考虑裂隙的几何-力学特性的双重孔隙介质水-应力耦合模型及其有限元分析

建立了一种双重孔隙介质水-应力耦合模型,其特点是可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率、开度、刚度及应力水平对介质的弹性模量、孔隙率及渗透系数的影响,并研制出相应的二维有限元程序。以模拟饱和的双重孔隙岩体在外荷载作用下产生沉降为算例,针对岩体的孔隙率与渗透系数分别是常数及按照本文中所述规律变化的两种工况,考察了不同岩体中的变形、孔隙水压力与裂隙水压力及流速、主应力等的分布与变化。结果表明:将岩体的孔隙率与渗透系数作为应力的函数,与将其作为常量的方法相比,二者对岩体的变形及应力的影响不大,但前者对孔隙水压力、裂隙水压力及流速的影响强烈。

二重孔隙介质地下水溶质运移模型应用研究

为比较准确地模拟二重孔隙介质地下水溶质运移 ,本文依据二重孔隙介质法 ,分别对孔隙岩块和裂隙介质建立相应的溶质运移模型 ,将孔隙岩块视为作用于裂隙介质的源或汇 ,对反映岩块和裂隙介质之间物质交换的耦合项进行了数学推导。应用本文方法在济南地区建立起二重孔隙介质溶质运移模型。研究结果表明 。

孔隙-裂隙双重变形介质中的油水两相流动理论研究

在连续介质力学理论架构下,文章建立了饱和油水两相渗流与变形孔隙-裂隙双重介质耦合作用的理论来模拟裂隙砂岩储层中的油-水渗流,提出了基于双孔隙固相系统变形与油水两相渗流的全耦合力学模型;在对力学模型给予适当简化的基础上,应用解耦的有限元数值解方法对裂隙储层的两相流体压力、饱和度以及储层变形等参数进行了数值模拟;结果表明,裂隙储层流体运动主要由裂隙变形、油/水的PVT特性所决定。

双重孔隙介质THMM耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响;并开发了相应的二维有限元程序.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态.结果显示:孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍;孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.

考虑基质渗透性的粗糙单裂隙非达西流动特性研究

粗糙单裂隙及其周围岩石基质是组成复杂岩体裂隙网络的基本单元,了解其中发生的流体流动行为具有重要意义。通过直接求解Navier-Stokes(N-S)方程开展三维粗糙单裂隙和裂隙-孔隙双重介质模型的渗流模拟工作,研究了裂隙表面粗糙度、匹配性和基质渗透性对粗糙单裂隙中发生的非达西流动的影响规律。结果表明:Forchheimer方程可以准确描述双重介质模型中粗糙单裂隙流体流量与压力梯度间的非线性关系;表面粗糙度和不匹配性的增大会加剧裂隙内部开度分布的不均匀性,增大裂隙的流动阻力而促进非达西流动的发生;可渗透基质会使得裂隙过流能力增强,通过粗糙单裂隙的流量最多可增大约14%,这会抑制非达西流动的发生;基质渗透性对裂隙过流能力增长的影响程度与表面粗糙度和不匹配性呈正相关。

三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的三维有限元程序.通过与已有算例的对比,验证了该模型和程序的可靠性.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体和缓冲层均为非饱和介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、地下水流速、核素浓度和正应力的状态.结果显示,缓冲层中的温度、负孔隙水压力及核素浓度呈现非线性的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/9,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的6倍;应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近.

