基于纳米材料的水泥浆液粗糙裂隙注浆数值模拟

采用Hurst指数的独立分割方法,建立了岩石粗糙节理剖面的几何模型,基于N-S方程对纳米碳酸钙水泥浆液在微裂隙中的注浆渗流进行分析。设定3组注浆压力、3种不同粗糙度裂隙,分析其对裂隙中的浆液速度场、压力场及填充时间的影响。结果表明,裂隙粗糙度与注浆时间呈正相关,注浆压力与注浆时间呈负相关,皆为非线性关系;浆液流速先迅速增加后逐渐衰减到稳定状态,浆液压力呈现先迅速衰减至最低后逐渐上升到初始值的变化趋势,距注浆口4 mm处压力变化幅度最大。     

岩体单裂隙辐向渗流尺寸效应可视化试验

裂隙岩石大量存在于各种实际工程中，岩石裂隙渗透性随尺寸的改变而改变，但影响渗流尺寸效应的因素众多，其控制机理也尚未明了。采用了辐向流作为研究模型，对人工单裂隙进行了渗流试验，同时利用有机玻璃的可视性，观测了裂隙内流体流动情况，进一步分析了不同粗糙度对岩石单裂隙渗透性的影响。试验结果表明：在岩石单裂隙辐向渗流中，岩石裂隙渗透性存在尺寸效应，其渗透性随岩石裂隙尺寸的增大而增大，且粗糙度越大，渗透性随尺寸增大的速度越缓慢。     

不同粗糙裂隙表面几何特性与渗流研究

为研究裂隙形貌特征及对渗流特性的影响，采用四目高精度三维扫描仪，测量劈裂破坏后的岩石裂隙三维形貌，通过Geomagic Studio软件选取基准面进行点云处理，基于地理信息技术(GIS)获取裂隙表面形貌参数，导入Comsol数值分析软件，分析了恒定水头下，裂隙粗糙度对水头变化、流速和水力传导率的影响。结果表明：(1)裂隙面粗糙高度基本符合正态分布，随着粗糙度系数J_JRC的增大，裂隙面粗糙高度频率分布直方图由标准型逐渐演变为陡壁型、偏峰型、锯齿型，坡向分布趋于集中，平均坡度逐渐增大；(2)流体在裂隙内流动存在绕流现象，并且粗糙度不同的区域流速大小存在显著差异，粗糙度系数J_JRC大的区域水头减小速率较慢；(3)流速和水力传导率(K_s)与J_JRC呈指数函数关系，水力传导率随着裂隙面粗糙度系数J_JRC的增大而减小，减小趋势在J_JRC大于10以后而逐渐变缓。     

考虑水分影响的煤岩渗透率模型及演化规律

在开采环境的不断变化过程中,煤岩通常处于气-水共存的状态。为了探究水分与煤岩渗透率之间的反应机制,利用等温吸附装置和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,分别进行不同含水条件下的等温吸附试验和孔隙压力升高的渗流试验。基于水膜与孔裂隙表面的相互作用及水膜之间分离压的影响,并且考虑压缩变形及滑脱效应对煤岩渗流的贡献率,构建考虑水分影响的渗透率模型,进而分析不同含水条件下煤岩吸附与渗流变化规律。研究结果表明:① 在不同含水条件下,煤岩瓦斯吸附量随孔隙压力增大而增大,而随含水率增大,瓦斯吸附量呈减小趋势。同时,吸附变形随着煤岩的吸附作用而变化。② 煤岩中的水分易在孔裂隙表面形成吸附性水膜占据气体渗流的通道,并且气态和液态水分子会制约瓦斯流动,因而瓦斯流量随含水率增大而减小。当煤岩含水率恒定时,渗透率随孔隙压增大先减小后趋于平缓;恒定孔隙压力条件下,渗透率随含水率增大显著减小。③ 考虑压缩变形、吸附变形、水分和孔裂隙间水膜对裂隙宽度的影响,构建了考虑瓦斯和水分耦合作用的渗透率模型,而且煤岩渗透率计算值与实测数据基本保持一致,可以较好的表征含水煤岩的渗透率变化规律。     

