基于两相流的水封油库油气泄漏运移规律及控制措施

地下水封油库运行的关键是保持一定的水封厚度,为确定合适的水封厚度,基于气液两相流理论,采用有限元数值模拟方法,以我国某石油储备地下水封洞库为依托,模拟了地下水封石油洞库储油运行期油气的泄漏运移演变过程。结果表明:施工期不设置水幕系统情况下,洞室顶部出现了大面积的疏干区,造成后期无法储油;设置水幕系统情况下,洞库上方能够维持一定水封厚度,洞库周围岩层油气泄漏范围和泄漏量均与储油运行时间呈正幂函数关系;水封厚度越大油气泄漏范围和泄漏量越小,但过大的水封厚度会大大增加工程成本,所对应的案例在水封厚度为30 m时对油气泄漏控制最为经济合理,《地下水封石洞油库设计标准》推荐的水封厚度合理且有一定安全裕度。研究成果可为水封油库工程的设计及油气泄漏控制提供一定理论参考。

雄安至北京大兴国际机场快线起步区地下段结构抗浮设防水位取值研究

抗浮设防水位直接影响到地下结构的安全与建设费用,在地下结构建设中至关重要,因此,科学合理地确定地下结构的抗浮设防水位具有巨大的社会意义和经济价值。本文以“雄安新区至北京大大兴国际机场快线地下工程段”为研究对象,系统分析了研究区水文地质条件以及地下水位年内年际动态变化规律,利用数值模拟法和类比预测法确定了地下结构抗浮设防水位标高建议值。结果表明,该场地区域浅层地下水水位埋深一般为5.0~20.0m,地下水水位标高一般为–10.0~1.0m。近五年场地浅层地下水水位标高一般为–5~–10 m,埋深一般为3.0~15.0 m,地下水位逐年升高,回升速率约1.0 m/a。地下结构抗浮设防水位标高取值建议取使用期抗浮设防水位采用数值模拟法预测结果。该成果服务了“雄安新区至北京大兴国际机场快线(R1线)”项目场地抗浮设计,为雄安新区重大工程建设项目的抗浮安全设计提供了示范。

THE PREDICTION OF WATER AND SALT REGIME IN SALTAFFECTED AREAS BY NUMERICAL SIMULATION

The study of water and salt movement in soil is of vital importance to the prevention of secondary salinization, the reclamation of salt-affected soil and the scheduling of rational irrigation and drainage. In this paper, on the basis of numerical simulation, the processes of salt accumulation and leaching of salts in soils under the conditions of evaporation, rainfall infiltration and irrigation are studied. The numerical methods for the prediction of water and salt regime are investigated.

地下隧洞突水突泥演化过程模拟分析方法

在富水、高压、不良地质条件下,如何评估施工过程中的突水突泥破坏风险等级,是地下隧洞施工设计的难题。正确分析地下隧洞开挖应力与渗流耦合互馈作用,是合理模拟地下隧洞施工开挖突水突泥演化过程的关键。首先,根据开挖荷载释放过程中的围岩损伤演化机理,提出了根据不同变形阶段围岩损伤特性计算相应围岩损伤系数的方法,并分析其对渗透系数的影响。然后,根据围岩破坏特性和突水破坏机理,提出了围岩临界突水系数的计算方法,并根据围岩损伤破坏和渗透破坏程度,将突水突泥破坏划分成4个风险等级,为地下隧洞施工开挖突水突泥破坏风险评估提供了依据。最后,根据渗流变化与应力损伤互馈耦合作用原理,提出了变损伤刚度、开挖荷载加权分级以及渗流荷载迭代施加的耦合计算方法,模拟了地下隧洞施工开挖突水突泥演化发展过程。将该方法运用于工程实际,证明了所提理论和分析方法的合理性,为地下隧洞开挖突水突泥演化判别提供了一个可行的分析思路。

