低渗透孔隙-裂隙介质气体非线性渗流运动方程

已有的煤层气渗流研究基于达西定律,而实验表明低渗透介质气体渗流为非线性流。采用实验、理论与计算相结合的方法建立低渗透孔隙-裂隙介质气体非线性渗流运动方程。实验结果表明,低渗透孔隙-裂隙介质气体渗流曲线是从较低压力梯度下的凹形曲线至较高压力梯度下的直线,是连续变化的曲线,直线延长线不通过坐标原点,存在拟启动压力梯度。根据该普遍特征,建立了非线性渗流运动方程。其参数量纲与物理意义清楚,运动方程计算的理论曲线与实验结果吻合很好,达西定律是运动方程的特例,运动方程可运用于低渗透孔隙-裂隙介质气体渗流理论及开发计算研究。

热-水-应力-迁移耦合条件下双重孔隙-裂隙介质的抗剪强度及有限元分析

考虑裂隙的连通率、间距、孔隙基质和裂隙材料在表征单元(REV)中的体积分数,并假定双重孔隙-裂隙介质的等效内摩擦角保持常数,而等效黏聚力是固有黏聚力、等效塑性应变、基质吸力、溶质浓度及温度的函数,提出了一种在热-水-应力-迁移耦合条件下确定表征单元内任一平面上等效的黏聚力及内摩擦角的方法。针对一个假定的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置模型进行了数值模拟及分析。结果表明,基质吸力对于等效黏聚力的增强作用大于等效塑性应变和溶质浓度的减弱作用,使得等效黏聚力得到了提高,故减少了围岩中的塑性区;由此岩体应力、孔(裂)隙水压力及流速、孔(裂)隙溶质浓度的分布及量值也发生相应的改变。

遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型及有限元分析

建立一种饱和-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和裂隙渗流场,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,就岩体为双重介质和单重介质2种工况进行数值分析,考察缓冲层和岩体中的温度、孔隙水压力、饱和度、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示,地下水由双重介质进入缓冲层中要快得多,2种工况的计算域中温度差别不大,但缓冲层及附近部位的主应力大小及分布有显著不同,单重介质的应力集中程度要大。

基于嵌套思路的饱和孔隙-裂隙介质本构理论

为了指导本构建模工作,需要建立饱和孔隙-裂隙介质的一般本构理论框架.首先,从混合物理论和嵌套思路出发,获得饱和孔隙-裂隙介质的能量平衡方程.其次,根据热力学功共轭特性确定了饱和孔隙-裂隙介质本构方程的应变状态变量和应力状态变量.再次,根据热力学局部平衡假定,获得饱和孔隙-裂隙介质的自由能势函数一般本构方程.最后,从一般自由能势函数本构方程出发,获得孔隙骨架和裂隙骨架变形相互耦合的各向同性线弹性方程.当孔隙骨架和裂隙骨架变形解耦时,该方程能够退化到Khalili线弹性方程.研究表明,在小应变情况下固相应变可分解为裂隙骨架应变、孔隙骨架应变与固相材料体应变之和;当混合物均匀化响应原理成立和流相材料本构模型与单相一致时,裂隙骨架应变、孔隙骨架应变、固相材料体应变、裂隙流相材料体应变和孔隙流相材料体应变分别唯一决定裂隙介质有效应力、孔隙介质有效应力、固相材料真实压力、裂隙孔压和孔隙孔压;当自由能函数是状态变量的二次函数时,可获得线弹性本构模型.

裂隙开度的压力溶解对双重孔隙介质热-水-应力耦合影响的有限元分析

为了考虑应力拉压和压力(化学)溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型中裂隙开度的计算模型作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库算例,就岩体裂隙开度变化的3种工况,分析了岩体中的温度、孔(裂)隙水压力、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示:3种工况的计算域中温度场基本相同;孔(裂)隙水渗流场形态相似,但其量值有一定差别;工况1的裂隙开度在应力和压力(化学)溶解的共同作用下闭合量最大,负孔(裂)隙水压力增值最高;核废物的释热效应明显地改变了岩体自重应力场的水平分量,但对其垂直分量影响较小。

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.