基于CT三维重建煤骨架结构模型的渗流过程动态模拟研究

为了探究煤体微观结构中的渗流变化情况,以新疆大黄山气煤为研究对象,运用CT扫描和三维重建技术建立了含有孔裂隙的三维煤体骨架结构模型。在此基础上构建了一种能够反映动态渗流过程的流固耦合模型,并结合内置Navier-Stokes控制方程的ALE算法进行了渗流模拟。结果表明:渗流过程中,孔裂隙中每个点的流速都会存在一个速度峰值和稳定流速值;相较于裂隙结构,孔隙结构较差的连通性增大了其在模型前端的流体动能损耗,减缓了后续孔隙中流体的流动。初始流速影响了入水口处流速及流体密度的变化趋势,也改变了裂隙中速度峰值的变化规律,当初始流速值低于0.03 mm/s时,裂隙中速度峰值沿渗流方向呈现出"先增大后减小"的变化趋势,而当初始流速值大于0.03 mm/s时,速度峰值则沿着渗流方向逐渐减小。在低压力梯度条件下,孔裂隙的速度峰值与压力梯度之间存在非线性变化关系,而稳定流速值则随压力梯度的变化线性增大。研究成果为后续相关渗流影响因素的研究提供了一种新的思路。     

煤层中瓦斯渗流规律的技术研究

针对目前煤炭开采逐步转化为深部开采,瓦斯问题也日趋严重的现状,以预制裂隙煤体为研究对象,进行了三轴加载压缩试验和三轴渗流试验,研究了不同裂隙面积煤体在应力作用下的力学特性与渗流规律。试验结果表明：不同裂隙面积煤体在应力加载下的应力变化曲线基本趋于一致,试样在加载压缩阶段、压密阶段与弹性阶段几乎密不可分,在围压加载阶段已经完成试样的压密;根据测得的压力梯度与流速拟合结果发现,裂隙渗流有明显的非线性特征;随着有效围压的增大,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β增大;随着裂隙面积的增加,渗透率K逐渐减小,非达西渗流因子β也逐渐减小。     

不同围压下粗糙裂隙渗流规律试验研究

了解应力耦合条件下裂隙岩体中的流体流动特性对于指导岩土工程设计具有重要意义。为了研究粗糙度和围压对裂隙岩体渗流的影响,首先通过三维形貌扫描仪获得了预制裂隙面的形貌数据;之后在围压为1.0～5.0 MPa的条件下,对不同粗糙度的砂岩裂隙试样开展了不匹配渗流试验。试验研究结果表明：在围压恒定时,不匹配砂岩裂隙中流量均随着压力梯度的增加而增大,而且,福希海默方程可以很好地描述压力梯度和流量之间的非线性关系。围压和压力梯度不变时,岩石裂隙中的流量随粗糙度的增加而减小。进一步研究发现,福希海默方程中的线性系数a和非线性系数b均随着表面粗糙度和围压的增加而增大。表观导水系数并非恒定不变的常数,其数值随着雷诺数的增大而减小,水力开度e_h随着围压的增大而减小。     

岩石裂隙面粗糙度参数关系分析

粗糙度是解释岩石裂隙力学及渗流特性的重要参数.采用自制模具,在轴向中部劈裂岩样,形成垂直于岩样轴向的新鲜裂隙.通过测取7组47个圆柱形岩样裂隙面188条轮廓曲线,分析了粗糙度系数JRC、粗糙轮廓指数Rp、粗糙角i、分维D和截距A等参数的相互关系.结果表明:JRC与岩样组成矿物颗粒大小关系密切,粒径越大,JRC越大.JR...     