地下坝防治海水入侵的数值模拟

针对不同类型地下坝的咸水运移规律缺乏系统研究的问题,利用海水入侵数值模型SEAWAT建立二维变密度流模型,探讨悬浮式、溢流式、全封式地下坝的水平建设位置和建设深度对海水入侵的防治效果。结果表明,悬浮式、溢流式、全封式地下坝都可以减小海水入侵范围和程度,地下坝的水平建设位置应尽可能的靠近海边界;综合考虑地下坝工程效果和环境效能,当地下坝水平建设距离为20 cm、悬浮式地下坝建设深度的变化量为0.875时渗流量减少60.8%,地下坝建设深度建议为含水层厚度的80%左右;溢流式地下坝建设深度的变化量为0.325时,海水入侵的距离急剧减小,地下坝建设高度建议采用最小有效坝高,渗透系数越小,水平建设距离越大,水头差越大,则最小有效坝高越小。

深部开采环境下底板隔水关键层深梁力学分析

【目的】随着矿井开采深度增加,来自高承压岩溶水威胁增大,导致煤层工作面出现涌水、突水等水害现象,分析深部开采环境下煤层底板隔水关键层抵抗水压力强度是解决这一现象的重要内容之一。【方法】为解决此问题,将隔水底板简化为岩梁模型,并运用深梁理论解决深部开采突水预测中的岩梁模型问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,根据深梁弯曲力学特点,结合前人研究成果,将深梁条分成浅梁,通过弹性力学单根浅梁受力分布形式假定层间挤压应力σy为三次函数,给出深梁弯曲应力求解的条分技术,并将计算结果与弹性力学解、FLAC3D模拟结果进行对比。【结果和结论】结果表明,深梁条分解得到的应力及位移与数值解结果趋势更为接近,计算结果更为精确,相对误差均在10%以内,同时,随着条分层数增加,精度也增加,但提高幅度逐渐降低,因此,工程应用中针对深部岩梁模型条分到一定程度即可;随着高跨比不断增加,精度误差也在增加,说明条分层宽度不宜过大,否则造成误差增加;底板隔水关键层实例表明,当隔水关键层高跨比大于0.2时,为典型的深梁问题,常规弹性力学的最大拉应力求解结果误差较大,相对误差达到40.6%,给正确判定关键层突水危险性带来不利影响,此时采用深梁条分法求解应力精度较高,可为深部煤层底板突水预测研究起到重要的指导作用。

基于地质概化的坚硬厚基岩覆岩裂隙场演变特征研究

精准掌握采动覆岩导水裂隙带演化特征是防止工作面突水灾害发生的重要基础,尤其对于西部矿井高强开采条件尤为重要。以榆树湾煤矿201西翼盘区为背景,以各砂岩层单轴抗压强度、RQD、砂岩层厚度作为系统聚类分析指标提出了厚基岩地质概化方法,系统研究了不同基岩层厚度对导水裂隙带发育高度、裂隙角度、频次、节理应变能演变规律的影响,确定了导水裂隙带高度与节理总应变能的量化关系。研究结果表明:基于地质概化方法模拟所得导水裂隙带发育高度随基岩厚度增大呈现对数正相关增大趋势,且增加速率逐渐减小,该规律通过与邻近矿井实测结果对比分析,验证了其准确性;随着基岩厚度的增大,导水裂隙带内垂直裂隙发育频次显著增大,水平裂隙反之,这表明基岩厚度的增大对导水裂隙带内水平裂纹的萌生与扩展具有一定抑制作用;导水裂隙带发育高度与覆岩能量释放程度密切相关,随节理最大应变能和总应变能的增加呈指数增加特点,且增加速率逐渐增大。

富水砂层大直径深竖井开挖稳定性有限元分析

某输水隧洞盾构接收竖井具有开挖直径大、深度深、砂层水位高的特点,对开挖过程中竖井结构受力和变形提出更高的要求。笔者以该竖井工程为研究对象,采用有限元分析方法模拟了竖井的施工过程,研究了竖井地下连续墙及地层在开挖过程中的位移、应力规律。分析结果表明:竖井开挖完成后,地表最大隆起为39.50 mm,出现在井口附近;地层最大隆起为41.60 mm,出现在井底地层。地下连续墙最大水平位移为2.79 mm,出现在竖井顶部,地下连续墙顶部水平位移计算值与实测值吻合较好。地下连续墙最大拉应力为1.13 MPa,未超过混凝土标准抗拉强度,表明盾构接收竖井开挖稳定性良好。笔者分析方法及结果可供类似工程参考。