瓦斯脱附扩散迟滞压力及双重孔隙煤体窜流函数

煤中瓦斯运移要经过脱附-扩散-渗流等贯序环节才能进入钻孔或巷道。大量有关残存瓦斯含量、煤的瓦斯吸附解吸残余变形及吸附解吸迟滞的研究显示,煤中瓦斯脱附扩散过程较吸附扩散过程存在不可忽略的附加阻力,其大小由扩散路径长度及复杂度所控制。脱附扩散附加阻力影响基质系统与裂隙系统间的质量交换,但当前被广泛使用的双重孔隙煤体瓦斯运移模型并未考虑其影响,用于瓦斯抽采流场特性的理论分析时将使瓦斯含量被低估。基质系统与裂隙系统间的质量交换也被称为窜流,窜流函数是计算基质系统与裂隙系统间质量交换量/速率的关键函数。为了修正煤层瓦斯运移模型,开展了以煤粒(煤柱)吸附解吸等温测试模拟裂隙压力恒定的窜流试验,提出了瓦斯脱附扩散迟滞压力用于定量评价附加阻力,修正了双重孔隙煤体窜流函数,并同试验结果进行了对比验证。获得如下成果:明确了瓦斯脱附扩散迟滞压力的概念与物理意义;当最大吸附平衡压力相同时,降压过程中瓦斯脱附扩散迟滞压力随粒径增大而增大,对于同一样品,瓦斯脱附扩散迟滞压力随压降值的增大而减小;使用修正模型模拟煤柱瓦斯解吸过程与试验获得的等温解吸数据匹配度较好,R;可达98.2%。随着开采深度增加,地应力增大,煤的基质尺度将大幅增大,脱附扩散迟滞压力对于煤层瓦斯运移的影响将更加显著,通过技术手段减小脱附扩散迟滞压力应成为深部煤层瓦斯治理或煤层气开发需深入研究的问题之一。

裂隙岩体非饱和渗流问题的研究

发展了“孔隙--裂隙”二重介质模型；研究了裂隙岩体非饱和渗流问题；推导出了裂隙岩体非饱和渗流方程；并结合边坡稳定中的渗流问题进行了分析应用。

西南岩溶区深埋隧洞水文地质概念模型及突涌水研究

针对岩溶地区复杂的水文地质条件,以建立岩溶区域水文地质概念模型和隧洞涌水预测方法为目标,通过分析贵州夹岩水利枢纽工程深埋长引水隧洞工程区的岩溶水文地质资料,结合地层结构、岩性组合、地貌特征等因素,研究该工程区内岩溶地下水的补给、径流、排泄关系。在此基础上,依托实地调查的典型涌水支洞,分析研究了不同情形下涌水量对降雨事件的响应,总结得出岩溶隧洞突涌水模式。针对不同突涌水模式的特点,提出了相应的涌水量计算方法与处理措施。结果表明:岩溶隧洞突涌水模式可以分为岩溶管道控水模式、层面控水模式和断层带与暗河联合控水模式;岩溶管道控水的猫场隧洞4#支洞涌水对降雨响应迅速,宜采用水均衡法估算涌水量,层面控水的水打桥隧洞2#支洞涌水受岩体渗透各向异性影响较大,宜采用岩体渗透性各向异性的有限元渗流分析方法预测,而断层带与暗河联合控水的水打桥隧洞4#支洞涌水主要由断层从暗河导入,可采用三维有限元渗流场计算分析预测其涌水;采用上述方法对典型支洞涌水预测的误差分别为6.97%、4.81%、1.13%。研究成果对于岩溶区深埋隧洞工程的建设具有一定借鉴意义。

堆浸工艺中溶浸剂的作用机理与流动特性

分析了溶浸剂的作用机理,认为堆浸浸出过程是一个多相反应动力学过程,浸出速度与溶解化学反应速度、反应物和生成物的扩散速度等因素有关。根据多相反应扩散动力学理论,给出了化学溶浸剂溶浸开采金属的定量描述。在假定裂隙岩体为拟连续介质,流体在整个岩体中的流动规律服从Darcy定律的条件下,导出了溶浸剂在多孔介质中流动的孔-裂隙二重非稳定渗流数学模型。

基于MATLAB的本煤层瓦斯抽采钻孔间距设计

针对国内许多矿井本煤层瓦斯抽采钻孔间距设计缺乏合理依据的实际情况,将煤层视为孔隙裂隙二重介质,综合考虑瓦斯的渗流与扩散解吸过程,建立了瓦斯流动方程。利用MAT-LAB编制了瓦斯抽采钻孔间距设计程序,根据不同的抽采方式,得出了不同钻孔间距下的煤层瓦斯抽采率随时间的变化情况,优选最合理的钻孔布置间距。程序在沙曲矿北翼4#煤层进行了应用,证明了研究的合理性与准确性。