煤岩基质-裂隙相互作用下渗透特性研究

为研究煤层气开采过程中温度、气体压力对煤岩吸附和渗流特性的影响,利用等温吸附试验装置与含瓦斯煤三轴渗流试验装置,分别进行等温吸附试验及不同温度条件下变气体压力的三轴渗流试验。考虑应力作用下毛细管分形特征,建立了裂隙体积应力敏感性模型,并在此基础上建立考虑煤基质内部膨胀变形、温度及气体压力变化的煤岩渗透率模型。结果表明：(1)在相同温度下,随着气体压力升高,煤岩瓦斯吸附量逐渐增大,但吸附速率呈相反趋势。在相同气体压力下,随着温度升高,瓦斯吸附量呈下降趋势。当有效应力恒定时,煤岩吸附变形量随着气体压力增大而增大,并且随着温度增大而减少。(2)在外部应力作用下,煤岩内部毛细管侧面发生收缩并产生径向延展。新建裂隙体积应力敏感性模型计算得到的裂隙压缩系数与实验室所得值在同一数量级,并随有效应力升高呈下降趋势。(3)新建渗透率模型能较好反映不同温度、气体压力下渗透率演化规律。在相同温度下,随着气体压力升高,煤岩渗透率先急剧下降后趋于平缓,孔裂隙周围基质膨胀变形对于渗透率的影响逐渐降低。     

水沙混合物裂隙渗流特性分析

水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性,研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器,通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验,获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验,得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线,分析了滞环曲线的特征,简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线,根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大,曲线由Ⅰ型向Ⅳ型转化。滞后性指标用最大滞后量G_p和滞环面积S描述,随沙粒径和浓度增大,这两者均呈增大趋势,但增幅并不同步。进一步,利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟,获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明,粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用,表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定,渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大,表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。     

煤岩裂隙瓦斯运移规律的实验研究

为研究瓦斯在煤层裂隙中流动规律以及瓦斯渗透率变化,使用含瓦斯煤热流固耦合实验系统对含有贯穿裂隙的煤样进行了瓦斯渗流实验。通过改变煤样两端瓦斯压力差,得到了瓦斯渗流速度和煤样两端瓦斯压力差之间的关系,求解出各瓦斯压力条件下的渗透率,然后对试验数据拟合,分析渗透率变化的原因。研究结果表明:含贯穿裂隙煤样瓦斯渗流速度随煤样两端瓦斯压力增大呈抛物线关系增加;在外载应力作用下,瓦斯在煤层裂隙中流动存在滑脱效应;随着瓦斯压力差的增大,滑脱渗透率对气测渗透率贡献率也在增大。     

不同粗糙度单裂隙渗流规律研究

为了研究裂隙岩体的渗流规律,将岩体中的裂隙网络简化为单裂隙,依据Barton提出的10条JRC标准轮廓曲线,采用3D打印技术制备出含10级粗糙度(JRC=1～20)的单裂隙水泥试件,对其进行单裂隙渗流试验,研究不同粗糙度单裂隙岩体在不同围压、水压情况下的渗流规律.研究结果表明:岩体单裂隙渗流过程中,当水压和围压恒定时,...     

剪切粗糙裂隙渗流多尺度分形表征

甘肃北山为高放废物深地质处置库场址的主预选区。针对场址区花岗岩受剪切破坏形成裂隙的渗流特性进行研究,具有重要的工程建设指导意义。为探究北山花岗岩多尺度粗糙裂隙几何特征对非线性渗流场演化的影响规律,对剪切条件下花岗岩裂隙断面的几何特征及渗流特性进行了分形建模研究。结果表明,粗糙裂隙的粗糙程度和开度在模型尺度变化过程中存在完全的自相似性,二者的分布特征在分布空间尺度变化过程中始终保持一致;渗流速度场、梯度场及散度场只存在局部特征的延续,尤其是不同尺度下对应的数量场均服从于正态分布;随着观察尺度的增大场内空间起伏逐渐减小,三场内的尖锐突变逐渐消失且向平滑过渡,这意味着观察尺度越大,粗糙裂隙渗流被误判为平行板渗流的概率越大,即粗糙断面渗流特性的精准描述依赖于几何尺度。     

