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裂隙煤岩各向异性渗透率模型和煤层注气THM耦合行为

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煤炭学报 2017年第S2期42卷 407-416页

作者：马天然刘卫群 JONNY Rutqvist 张宏学赵晓东中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 劳伦斯伯克利国家实验室地球科学部美国伯克利94720 安徽理工大学理学院安徽淮南232001

CO2煤层地质封存可以减少温室气体排放,同时可提高煤层气的采收率。注气开采过程涉及到温度场(T),多相多成分流场(H)和应力场(M)之间的相互耦合。煤层割理裂隙渗透率是影响CO2地质封存和煤层气开采率的重要参数。煤岩渗透性的关键性因... 详细信息

CO2煤层地质封存可以减少温室气体排放,同时可提高煤层气的采收率。注气开采过程涉及到温度场(T),多相多成分流场(H)和应力场(M)之间的相互耦合。煤层割理裂隙渗透率是影响CO2地质封存和煤层气开采率的重要参数。煤岩渗透性的关键性因素裂隙张开度同时受控于法向应力和剪胀效应。考虑基质和割理的共同作用,提出基于组合裂隙三向平板简化的各向异性渗透率模型。在此基础上,建立了注入CO2提高煤层气采收率的三维数值模型并利用耦合软件TOUGH-FLAC进行求解。模拟结果表明,气体注进采出的孔压作用会引起煤层膨胀或收缩。与孔压,吸附应力/应变以及温度相比,剪胀对裂隙渗透率的影响不明显。在注采过程中,渗透率表现出明显的各向异性,注入井附近的异向渗透率甚至可达30倍差异。此外,注气初期应适当控压,井口附近的高压损伤将带来不必要的裂隙气体泄漏,导致注气失败。

关键词：各向异性裂隙渗流 CO2-ECBM 温度-流场-应力(THM) TOUGH-FLAC模拟器

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模拟水压致裂的二维FDEM-flow方法

岩石力学与工程学报 2015年第A1期34卷 67-75页

作者：严成增郑宏孙冠华葛修润中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

水压致裂在非常规天然气开采中被广为采用,对该问题的研究具有重要意义。基于FEM/DEM耦合分析方法,提出解决FEM/DEM方法中流–固耦合问题的理论框架,称之为FDEM-flow方法,并结合贯通节理裂隙网络形成的递归搜索算法,为在二维情形下考虑... 详细信息

水压致裂在非常规天然气开采中被广为采用,对该问题的研究具有重要意义。基于FEM/DEM耦合分析方法,提出解决FEM/DEM方法中流–固耦合问题的理论框架,称之为FDEM-flow方法,并结合贯通节理裂隙网络形成的递归搜索算法,为在二维情形下考虑流–固耦合驱动下的岩体破裂问题提供完整的解决方案,并给出实现流–固耦合的整个计算流程。通过2个含有解析解的裂隙渗流算例,验证本文提出方法求解纯裂隙渗流问题的正确性。最后,通过一个流体驱动下的岩体破裂算例,展现提出的方法在模拟流–固耦合驱动下的岩体破裂问题的巨大潜力,为模拟页岩气开采中的水压致裂问题提供了新途径。

关键词：岩石力学 FEM/DEM FDEM-flow 流–固耦合岩体破裂裂隙渗流水力压裂

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低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析

岩土力学 2018年第2期39卷 735-744页

作者：黄诗冰刘泉声程爱平刘艳章武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室湖北武汉430081 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相... 详细信息

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化,在低温岩体中其影响更为明显;此外,裂隙水与周围低温岩石介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生,而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流,引起裂隙渗流场的变化。因此,低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用,建立了低温冻结条件下裂隙岩体水-热耦合模型;以冻结法施工为例,考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明:由于裂隙渗流的存在,距裂隙较远处岩石先冻结,裂隙冻结所需时间远大于周围岩石;裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间,裂隙越宽、水压力差越大,裂隙冻结需要时间越长;随着冻结时间的推进,裂隙水渗流速度逐渐降低,当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型,利用所建立的水-热耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响,说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。

关键词：低温裂隙岩体水-热耦合裂隙渗流水冰相变冻结法

模拟水压致裂的另一种二维FDEM-flow方法

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岩土力学 2017年第6期38卷 1789-1796页

作者：严成增中国地质大学工程学院湖北武汉430074

可考虑岩石本身渗透性的FDEM-flow方法充分利用原FEMDEM中节理单元和三角形单元独特的拓扑连接关系,将节理单元作为流体流动的天然通道,基于立方定律来表征流体在岩石本身及裂隙中的流动,而岩石本身渗透性则通过标定合适节理单元张开度... 详细信息

