基于流固耦合的充水采空区渗流模型

为研究潜水面升降对充水采空区渗透系数的影响,根据立方定律推导以应变为参数的3个渗透主方向上的等效渗透系数,通过FISH函数完善FLAC^3D的非饱和渗流计算功能,基于FLAC^3D的流固耦合计算模式,对采动岩体的等效连续介质流固耦合模型非饱和单元进行修正,实现充水采空区渗流场与应力场的模拟计算.通过主渗透系数比与1差值的绝对值反映渗流场对应力场的影响程度,对比模型修正前后矿柱中部单元的计算结果可知：该值随潜水面升高而增大;模型修正前渗流场对应力场的影响大于修正后;模型修正后最大和最小主应变的变化曲线在饱和度为1后出现拐点.因修正前渗流模型参数与饱和渗流参数相同,由此可验证修正后的模型更符合非饱和渗流理论.最后通过与实际工况中地下水渗流量的数据对比,验证了修正后的模型更符合实际.     

采空区气体二维流动的数学模型及其有限容积法

针对实际采空区中的气体流动有相当大的区域偏离了达西定律,而服从非线性渗流定律的情况,根据Bac}IInat提出的非线性渗流方程,建立了二维采空区内混合气体非线性渗流方程和氮气、瓦斯在采空区内弥散方程的数学模型,并给出不同的边界条件。采用有限容积法对其离散,可以得出整个采空区流场的压力、渗流流度及氮气、瓦斯的浓度分布情况,为采空区瓦斯抽放、防灭火工艺参数的优化提供了可靠的依据。     

不规则介质采场气体渗流问题的模糊数值解研究

在利用非均匀孔隙介质稳定流动微分方程来揭示采场气体流动状态中,孔隙介质渗透性系数的估计是非常困难的,并且精确的估计也是无意义的。提出模糊渗透系数和模糊限定徽分方程的概念,建立了模糊渗流方程,并利用模糊结构元的方法得到了模糊渗流方程的近似解法。利用模糊渗流问题的求解,可以相应得到采空区内影响自然发火的各种因素区域,这为利用模糊预测技术预测采空区自然发火趋势与位置提供了非常有用的分析工具。     

基于实测结构面网络的岩体渗流特性分析

以甘肃北山核废料处置预选场址中的某均质区为研究对象,利用实测迹长与隙宽的关系确定隙宽并根据以往的压水试验资料对隙宽进行修正。基于数字化量测方法获得的结构面网络模型,考虑实际地应力的作用,采用离散元方法进行渗流—应力耦合分析,确定了均质区内各测区的等效渗透系数及主渗透方向。根据现场观测的结构面填充和胶结及以往压水试验的反演,将垂直于最大水平主应力方向的结构面隙宽替换为花岗岩等效隙宽进行渗流分析。此外,提出一种反映实际渗流快慢的等效路径渗透系数,该渗透系数是基于连通路径上不同渗流段渗透系数的综合值。在确定等效路径渗透系数计算方法的基础上,研究了各测区最大,最小等效路径渗透系数及其方向(最短渗流路径)。结果表明,该均质区岩体中真实渗流路径上的等效路径渗透系数明显大于渗流断面上的等效渗透系数,而且往往取决于渗透系数最小的渗流段。     

水库下伏采空区渗流场耦合模拟分析

基于扰动情况下岩体应力场与渗流场相互作用机理,确定了应力场环境下岩体渗流参数的计算公式以及耦合模型中渗透体积力的加载方程,采用有限元分析软件ANSYS,运用物理环境耦合方法,介绍了水库下伏扰动岩体渗流场模拟分析的方法及流程,并对某库区下伏岩体渗流场进行了模拟分析,通过对该库区下伏采空区渗流场进行分析,对库区及采空区提出了处理建议.     

基于差分法及试验联合确定非饱和土渗透系数的方法

非饱和土渗透系数是随体积含水量变化的一个复杂变量,难于通过试验直接获取,实际工程中主要采用经验公式,难免与实际存在不符.提出了基于一维垂直渗流控制方程差分求解及非饱和渗透性试验联合确定非饱和土渗透系数的新方法.首先利用有限差分法对一维垂直渗流控制方程进行离散,获得基于差分格式的非饱和土渗透系数表达式;然后通过试验获得土样饱和渗透系数、土水特征曲线以及不同位置处体积含水量随时间变化的关系曲线,通过Matlab编程将以上各参数代入离散后的差分格式,即可得到非饱和土渗透系数随含水量的变化值.将该方法得到的渗透系数与VG模型求出的渗透系数进行对比,两者误差较小,说明本文提出的确定非饱和土渗透系数的新方法具有一定的可靠性.     