基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究

为了探究影响射流割缝钻孔周围有效抽采区域变化的因素,基于煤体的各向异性考虑了瓦斯抽采过程煤体应变场和瓦斯渗流场的耦合作用,探讨了不同垂直地应力、初始瓦斯压力以及初始渗透率等参数对射流割缝钻孔有效抽采区域的影响规律。结果表明:垂直地应力越大,煤体的渗透率越低,有效抽采区域逐渐减小;初始瓦斯压力越大,抽采相同时间后瓦斯压力越难降至0.74 MPa以下,有效抽采区域逐渐减小;初始渗透率越大,煤体裂隙瓦斯流动速度越快,导致在相同抽采负压下有效抽采区域逐渐增大。各向异性煤体的模拟结果与现场测试结果基本相符,证明了各向异性煤层垂直层理方向有效抽采半径是现场布孔的合理指标。     

基于渗流实验的三轴流固耦合离散元数值模拟研究

卸压开采覆岩的应力场、裂隙场及渗流场耦合特性直接影响卸压瓦斯的运移特征。 本文 根据弹性煤样及贯穿裂隙煤样的应力渗流实验数据,结合渗流立方定律提出了数值模型中裂隙 煤岩体流固耦合参数的选取方法,建立了三轴加载流固耦合数值模型。 在此基础上模拟分析了 单轴及三轴加载过程中煤样应力、裂隙及渗流的耦合特性。 模拟结果表明:煤样渗透率随着轴向 应变的升高呈Ｓ形变化,在煤样内部裂隙产生前随着轴压的增加而逐渐减小;煤样内部裂隙的产 生及扩张使得渗透率开始升高,且裂隙扩张速度越快渗透率升高幅度越大;围压的升高使得煤样 内部裂隙产生及扩展速度减缓,致使渗透率降低阶段延长,煤样初始渗透率及屈服后的渗透率逐 渐减小。     

地应力和储层压力对煤层气地面预抽影响的 数值模拟研究

为分析煤层气地面预抽效果影响规律,采用Comsol数值模拟软件,对在不同工况的地应力和储层压力条件下煤层气地面预抽进行数值模拟研究,结果表明:随着煤层中地应力增大,煤层基质孔隙率下降、裂隙趋于闭合,致使煤层渗透率降低,减小了气体在孔隙和裂隙中的渗流速率,最终导致瓦斯产出速率和产气量的下降;储层压力与煤层气产出速率呈正相关关系,储层压力越大,瓦斯产出率越高同时累计产气量也越高;随着瓦斯抽采时间增加,煤层渗透率逐渐增大,且储层压力越大煤层渗透率变化越明显。     

单裂隙结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响

为探究单裂隙粗糙度、开度等结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响,基于Weierstrass-Mandelbort分形函数生成不同粗糙度的裂隙轮廓曲线,构建含不同分形维数和裂隙开度的二维裂隙煤岩体模型。运用Fluent软件模拟分析裂隙分形维数、开度对裂隙内部及周边煤岩基质内瓦斯流动特性的影响,建立了可定量刻画裂隙结构特征对煤岩体相对渗流能力具有影响的流量系数双参数模型。结果表明：随着裂隙分形维数减小,裂隙开度增大,煤岩体渗流能力逐渐增强,且裂隙导流能力在煤岩体渗流过程中逐渐占优,流量占比最高达81%。随着分形维数增大,裂隙内瓦斯流动非线性强度系数呈指数型增大,影响裂隙内瓦斯流动非线性强度系数的主控因素逐渐由裂隙开度转变为分形维数,同时在煤岩基质靠近裂隙轮廓曲线离散程度较大的位置处,存在局部渗流速度增大的现象。当裂隙开度增大至1.5 mm后,裂隙分形维数对流量系数的影响起主导作用,反之,裂隙开度起主导作用。提出了流量系数与分形维数、裂隙开度的经验关系式。     