裂隙贯通率对双重孔隙介质热-水-应力耦合现象影响的有限元分析

为探讨裂隙的贯通率对于耦合的温度场、渗流场和应力场的作用,应用所建立的遍有节理岩体双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型,以一个假定的位于非饱和地层中的高放废物地质处置库为算例,针对裂隙和孔隙的贯通率不同的4种工况进行了二维有限元数值分析,考察了围岩中的温度、负的孔隙和裂隙水压力、地下水流速、孔隙及裂隙的渗透系数修正因子和应力的变化、分布情况。结果显示,由于裂隙贯通率的差异使得双重介质的刚度不同,引起岩体中应力状态及水平的改变,从而影响到孔隙、裂隙的孔隙率及渗透系数的量值,并导致孔隙水和裂隙水的压力大小、分布以及水流速度的变化。

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。

裂隙-孔隙双重介质Darcy-Forchheimer耦合流动模拟方法及工程应用

针对裂隙-孔隙双重介质非线性渗流问题,采用压力交换函数描述孔隙Darcy渗流和裂隙Forchheimer渗流耦合特性,推导了渗流方程有限体积的数值格式,并编制了相应的计算程序。通过与单裂隙和相交裂隙渗流的Frih和Arraras解对比,验证了新方法的合理性。对富水深埋裂隙型围岩隧道非线性渗流问题的计算表明,所提算法对复杂裂隙系统问题具有很强的适用性。进一步分析隧道围岩渗流特征:越接近隧道位置,水压梯度越大,流量也越大;隧道周围水压梯度呈现“底部大,顶部小”的特点,最大相差2.5倍,因此隧道底部的流量大于顶部流量;裂隙方向均匀性和密度是影响隧道围岩水力特性的重要因素。在一定水力梯度下,裂隙方向越集中于水力梯度方向且密度越大时,围岩导水性越大,隧道流量越大,越容易发生涌水事故。研究成果为裂隙型围岩隧道防水设计及工程实践提供参考。

裂隙-孔隙介质等效渗透率的数值试验研究

等效渗透率的影响因素一直是裂隙–孔隙双重介质渗透性研究中的难点。为了更好地研究裂隙–孔隙多孔介质的渗透特性,基于流体力学、渗流力学耦合作用原理,建立了裂隙–孔隙双重介质数学模型,得到了双重介质等效渗透率的计算公式。利用Comsol Multiphysics计算方法,研究了裂隙宽度、裂隙与压力梯度作用面角度及压力梯度对双重介质水平等效渗透率的影响规律。计算结果表明:1) 裂隙中的流速是孔隙中流速的104~107倍,裂隙宽度对水平等效渗透率的影响最大,起主导作用;2) 水平等效渗透率随裂隙与压力梯度作用面角度的增大而减小,从40°至45°之间减小的最为明显;3) 水平等效渗透率随压力梯度的增大而略有减小,压力梯度的大小对水平等效渗透率的影响不大。

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。

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.

压力溶解和自由面溶解/沉淀对双重孔隙岩体中热-水-应力耦合影响的有限元分析

引入裂隙开度的压力溶解和自由面溶解/沉淀模型,针对一个假设的位于饱和双重孔隙-裂隙岩体中的高放废物地质处置库,拟定3种计算工况:(1)裂隙开度是压力溶解和自由面溶解/沉淀的函数;(2)裂隙开度仅随压力溶解而变化(这2种工况中基岩的孔隙率亦是应力的函数);(3)裂隙开度和基岩的孔隙率均为常数,进行热-水-应力耦合的二维有限元分析,考察岩体中的温度、裂隙开度及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。结果表明:自由面溶解/沉淀引起的裂隙开张及渗透系数增量的绝对值要明显大于压力溶解产生的裂隙闭合及渗透系数减量的绝对值,而压力溶解对裂隙的开度及其渗透系数的影响较小;同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀相比于仅考虑压力溶解,同时计入压力溶解和自由面溶解/沉淀的裂隙开度及其渗透系数分别约为仅考虑压力溶解时的1.5和7.0倍;在释热温度场的作用下,计算域中的裂隙水压力随时间先上升再下降,但变化幅度不大;3种工况下岩体中的应力量值及分布差别很小。