可考虑岩石本身渗透性的FDEM-flow方法充分利用原FEMDEM中节理单元和三角形单元独特的拓扑连接关系,将节理单元作为流体流动的天然通道,基于立方定律来表征流体在岩石本身及裂隙中的流动,而岩石本身渗透性则通过标定合适节理单元张开度来表征。用一个含解析解自由面稳态渗流算例初步验证了本文渗流算法及标定岩石本身渗透率方法的正确性。最后计算了一个水力压裂算例,验证了该FDEM-flow方法可同时考虑岩石本身的渗透性和裂隙的渗透性,用简单的纯裂隙渗流完成了对复杂问题的处理。研究结果表明:修改后的FDEM-flow方法能够很好地再现压裂过程中流体压力的分布及裂隙的扩展,可简洁地求解水力压裂这一复杂力学的问题,适用范围更广。为模拟页岩气开采、干热岩地热获取中的水力压裂问题提供新的求解工具。

关键词： FEMDEM FDEM-flow 流固耦合水力压裂流体黏性裂隙渗流

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煤矿地下水库高盐矿井水封存对地下水的影响

煤炭学报 2021年第7期46卷 2360-2369页

作者：吴宝杨李全生曹志国郭强孔军峰武书泉张宗鲜中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室北京102209 北京低碳清洁能源研究院北京102211 国家能源集团宁夏煤业公司灵新煤矿宁夏灵武751410

以宁夏灵新煤矿地下水库建设为工程背景,分析了在煤矿地下水库建设和运行过程中,可能对邻近含水层造成影响的两大因素:①煤层工作面重复开采引起的覆岩裂隙导通含水层,会对矿区地下水资源造成初次影响;②在高盐矿井水注入地下水库的过程... 详细信息

以宁夏灵新煤矿地下水库建设为工程背景,分析了在煤矿地下水库建设和运行过程中,可能对邻近含水层造成影响的两大因素:①煤层工作面重复开采引起的覆岩裂隙导通含水层,会对矿区地下水资源造成初次影响;②在高盐矿井水注入地下水库的过程中,由于浓度梯度的作用,矿物离子将主要沿着裂隙通道进行扩散,进而可能对矿区地下水资源造成二次影响。这2种影响方式都与采空区覆岩中的采动裂隙是否形成贯通的渗流通道密切相关。基于上述分析,首先通过固-液耦合相似模型试验与数值计算相结合的方法,分析了灵新煤矿拟建煤矿地下水库区域重复开采条件下采空区覆岩的裂隙网络演化规律和渗流通道特征,进而深入分析了重复开采对煤层上方各含水层的影响,具体表现在:一采区工作面回采结束后,采空区上覆岩层裂隙相互连通并扩展至K4含水层,但K3含水层与采空区之间未出现明显的渗流路劲,表明重复开采对K3含水层的影响较小。综合上述相似模拟试验和数值计算得到的裂隙网络特征,采用OpenGeoSys多场耦合数值模拟软件,模拟了高盐矿井水在采动裂隙网络中的渗流过程,分析了高盐矿井水在煤矿地下水库中封存后对上覆含水层的污染风险。研究结果表明:注水条件下,高浓度盐水首先在裂隙采空区流动,随后沿着覆岩断裂裂隙进入K4含水层,并最终在K4含水层及其邻近覆岩断裂裂隙中流动,渗流场离K3含水层较远。浓度场在自身重力所用下10 a后扩散速度有所减缓,在50 a内,浓度场主要在K4含水层邻近覆岩、K4含水层和底部泥岩中扩散,只有微量高盐矿井水会扩散至K3含水层中。

关键词：地下水库高盐矿井水裂隙渗流浓度扩散含水层

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承压水体上开采底板岩层破断及渗流特征

中国矿业大学学报 2012年第4期41卷 536-542页

作者：王金安魏现昊陈绍杰北京科技大学金属矿山安全高效开采教育部重点实验室北京100083 北京市市政工程设计研究总院北京100082 山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室山东青岛266510

以山西某煤矿承压水体上下组煤开采为工程背景,通过对煤层底板岩石进行全应力-应变渗透性试验及单裂隙渗透性试验,揭示了岩石应力-渗流耦合机理,获得了断裂面渗透系数的定量关系式;采用离散元流固耦合模拟方法,对承压水体上煤层开采底... 详细信息

