裂隙岩体传热的流热耦合分析

通过对裂隙岩体介质的热传导和渗透特性的分析,建立了耦合传热模型.采用导热微分方程描述裂隙岩体的温度场分布,并用加权余量的Galerkin法对岩体热传导方程进行离散,结合边界条件及计算参数对其进行数值求解.数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流引发的热质迁移对裂隙岩体的温度场分布有重要影响.随着裂隙内水流渗透速度的增加,热交换的速度加快,缩短了达到热平衡的时间.渗流速度越大,交界面处温度等值线的不连续现象越明显,热交换越不充分.随着渗流速度的降低,热质迁移量减少,热交换的充分性增加,岩体内的温度等值线平滑连贯,温度梯度降低,裂隙内温度等值线的锐化现象逐步消除.沿着裂隙水流的流动方向,温度等值线变化率逐渐减小,热交换的速率逐渐降低.流固耦合作用对渗流作用下裂隙岩体的温度场分布具有明显的影响,流体温度的变化会影响裂隙岩体温度场的变化梯度.     

不同温度下含瓦斯煤岩体的多场耦合数值模拟

考虑地温变化对煤矿深部开采岩石变形破坏的影响,利用COMSOL软件建立含瓦斯煤岩体热-流-固耦合数值模型,并对掘进面进行数值模拟,研究不同温度条件下瓦斯压力、瓦斯渗流速度、煤岩体位移的变化情况。结果表明:温度变化不大的情况下,掘进工作面的瓦斯浓度随温度变化不明显;煤壁工作面附近的瓦斯压力梯度增大。其他条件不变的情况下,随着温度升高,渗流速度不会发生明显变化。该研究为含瓦斯煤岩体动力灾害预测提供了参考。     

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。     

盐岩体储库裂缝流体渗流数值模拟

结合中国地下油气储库建造过程中所出现层状盐岩体问题,建立盐岩体裂缝流体渗流数学模型,并进行了相应的数值模拟。数值模拟结果表明,高压流体裂缝渗透过程中,沿裂缝通道上,流体压力在逐步降低。对于油气等稳定性流体,在裂缝渗流扩展的通道上,盐岩体裂缝呈扇形状张开;对于水溶液来讲,由于盐岩溶解的影响,靠近储库腔体壁附近的裂缝宽度较大,渗透率较高,在整个裂缝通道上,压力降低较慢,扩展距离也远于高压油气流体作用下的情况。结果提示：在盐岩体溶腔油气储库运营过程中,严格控制腔体压力不得大于地层应力及其抗拉强度;同时应控制天然气的采出速率,防止腔体内水合物的生成。以此来避免盐岩体在分层界面的水溶液渗透（流）,保持腔体的致密性及稳定性。对中国在盐岩体中油气储库的建造及运行具有十分重要的意义和价值。     

渗流切向水流耦合作用下多孔介质水动力试验

研制专门的渗流-切向水流耦合作用实验装置,对均匀球体构成的多孔介质进行了法向渗流作用下表层孔隙水动力试验,探讨了水深和渗流强度对多孔介质孔隙内水动力的影响,试验结果表明,孔隙中动水压力与紊动强度远小于顶层球体以上的主流区;渗流强度与孔隙内水体渗出速率呈正相关关系;孔隙内紊动强度、动水压力随孔隙所在深度的增大而逐渐降低,且降低幅度逐层减小;渗流条件对相同位置孔隙的侧向动水压力的影响不显著.     

掘进巷道风流温度场分布规律的研究

从质量，能量和动量守恒原理出发，导出了描述掘进巷道风流紊流流动和温度分布的微分方程，通过理论分析和现场实测，系统地开展矿内掘进巷道风流流场和风流温度场的分布规律及其耦合作用机理的理论分析研究，并采用SIMPLE算法，利用PHOEENICS程序进行数值模拟，初步得步了掘进巷道风流温度随风速提高呈负幂函数规律降低，随入风流温度升高而线性升高的变化规律，对矿井掘进工作面高温治理具有一定的指导意义和使用价值。     

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。     

范各庄矿12煤底板突水过程模拟分析

为了研究范各庄煤矿12煤层底板开采扰动下,裂隙形成、扩展到突水通道最终贯通形成突水的全过程,以范各庄水文地质条件为基础,建立了承压水上采煤的岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA~(2D)-Flow)模拟,通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化进行分析,揭示了开采扰动及水压驱动下完整泥岩底板由隔水岩层到突水通道的演化过程,对突水通道进行模拟定位,并对不同水压条件下含水砂岩层对底板突水的影响进行了分析探讨。结果表明:12煤顶板突水问题取决与含水砂岩中的水压力,在假设隔水层厚度不变时,水压力与突水系数呈负相关关系,随着水压的增大突水越易发生。该研究对12煤底板突水预测与防治提供了理论依据。     

基于热-水-力耦合的电渗排水试验数值模拟

基于多孔介质理论和热力学理论,考虑电渗产生的温度对土体变形及排水性质的影响,建立热-水-力耦合作用下的电渗排水多场耦合数学模型,并利用Fortran语言编制计算程序。在此基础上开展电渗排水现场试验的数值模拟,并与现场监测结果进行对比。研究结果表明:建立的模型可较好地模拟电渗过程中的温度场、渗流场及应力场变化和分布规律。土体温度随能耗增大而升高,尤其对于电极附近土体;阳极周围土体孔隙水压力减小,而阴极周围土体孔隙水压力增大,且考虑温度作用下的电渗流量随电渗的持续而增加;地基沉降由土体温度上升引起。     

全煤厚掘进巷道瓦斯涌出数值模拟

为揭示全煤厚掘进中煤巷瓦斯涌出规律,采用有限体积法对煤巷掘进过程中巷帮瓦斯压力及巷道瓦斯涌出速率进行数值模拟,瓦斯渗流过程控制方程采用C-N隐式时间积分方案离散化.研究结果表明:掘进煤巷巷帮采动应力集中区煤体渗透率减小对巷帮深处瓦斯向巷道方向运移具有明显的抑制作用;掘进煤巷瓦斯涌出主要集中于迎头部位,致使一个掘进循环周期内掘进煤巷瓦斯涌出总速率波动大.     