考虑动态滑脱的页岩微裂隙表观渗透率演化机制

为研究页岩气开采过程中有效应力、气体吸附及滑脱效应作用下微裂隙表观渗透率的演化机制，利用分形理论表征微裂隙气体总流量，并基于Hagen-Poiseuille二阶滑脱方程建立微裂隙变形和滑脱效应综合作用的表观渗透率模型。同时，结合滑脱系数与固有渗透率间的函数关系，量化有效应力和气体吸附等因素对滑脱系数的影响，探讨页岩气渗流过程中滑脱系数动态演变过程，并验证模型可靠性。此外，结合敏感性分析，探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数对滑脱系数的影响。结果表明：(1)恒定外应力和恒定有效应力条件下，随孔隙压力逐渐增大，受气体吸附与滑脱效应的耦合影响，表观渗透率呈减小趋势；(2)当外应力恒定时，气体分子平均自由程随孔隙压力增大而减小，滑脱效应减弱，一阶、二阶滑脱系数C1、C2减小，整体滑脱系数B增大；当有效应力恒定时，页岩气渗流通道受制于气体吸附的影响而逐渐减小，C1、C2和B逐渐增大；(3)基于模型敏感性分析，探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数与滑脱系数之间的互馈机制，其中微裂隙压缩性系数、分形维数导致固有渗透率增大，而C1、C2、B减小；内膨胀系数的增大导致固有渗透率减小，C1、C...     

考虑区域地应力特征的裂隙煤岩流固耦合特性实验

通过位移反演方法对区域地应力特征进行理论分析,建立研究煤岩内部裂隙时空演化规律的力学实验系统,设计了区域地应力作用下裂隙煤岩流固耦合计算模型,初步揭示裂隙煤岩流固耦合特性。通过地应力的现场监测,验证了位移反演方法的准确性,垂直地应力与最小水平主应力数值稳定,受开采扰动影响,最大水平主应力出现局部性突增。借助数字化X射线摄影系统,给出了不同载荷下内部裂隙场DR扫描图像,发现随外载增大煤岩内主裂隙持续扩展,且裂隙场形态分别为共轭型与X型。矢量化处理裂隙场信息并导入耦合计算模型,分析不同工况下耦合模型的渗流参数变化情况,初步得出裂隙煤岩流固耦合特性:外载增大将导致煤岩内部微裂隙进一步相互贯通扩展并出现宏观破裂,这是裂隙煤岩孔隙率与渗透率持续性增加的本质原因,且流速最大区域迁移过程可表征裂隙煤岩次生裂隙分布特点,主裂隙内水体流速最大且随注水压力的增大,水体流速不断增加,较大的流速一般发生在具有较大水力梯度的细小裂隙位置处。同时,出口流速特征表现为出口流速分量的最大值均位于煤岩两侧并随着外载的增大而增加。     

各向异性对煤层瓦斯运移及抽采钻孔布置的影响

合理、精确的布孔参数是影响煤层瓦斯运移及控制瓦斯抽采达标的重要参数。基于等效位移原理的渗透率表征方法,采用建立的双孔-双渗流固耦合模型,分析了渗透率各向异性对瓦斯运移场时空演化及钻孔布置的影响。结果表明：钻孔等距离位置瓦斯压力和渗透率分别呈垂直、水平“8”形分布,中部收缩程度和各向异性系数呈正比;较高的各向异性程度对应较大基质-裂隙压力差值,但不改变其先增大后减小的趋势;基质渗透率增幅大于裂隙渗透率,渗透率增幅和两者差值均和各向异性系数呈正比;扩散仍是基质-裂隙质量交换的主控源,考虑到渗透率的各向异性,建议厚煤层抽采钻孔采用花眼的布置形式。