煤房煤柱交替分布对下位近距离煤层顶板应力分布影响规律,采用数值模拟方法对大地精矿房柱采空区下应力分布特征进行研究,研究表明:房柱采空区底板岩层中应力从无煤柱区到房柱采空区下方区域应力分布依次为端煤影响应力增高区、端煤影响应力降低区和采空区煤柱影响稳定区;根据采空区煤柱影响稳定区下底板应力波动范围确定了模拟地层采空区煤柱集中应力工程影响深度,影响深度范围外煤层开采工作面顶板压力及超前支承压力分布受上部煤柱集中应力影响较小,范围内煤层开采工作面顶板压力及超前支承压力分布受上部煤柱集中应力影响剧烈。研究结果对于类似条件的煤层开采及时采取有效顶板控制措施具有实际意义。     

输气管道末段储气能力计算

输气管道末段储气是最经济的短期调峰方式,末段储气能力的计算能为天然气管道供气系统的规划、设计和运行管理提供理论指导。在合理的假设基础上,建立了较真实反映输气管内气体等温流动的方程组,并采用混合TVD方法求解该方程组,结合计算机编程,对输气管道末段的流量和压力等参数进行模拟。通过分析模拟数据,进而计算出输气管道末段储气能力,并通过算例加以说明。     

基于压力拱理论的矿块间回采顺序数值模拟

合理的回采顺序能够有效地改善岩体的应力分布状态,有助于保证采场的稳定性。为确定新桥矿-300m中段合理的矿块间回采顺序,根据矿山现有条件,提出3种矿块间回采顺序方案,即平行推进、"品"字形推进、倒"品"字形推进;通过Midas有限元软件对各方案进行数值模拟,综合考虑拉应力、压应力和位移3个因素,运用压力拱理论对模拟结果进行对比分析。结果表明:矿体开挖之后,会在采空区周围形成压力拱,且随着采空区的增加,压力拱的外边界向岩体深部移动;"品"字形回采过程中,中部采空区与两侧采空区在上部可以形成一个更大压力拱,承担其自身和上覆的岩土载荷,其最大拉应力为2.288MPa,最大压应力为23.24MPa,最大位移为55.71mm,均远小于其他2种方案,相比之下,该方案更加合理。经该矿山生产实践表明,"品"字形回采顺序已在矿山推广应用,取得良好的经济、社会效益。     

基于LPV模型GRNN输气管道音波定位算法

针对输气管道泄漏检测及定位问题以及管道内气体可压缩、检测难等特点,建立了输气管道线性变参数(LPV)模型,并设计了广义回归神经网络(GRNN),以理论时间差为模型输入,以对应的管道各点位置为期望输出.采用音波法对输气管道进行泄漏故障诊断与定位.结合具体实例并采用现场数据进行仿真研究,结果表明:采用基于LPV模型的GRNN输气管道泄漏故障音波定位算法是一种有效的方法,可使预测值准确地跟踪真实值,实验结果为输气管道泄漏故障检测与定位的工业应用提供了可靠的依据.