水体下煤炭开采渗流实验研究

水下煤矿开采在进行相似材料实验研究时都应进行固液两相模拟,但由于对两相实验材料的研究一直未取得突破性进展而未成功.在成功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,通过水体下煤矿开采渗流实验模拟,得出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,取得了保水开采的合理参数.实验所得的参数为现场开采实践所证实,这为水体下煤矿安全开采设计、矿区水资源保护、绿色矿区的实现提供了可靠的依据.     

低渗透砂岩石油渗流的微观模拟实验研究

采用天然低渗透砂岩微观模型,通过与实际地质状况较为相似条件下的油驱水实验,模拟石油在低渗透砂岩孔隙内的渗流,分析和探讨了低渗透砂岩孔隙介质中石油的微观渗流机理。研究结果表明,石油在低渗透砂岩中渗流路径曲折复杂,运移渗流模式有稳定式、指进式和优势式3种;石油在低渗透砂岩中渗流存在启动压力梯度,启动压力梯度与砂岩孔隙度关系复杂,而与砂岩渗透率有很好的相关性;石油的渗流速度与驱替压力呈很好的相关性,石油以相同速度在不同渗透率级别的砂岩内渗流时所需要的驱替压力随砂岩渗透率的增大而降低。     

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。     

渗流-应力-化学耦合作用下单裂隙渗透特性

针对深部岩石处在高地应力、高地温、高渗透水压力以及复杂的水化学环境之中,将发生极其复杂的温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合作用。在前人工作的基础上,深入分析了多物理场作用下裂隙岩体表面溶解和压力溶解的作用机理,并建立了描述渗流-应力-化学耦合作用的偏微分方程组,最后建立了裂隙的概化模型,利用COMSOL Multiphysics多场耦合软件模拟了单裂隙在渗流-应力-化学作用下的耦合过程,并着重分析了裂隙渗透特性的变化规律。     

计及渗流影响的非均匀层状介质参数识别方法

通过分析岩体结构中渗透压力与应力张量的关系，研究了岩体中渗流场的存在对岩体参数的影响，利用区域分解方法，提出了考虑岩体非均匀层状特性和计及渗流作用影响的岩体参数识别方法，分别进行了考虑渗流作用影响和不考虑渗流作用影响的参数识别计算，讨论了渗流作用对参数识别的影响．研究表明，对承受高渗流压力的岩体，根据测量变形推断岩体特性时，应计入水压力的作用．     

考虑相变的寒区隧道温度与渗流耦合的理论与数值模拟

岩体渗流场与温度场的耦合问题是岩体水力学最重要的研究内容之一,随着越来越多的寒区工程问题暴露,对寒区岩体渗流场与温度场进行系统的分析势在必行.推导了考虑相变的温度场影响下的渗流场控制微分方程以及渗流场影响下的温度场控制微分方程,并利用FLAC3D3.0软件中的FISH语言编写程序模拟嘎隆拉隧道,在考虑相变的情况下,通过对比考虑渗流和不考虑渗流的温度场,得知不考虑渗流的影响会夸大冻融圈厚度的结果.     

基于THM注水地层数学模型建立及仿真

利用应力-应变理论、达西定律和热传导理论,从岩体变形、流体压力以及温度改变三个方面研究入手,研究注水地层的应力变化。利用温度场、渗流场和应力场三者之间耦合关系,建立了注水地层相应的控制方程。通过有限元分析软件对注水地层进行有限元仿真模拟,并为后续套管损坏研究提供了可靠的理论依据。     

构造复杂区域工作台巷道变形观测与分析

构造复杂区域往往是岩层破碎区域，在规划设计时，要综合分析各地地质资料，避免把巷道布置在构造复杂区域附近，这样不但可以减小巷道掘进困难，而且对巷道支护、人员安全都会提供保障条件。通过对1020工作面构造复杂区域巷道掘进时的变形监测、分析，为以后类似设计及巷道支护提供宝贵经验。     

承压水体上采煤底板断层突水规律的研究

为了分析底板含水层水压及采动矿压对底板隔水层岩体上部与下部的影响与破坏，应用了相似材料模拟试验以及断层附近底板突水的力学分析方法，对底板突水机理有了进一步的认识；同时，由断层附近底板突水的力学分析方法所得到的理论计算结果，也可以作为判别类似条件下遇断层时承压水体上采煤是否安全的依据。     

千米深井L型钻孔地面预注浆岩体可注性研究

以千米深井巷道注浆区域岩体结构分布特征为基础,采用理论分析的方法,结合现有岩体松动压力理论和可注性理论,分析了岩体可注性的影响因素和裂隙岩体渗透的几何参数,利用现场压水试验,统计注浆段地层的单位吸水率,得到吕荣值,对信湖煤矿中央水泵房和变电所注浆加固段岩体的可注性进行评价。分析结果表明,增大岩体的凝聚力和内摩擦角可效降低支护结构承受的松动地压,当岩体的内摩擦角从10°提高到20°时支护结构承受的松动地压降低最显著;所加固段巷道周边岩体的可注性较差,若在巷道开挖施工期采用工作面注浆方法加固围岩,则很难达到预期效果,该研究表明了采用L型钻孔地面预注浆加固围岩的必要性与可行性。