综放采空区抽放条件下自燃"三带"分布规律

主要从抽放条件下综放采空区的特点出发,对综放采空区抽放条件下的自燃危险区域进行划分。利用大型煤自然发火实验台,对铜川下石节煤样自燃特性参数(耗氧速度、放热强度和煤层最短自然发火期)进行了实验测定,为抽放条件下综放采空区渗流场的数学模拟提供了基础数据;建立了抽放条件下采空区渗流、氧化和扩散的数学模型,并利用数值模拟对该模型进行求解,得到了抽放条件下综放采空区内的氧浓度分布和漏风强度变化规律;利用数值模拟得到的氧浓度和漏风强度分布结果,结合自燃特性参数,对抽放条件下自燃"三带"进行划分,确定了综放工作面的极限推进速度,为高瓦斯矿井采空区早期自然发火预测及火区治理提供依据。     

采空区流场非线性渗流的改进迭代算法

针对冒落采空区风流移动同时存在紊流、过渡流、层流的非线性渗流问题,结合有限元方法,提出以变渗透系数的达西(Darcy)渗流反复迭代求得非线性渗流.计算中根据迭代方法的特点,为改进迭代算法振荡性收敛效果,引入动态收敛因子(即初始收敛因子和阻尼收敛因子),讨论了收敛因子对收敛过程的影响,通过合理联合选取初始收敛因子和阻尼收敛因子,使迭代的收敛速度更快.与Darcy渗流相比,采空区非线性渗流速度场趋向于平缓,计算结果与实际流态更接近.得到采空区风压等值线与流函数线正交的流网、漏风强度分布(速度场),给出了采空区流态变化与过渡的分布结果.迭代方法满足工程要求.     

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.     

回采面上隅角埋管抽放采空区瓦斯数值模拟

针对中小型高瓦斯矿井的实际情况,采用数值模拟确定提高瓦斯抽放效率的方案.按照渗流力学的方法将采空区视为连续的渗流空间,采用GAMB IT建立采空区计算几何模型.确定了冒落带的孔隙率和黏性系数.采用FLUENT软件对采空区瓦斯涌出量及埋管抽放瓦斯进行数值模拟,得到了采空区沿工作面走向、倾向和竖向3个不同方向上瓦斯浓度的分布规律,以及埋管抽放采空区瓦斯的最佳参数.模拟结果表明,在抽放管路压力为-100Pa时,抽放管路内和上隅角瓦斯浓度随着抽放位置的变化呈现规律性.当抽放位置距底板垂高2m、沿倾斜方向距回风巷道1m、沿走向深入采空区4m时,瓦斯抽放效果最佳,上隅角瓦斯浓度降至1.1%.上隅角区域采取封堵措施后,上隅角瓦斯浓度降至0.7%.     

二维岩体裂隙网络渗流同位素示踪研究

在应用单孔同位素示踪原理的基础上,结合地下水渗流井流理论,建立了二维裂隙网络的渗流计算模型.应用该模型可计算出二维裂隙网络中任意交点(内结点)的水头、等效水力隙宽、渗透系数、水力梯度等参数.     

深埋圆形隧洞围岩各向异性稳态渗流场解析解

在传统各向同性渗流的深埋圆形隧洞渗流场解析解的基础上,引入2个相互垂直方向上的渗透系数比,通过坐标变换以及共形映射的方法,推导了各向异性渗流情况下深埋圆形隧洞的渗流场解析解.参数分析结果表明:当渗透系数比等于1时,所得解退化为各向同性渗流圆形隧洞渗流场解析解;当渗透系数比不等于1时,圆形隧洞渗流场等水头线为椭圆形,渗透系数较小的方向水力坡降较大,渗流场不再均匀分布,但是随着与隧洞中心距离的增大,这种不均匀性逐渐减弱.该解析解的计算结果与数值模拟的结果完全吻合,从而验证了其正确性.研究成果可供相关工程参考借鉴.     

确定岩体渗透参数的结构面控制反演法

从裂隙渗流的基本运动方程出发,反求岩体的渗透参数是工程控制论中一类典型的偏微分方程分布参数控制反问题,对于这类反问题常用数值法求解．考虑到结构面控水特点,依据岩体渗透系数张量与结构面产状的基本关系式,提出了一种结构面控制反演法．该方法不仅可以反算出岩体的渗透系数张量,而且可以反求出岩体控水结构面的当量渗透系数、渗透系数张量的主值和主方向,同时应用该方法计算的解具有较好的唯一性．以溪洛渡水电站工程为例介绍了这种数值反演方法在确定岩体渗透参数中的应用．     

基于流场模拟的综放面自燃危险区域划分及预测

通过对采空区渗流场的数值模拟,得到采空区渗流速度及氧气体积分数的分布.结合实验测得的煤自燃发火期和自燃临界参数,对采空区"三带"进行划分,并得到了采空区不自燃的工作面最小推进度.该方法计算量比模拟采空区煤自燃全过程少得多,预测精度却能够满足实际防灭火需要.     