隧道涌水量预测方法比较及算法选择优化

隧道涌水是隧道建设及后期运营中最为常见的地质灾害,准确预测涌水量大小将为隧道设计及施工提供关键参数,因此隧道涌水量预测尤为重要。通过采用地下水动力学方法中的解析法(包括裘布依公式、古德曼公式等),结合数值模拟方法,以隧道导水断层为研究重点,对地处莲花山断裂带鸿图特长隧道典型段落(K91+634~K93+512)的最大涌水量和正常涌水量进行了预测。同时,利用已开挖段实测涌水量数值,将多种方法进行对比,分析研究各计算方法的适配性,并优化计算算法。研究表明,裘布依承压含水层公式预测与实际涌水量最为接近,鸿图特长隧道典型段落(K91+634~K93+512)的预测最大涌水量为119000 m 3/d,是极限情况下的涌水量预测,为设计施工开挖提供了可靠地水文地质参数。

南水北调填方渠道长期蠕变沉降数值模拟研究

南水北调中线通水运行数年后,渠首段膨胀土填方渠道边坡陆续出现坡顶开裂等局部变形现象,成为影响渠道安全高效运行的隐患。对此,以国产自主岩土工程有限元软件FssiCAS为计算平台,模拟南水北调填方渠段长期蠕变沉降过程,从蠕变角度揭示填方渠段长期变形特点和规律。先后采用D-P模型和Burgers模型描述地基土和填筑土的力学特性,分别对渠道建设前、建设后、通水后,以及长期服役四个阶段的沉降过程进行分析。结果表明渠道建设完成后的10年内,渠道顶部的最大蠕变沉降量可达到约12.5cm,接近设计预留的沉降控制值14.2 cm。本文研究可为南水北调中线渠道工程高填方渠段的安全运维和应急处置决策提供数据支持和科学依据。

煤矿井下含水层超前疏放水钻孔涌水量衰减规律数值模拟分析

钻孔涌水量衰减规律可以为煤矿失水灾害提供一种有效治理手段,为了保证煤矿的安全生产,对煤矿井下含水层超前疏放水钻孔涌水量衰减规律进行数值模拟分析。以Q煤矿为研究对象,结合SEEP/W软件,模拟分析钻孔涌水量的变化规律,构建了涌水量衰减规律数值模拟模型,实现对钻孔涌水量衰减规律的预测。结果表明,增大初始水头和渗透系数后,钻孔的峰值涌水量和似稳定涌水量增大;增大弹性给水度,钻孔的峰值涌水量增大,而似稳定涌水量保持稳定;随着钻孔孔径、钻孔仰角与斜长的增大,钻孔的峰值涌水量和似稳定涌水量都逐渐增大;增大钻孔的数量和覆盖范围后,单个钻孔、钻区的涌水衰减明显,位于钻区中心的钻孔,其疏水能力受到群孔的干扰最大。

新街台格庙矿区首采井田矿井水水化学特征及数值模拟预测

基于内蒙古新街台格庙矿区首采井田中地下水和岩石样品取样分析,探讨了矿区充水含水层水化学特征及空间分布规律,并利用地下水模型系统(GMS)软件对矿井水中典型水化学组分进行了预测。研究结果表明,新街台格庙矿区首采井田充水含水层为直罗组延安组,地下水阳离子以钠离子为主,组分平均含量为906.4 mg/L;阴离子以硫酸根为主,其含量均值为2289.3 mg/L。直罗组延安组砂岩去离子水反应使得pH值增加,逐渐趋于碱性,且离子组分浓度逐渐增大,其中阳离子中增幅较大的为钙离子和钠离子。阴离子中增幅较大的为重碳酸根离子和硫酸根离子,最终水化学类型为SO_(4)·HCO_(3)Ca·Na型。通过模型预测了台格庙矿区首采井田矿井水涌水水质,阳离子包括钾离子、钠离子、钙离子和镁离子,浓度分别为3.2~15.8、385~765、143.6~194.5、30.5~45.5 mg/L;阴离子包括硫酸根离子和氯离子,浓度范围分别为1170~1900、82.07~91.08 mg/L。