以山西某煤矿承压水体上下组煤开采为工程背景,通过对煤层底板岩石进行全应力-应变渗透性试验及单裂隙渗透性试验,揭示了岩石应力-渗流耦合机理,获得了断裂面渗透系数的定量关系式;采用离散元流固耦合模拟方法,对承压水体上煤层开采底板岩层的应力状态及渗流特征进行模拟分析.结果表明:底板岩层"四带"中的渗透性均与水平应力密切相关,其中:直接底板受工作面矿压影响严重,岩层中的水平应力杂乱无章,破坏带厚度约13m;奥灰含水层顶部岩层为低围压区,容易形成奥灰水楔劈裂导升机理,导升带厚度为17m左右;底板中部层位受采动矿压及底板承压水直接影响相对较小,此带中水平应力自上而下呈递增状态,有效隔水层带厚度38m,是底板的关键阻水层.

关键词：承压水裂隙渗流离散元流固耦合关键隔水层

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交叉裂隙水流N-S方程有限元分析

水科学进展 1997年第1期8卷 1-8页

作者：詹美礼速宝玉河海大学水力发电工程系

运用有限元理论从Ｎ－Ｓ方程（Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓｅｑｕａｔｉｏｎ）出发，研究了交叉裂隙水流的基本特征。通过有限元计算结果与传统网络水力学算法及实验成果的对比分析，论述了在裂隙渗流分析中，传统网络计算方法的近似程... 详细信息

运用有限元理论从Ｎ－Ｓ方程（Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓｅｑｕａｔｉｏｎ）出发，研究了交叉裂隙水流的基本特征。通过有限元计算结果与传统网络水力学算法及实验成果的对比分析，论述了在裂隙渗流分析中，传统网络计算方法的近似程度完全能为工程要求所接受。网络裂隙渗流分析计算时。

关键词：交叉裂隙 N-S方程有限元裂隙渗流渗流水力学

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拱坝和坝肩岩体的力学和渗流的耦合分析实例

岩石力学与工程学报 1997年第2期16卷 125-131页

作者：耿克勤吴永平中国水利水电科学研究院岩土所

以建筑在复杂岩基上的龙羊峡水电站重力拱坝和坝肩岩体的力学、渗流及其耦合分析为例，说明采用本文提出的导水断层和主干裂隙的离散介质和多组节理岩体的等效连续介质的混合模型求解复杂岩基的裂隙渗流场，采用等效连续介质模型和特殊... 详细信息

以建筑在复杂岩基上的龙羊峡水电站重力拱坝和坝肩岩体的力学、渗流及其耦合分析为例，说明采用本文提出的导水断层和主干裂隙的离散介质和多组节理岩体的等效连续介质的混合模型求解复杂岩基的裂隙渗流场，采用等效连续介质模型和特殊的断层及软弱夹层的有限元相结合的方法求解复杂岩基的力学场，依据断层和多组节理岩体的等效渗透系数与复杂应变的耦合关系分析力学—渗流的耦合作用的模型。

关键词：弹塑性力学裂隙渗流岩体力学拱坝坝肩

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黄岛地下水封洞库库区三维裂隙网络模拟

岩石力学与工程学报 2011年第S2期30卷 3421-3427页

作者：马峰白凤怀陈刚蔺文静王贵玲中国地质科学院水文地质环境地质研究所河北石家庄050061 河北省地矿局石家庄综合地质大队河北石家庄050081 中国地质大学环境学院湖北武汉430074

低渗透性的裂隙岩体是地下水封石油洞库建库的最佳选址区,裂隙网络模拟技术是研究离散裂隙渗流的有效手段。以黄岛地下水封洞库库区渗透性研究为出发点,在地表裂隙调查与钻孔裂隙统计的基础上,运用离散裂隙模拟软件DFN对洞库区进行三维... 详细信息

低渗透性的裂隙岩体是地下水封石油洞库建库的最佳选址区,裂隙网络模拟技术是研究离散裂隙渗流的有效手段。以黄岛地下水封洞库库区渗透性研究为出发点,在地表裂隙调查与钻孔裂隙统计的基础上,运用离散裂隙模拟软件DFN对洞库区进行三维裂隙网络模拟,得出模拟区导水系数分布图以及ZK13钻孔连通性分布图,通过将模拟结果与野外试验结果对比,认为模拟结果合理可信。实例分析表明,模拟结果能较为深刻地揭示裂隙水渗流的本质,可为后续的洞库水封效果及涌水量评价提供参考。

关键词：数值模拟裂隙网络模拟地下洞库裂隙渗流