强透水地层水平帷幕作用下基坑渗流特性

为研究强透水地层水平帷幕作用下基坑渗流特性,基于Darcy渗流理论,建立了水平封底帷幕作用下基坑渗流计算模型,推导出基坑内涌水量及帷幕底部水压的理论解,并通过室内渗流试验,验证了理论计算方法的可靠性.分析了渗透系数比、帷幕厚度以及帷幕与基坑底部的距离对基坑渗流的影响.研究结果表明:渗透系数比对渗流的影响起主导作用,当渗流系数比为0.01时,涌水量仅为不设帷幕的10％;帷幕厚度对渗流具有一定影响,而帷幕位置对渗流几乎没有影响.建议强透水地层基坑水平帷幕渗透系数比不宜高于0.01,厚度不宜小于4 m.     

挡水结构地基渗流问题的随机有限元分析

采用蒙特卡罗模拟的随机有限元方法,并结合渗流随机场的概念,对设置有两道防渗墙的大坝渗流问题进行分析.研究了渗透系数标准差和空间相关距离对坝基渗流参数的影响,对比了确定性分析和随机有限元分析.结果表明,土体渗透系数标准差和空间相关距离对流量、扬压力和出逸梯度有较显著影响.     

无机盐溶液渗流过程中化学作用对粉砂渗透性的影响

以生活源污染质中的主要无机成分在粉砂层渗流过程中土体渗透性变化规律为研究内容。在确定Na Cl、Mg Cl2、Ca Cl2、Na2CO3、Ca CO3为生活源污染质主要无机成分的基础上,通过室内模拟试验装置测试和土体成分测定,得到渗流条件下5种无机盐化学作用下粉砂的渗透系数。结果表明:粉砂的渗透系数随渗流无机盐浓度的升高而降低,碳酸盐类较其他无机盐类对粉砂渗透性的影响更为显著,无机盐渗流和化学作用下粉砂渗透系数在深度上的变化情况表现为深度越大、粉砂的渗透系数越低。且经过不同盐溶液渗流土体后,土体成分发生了不同的改变。     

水位骤降条件下强透水基础岸墙填土渗流分析

根据强透水基础岸墙填土渗流的特点,基于饱和、非饱和土渗流理论,编写了水位骤降条件下的一维瞬态渗流差分程序,并用模型试验以及数值模拟验证了程序的可靠性。利用该程序研究了3个参数降水速度、渗透系数及土的饱和含水量对渗流过程中水压变化规律的影响。结果表明,降水速度及渗透系数对水位骤降过程水压的变化影响较大,土的饱和含水量则对此影响微弱。     

无机溶液渗流过程中化学作用对粉砂渗透性的影响研究

以生活源污染质中的主要无机成分在粉砂层渗流过程中土体渗透性变化规律为研究内容。在确定Na Cl、Mg Cl2、Ca Cl2、Na2CO3、Ca CO3为生活源污染质主要无机成分的基础上,通过室内模拟试验装置测试和土体成分测定,得到渗流条件下5种无机盐化学作用下粉砂的渗透系数。结果表明:粉砂的渗透系数随渗流无机盐浓度的升高而降低,碳酸盐类较其他无机盐类对粉砂渗透性的影响更为显著,无机盐渗流和化学作用下粉砂渗透系数在深度上的变化情况表现为深度越大、粉砂的渗透系数越低。且经过不同盐溶液渗流土体后,土体成分发生了不同的改变。     

采埸空气流动状况的数学模型和数值方法

研究采场空气的运动,是合理调整采场通风抑制残煤自燃防止瓦斯在生产巷道聚集,保证安全生产的基础。对采场运动状况过去所作的大量研究,几乎都不考虑采场中空气是在工作面和采空区、冒落岩石空隙相连的通道中这样不同性质的运动。全部视为理想流体的流动,显然与实际情况相差很大。只对采空区运用渗流理论进行研究,而不考虑采场是由工作面与采空区组成的整体。这样,难以决定工作面与采空区的交界条件和给出进入微分方程中的参数(如渗透系数)。因而,也难得出符合实际的结果。本文根据任何的空气运动都要满足质量守恒定理,将工作面附近空间空气流动处理