基于GMS数值模拟的某矿床涌水量预测研究

某矿床在开采过程中遇到一定程度的涌水。为解决涌水问题,并为防治水方案提供依据,以该矿床为研究对象,通过分析矿床水文地质条件、含水层类型及特征、地下水补给径流和排泄条件、地质构造特征、水文地质试验资料和矿床开采设计资料等,对矿床水文地质条件进行了概化,对研究区水文地质单元进行了划定,采用GMS软件建立了地下水流数值模型,预测得到了-200 m以下中段的矿坑涌水量。

岩溶隧道对地下水环境影响分析及涌水量预测研究

在隧道的建设过程中,尤其是在岩溶地区,很多隧道均遭遇了地下水灾害,研究岩溶地下水系统在隧道工程干扰下的行为是十分必要的。以重庆主城区拟建的鹿角隧道为例,分析其隧址区内水文地质条件,并建立隧址区地下水渗流模型;在此基础上,模拟隧道工程对地下水环境的影响;并采用地下水径流模数法、数值模拟法对隧道进行最大涌水量预测。结果表明:隧道施工期,地下水影响范围随时间增加而变大,开挖两年后达到最大,地下水位在隧道运营十年后趋于稳定,但难以恢复到天然状态;隧道高程越低,隧道水力传导系数越大,对地下水环境影响越大。研究结果明确了突水风险段,对隧道施工安全及设计决策提供理论及技术支撑,为运营期环境治理提供可靠判据。

某地下水封石油洞库地下水渗流场及涌水量模拟

地下水封石油洞库是通过人工开挖建于地下,利用稳定地下水的水封作用密封储存在洞室内的石油。具有占地少、投资少、损耗少等优点,但对地下水环境影响相对较大。为评价地下水封石油洞库施工期和运营期对地下水环境的影响,以某大型地下水封石油储库为研究对象,结合现场试验数据,利用GMS软件,建立了非均质、各向异性、三维非稳定地下水流模型和溶质运移模型。研究结果表明:有水幕系统时预测水位高于设计水位3 m以上,可以保证洞库的水封效果,且石油局限于洞室周围不外泄,为后期制定地下水污染防治措施及长期监测计划提供了依据。

基于GMS的矿井涌水量预测

矿井涌水是矿山安全开采中难以解决又必须面对的问题。GMS(groundwater modeling system)具有强大的前、后处理功能,实现了地质模型、水文地质参数等的可视化,提供的自检功能为调试模型提供了极大方便。以宁夏某矿为例,应用GMS对其水文地质条件进行概化,建立水文地质结构模型和水文地质概化模型,通过MODFLOW模块对其涌水量进行预测。结果表明:三维地质模型具有很好地可视性,研究区地层能够更加直观的得以展示,模拟所得水位与实测水位拟合效果在置信区间内,模拟区首采面的涌水量的预测值为1450 m~3/h。为矿山开采、工程建设中涌水量预测的研究提供了更为直观、更为便捷的方法。

高承压大水矿山矿坑涌水量预测的地下水数值模拟

某铅锌矿深部矿床上覆和下伏地层均赋存高承压地下水,深部矿床间接顶、底板岩溶裂隙含水层与矿床直接含水层之间的高水头差是威胁矿山安全生产的主要因素。为给矿山深部防治水工程设计的提供依据,在分析矿区地质、水文地质条件的基础上,建立了矿区水文地质概念模型,运用FEFLOW软件对矿区地下水进行了三维流数值模拟分析,运用识别后的模型对矿区深部开采的矿坑涌水量进行了预测,结果表明矿山厂1 094~734 m水平正常涌水量为8 730~1 1713 m^(3)/d,麒麟厂971~551 m水平正常涌水量为5 977~7 557 m^(3)/d,可作为矿山防治水设计的依据。