应力腐蚀和压力溶解引起的裂隙开度-刚度变化对THMM耦合过程影响的数值模拟

在使用Yasuhara等建立的裂隙开度的应力腐蚀和压力溶解模型的基础上,考虑裂隙闭合量对裂隙刚度的影响,针对一个假设的位于非饱和双重孔隙-裂隙岩体中且有核素泄漏的高放废物地质处置模型,拟定两种计算工况:(1)裂隙的刚度系数是裂隙闭合量的线性函数;(2)裂隙刚度为常数,进行热-水-应力-迁移耦合的二维有限元数值模拟,考察了岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔(裂)隙水压力、地下水流速、核素浓度、裂隙刚度和正应力的变化、分布等情况。结果表明,两种工况岩体中的温度场、孔(裂)隙水压力、地下水流速、核素浓度无明显差别;裂隙闭合基本由应力腐蚀产生;在相同计算时间内两种工况的裂隙闭合量较为接近,工况1略大;工况1中离玻璃固化体越近,裂隙刚度值越高,并且在玻璃固化体附近的应力值较大,且集中程度较高。

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 。

双重介质中洞室周边切向应力的各向异性解

为快速、批量地进行参数敏感性研究,基于各向异性弹性力学的理论,将具有两组正交节理的双重孔隙-裂隙介质简化为平面正交各向异性无限域,建立了相应的物理方程,得出此无限域中圆形洞室周边切向应力的弹性解析公式。对节理、基岩的几何及弹性常数、侧压力系数、边界荷载作用方向角等因素的应力敏感性进行了分析。其结果表明:节理的间距及刚度、基岩弹性常数的变化对洞周切向应力的影响不大;而侧压力系数、边界荷载作用方向对洞周切向应力的分布及量值有显著的作用;在边界荷载作用方向为某个角度时应力波峰和波谷的差值最大,这意味着此时洞室的稳定性最差。

西部典型侏罗系富煤区含水介质条件与水动力学特征

以位于吐哈盆地的大南湖矿区为例,结合该区侏罗系含煤地层渗透性好、富水性强、静储量大等典型特征,采用现场取样、压汞实验、扫描电镜等手段,系统研究了侏罗系西山窑组含水层的沉积环境、宏观地层结构、细观孔隙结构等含水介质特征;通过现场抽水试验及室内数据处理分析,研究了该含水层的循环条件及水动力特征。结果表明:研究区侏罗系含水层具有典型的隐伏古湖床沉积环境及高孔隙度、强渗透性、"孔隙-裂隙"双重含水介质共存的特殊水文地质结构特征;区域上,侏罗系含水层补给水源充沛,结合侏罗系含水层的双重介质特征,表现出具有明显滞后效应的水动力学特征,通过Boulton模型对水文地质参数进行校正,经现场试验,更符合该区地下水运动的实际规律。研究成果初步揭示了吐哈盆地富煤区由于地质沉积环境及岩性差异所导致的侏罗系含水介质结构及地下水动力场的特殊性。

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。

深部薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流模拟研究

结合工程实例,对开滦赵各庄矿14水平(-1 225 m)开拓东大巷揭露的薄层煤岩体渗流演化过程进行数值模拟,通过调节渗透系数,获得了薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流在时间和空间上的孔隙水压变化过程,结果表明:渗流主要发生在充填裂隙143S薄煤层中,且随着渗透系数的增大,地下水体渗透距离增大,而渗透水压减小;143S薄煤层模拟水压过程曲线具有明显的峰值特征和时间滞后效应,而过渡层孔隙水压则不具有这些现象,这与所推导的一维裂隙-孔隙双渗流解答一致;渗透系数在10-8~10-10 m2/(Pa·s)数量级范围内,裂隙水压峰值与其滞后时间呈幂率型相关关系,143S薄煤层渗透系数在10-8 m2/(Pa·s)数量级范围较为切合实际.