基于三维精细化数值模型的地下油库水封安全评价

地下水封油库利用“隙存水封”原理实现原油大规模地下储存,水封安全性是决定地下油库安全经济运行的重要前提。为评价某地下水封油库的水封安全性,基于精细化工程地质勘察,获取了洞库围岩、库区内断层带、节理裂隙密集带、破碎带的渗透系数,综合分析了库址区范围内的渗透系数空间变化规律;并结合多源高精度勘察信息构建了三维精细化渗流数值模拟模型,在对比分析三维精细化模型与均匀介质模型的优劣后,通过数值模拟,对比分析了有、无水幕条件下洞库的水封可靠性,并预测了洞库施工和运营期的涌水量。结果表明:三维精细化数值模型可以精确地反映地质构造对地下水位及水压力的影响,使得分析结果更加符合实际情况;水幕系统可以有效提高洞库水封安全性,具体表现为,在无水幕条件下进行洞室开挖时,地下水位明显下降,部分洞室上方出现疏干区,而在有水幕条件下进行洞室开挖时,地下水位下降不明显,洞室上方具有较厚的含水层,其厚度足以保证洞室水封安全性;同时,洞室涌水量在可控范围内。本研究提出的地下油库水封安全评价方法对类似工程具有借鉴意义。

中深层地热单井循环系统传热强化方法研究

针对中深层地热单井循环系统井内热贯通导致的换热功率低的问题,提出一种内管末端变径的井下传热强化方法,并建立数值模型,利用FLUENT进行为期30 d的模拟计算。结果表明,采用内管末端变径的方式能有效增强地下水“互动”,充分利用含水层的高温来提高单井换热功率。将井下换热分为导热区和采灌区两部分,随着封堵比例的增加,抽水中的含水层补给占比增加,且采灌区换热功率在系统换热功率中的占比逐渐增加。当封堵比例增大到100%时,采灌区换热功率达到导热区的1.76倍,井口出水温度可基本稳定在58℃,系统换热功率稳定在约995.46 kW,相较于内管等径系统,换热功率可提高84.71%。同时,单井循环系统仅导热区的延米换热量就可达到154.23~216.89 W/m,超过了闭式同轴套管换热系统稳定运行的最高延米换热功率,而系统换热功率可达到闭式系统的3.57~6.60倍,在单井换热系统中具有显著优势。

导水裂隙带发育高度预测模型对比研究

为了提高导水断裂带发育高度预测的准确性,通过收集以往地质采矿条件相似地区导高实测数据,综合分析取采高、埋深、倾角及工作面斜长4个因素作为算法模型的导高主要影响因子,利用工程探测、机器学习和数值模拟相结合的方法,对采矿覆岩导水断裂的发育特征进行分析研究。通过钻孔试验以及数控摄像技术对浅埋煤层综采条件下的导水断裂带发育高度进行实测;通过构建基于自适应粒子群算法优化最小二乘支持向量机回归算法(APSO-LSSVR)和UDEC数值模拟的导高预测模型,结合实测导高数据确定华宁煤矿覆岩破坏高度计算方法。结果表明:研究区实测导水断裂带发育高度处于60.3~90.6 m;基于APSO-LSSVR算法的导高模型的预测结果与真实值的拟合优度为94.79%,均方根误差为1.6523,预测的准确性较高,将其应用到研究区不同工作面导水断裂带高度的预测中,该模型与实测数据相比平均相对误差为1.36%,相较于传统UDEC数值模拟预测方法,其准确性相对提高了9.03%。可以看出经自适应粒子群算法优化后的支持向量机模型对于数据特征较小的数据集合处理性能较高,能够较好反映导水断裂的发育情况,可满足实际开采需求;将基于APSO-LSSVR的导水断裂带发育高度预测模型应用于研究区待开采的22109、22110工作面,得出22109工作面导水裂隙带为62.7 m,22110工作面导水裂隙带为67.3 m。