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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

数值模拟技术典型应用案例

来源:煤田地质与勘探

鉴于工程实践及物理试验周期长、成本高、风险大等问题,数值模拟技术因其直观、经济、便捷等优势,逐渐被不同领域广泛应用。随着计算机技术的迅猛发展,各种软件逐步成熟,选取适宜的模拟软件,结合实际条件和研究对象,可直观、高效地展示应用效果,指导决策和生产实践。为此,《煤田地质与勘探》以2020—2022年发表的论文,选取代表性成果,集中展现不同数值模拟软件在煤系气开发或瓦斯抽采、煤与瓦斯突出、煤矿区防治水、采煤沉陷区治理、地热开发等领域的应用案例及效果,以促进同行交流。

专题整理于2022-07-13。

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行业视野

智能化

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  • 作者(Author): 南宁, 李鹏, 苏生瑞, 董福, 马驰

    摘要:山区或丘陵地带建设煤矿工业广场时将面临高边坡问题,不合理的高边坡设计严重浪费土地资源,造成环境破坏和投资增加,也为基础设施带来巨大安全隐患。基于此,以陕西省子长市某煤矿工业广场高边坡为例,借助现场调查、理论分析和数值模拟等手段,综合考虑边坡抗冲刷性和整体稳定性,探讨不同数量、位置和宽度的宽平台对高边坡的应力、应变场和稳定性系数的影响规律,结合模型的开挖量,选取满足稳定性要求且开挖量最少的最优坡形。结果显示:陕北地区粉黄土高边坡最优单坡坡率为1∶0.75,坡高5~6 m;宽平台能改变潜在滑移面位置,当宽平台位于坡脚或坡顶时,潜在滑移面分布以宽平台位置为界,分布于宽平台以上或以下边坡;当宽平台连续分布且宽度较大时,高边坡可视为2个独立边坡来分析计算;高边坡最优坡形为:30 m高边坡单坡高5 m、坡率1∶0.75,窄平台宽度3 m,布置2个宽平台、位置(3)(5)、宽度10 m;50 m高边坡单坡高5 m、坡率1∶0.75,窄平台宽度3 m,布置4个宽平台、位置(3)(5)(8)(9)、宽度14 m。宽窄平台优化组合方式可为陕北地区粉黄土高边坡设计和防护工作提供理论依据和实际指导。
  • 作者(Author): 高林, 刘鹏泽, 张盼栋, 吴桂义, 康向涛

    摘要:倾斜煤层沿空半煤岩巷由于围岩结构的非对称性和非均质性,受采掘扰动影响,巷道围岩呈现更严重的变形破坏。为揭示不同基本顶断裂形式对倾斜煤层沿空半煤岩巷围岩稳定性的影响规律,采用数值模拟方法针对该类巷道4种基本顶断裂形式下巷道围岩变形特征进行了研究。结果表明:基本顶断裂线位置对该类巷道围岩稳定性的影响程度由小到大依次为:采空区侧、煤柱上方、实体煤侧、巷道上方;基本顶断裂线位于采空区侧时,煤柱轴向、横向应力增速均小于其他情况,垂直位移也最小,煤柱变形在允许范围内,可保持后期对顶板的支承能力,对巷道维护最有利。在此基础上,以贵州某矿1511工作面回风巷为工程背景进行了工业试验,通过理论计算和现场钻孔探测综合分析得出,为避免基本顶断裂线位于煤柱上方靠巷道侧,下一步掘进时煤柱宽度应由3 m改为5 m。掘采期间断面检测结果显示,断面最大收缩率为23.3%,最大非对称变形率为5.2%,巷道整体均匀协调变形,进一步验证了研究成果的可靠性。
  • 作者(Author): 李全贵, 邓羿泽, 胡千庭, 张跃兵, 宋明洋, 刘继川, 石佳林

    摘要:水力压裂作为煤层强化增透技术的一种,其应力演化特征及裂隙形态与扩展范围的判断尤为重要。采用离散元数值方法,以导向压裂为背景,建立水力压裂流固耦合模型;通过应力路径、裂纹热点图等手段,探究水力压裂过程中压裂排量、泊松比、天然裂隙密度对应力演化和裂隙演化的影响及其细观规律。结果表明:不同压裂排量下的应力演化方向及最终应力路径曲线形状有着明显的不同,低排量下裂隙附近的应力比值逐渐增大,而在高排量下先增大后减小;煤层泊松比越大,平均压裂半径越低,但对起裂时间及裂隙的扩展形态影响不明显;天然裂隙的发育情况对水力裂隙的扩展起着关键性作用,高裂隙发育煤层水力裂隙扩展的方向性无法预测,应力演化方向会出现反转现象;压裂过程中不同区域的应力演化特征能够反映出裂隙的扩展状态,现场可通过监测压裂区域附近应力变化,判断水力压裂缝网的扩展范围。
  • 作者(Author): 刘世奇, 方辉煌, 桑树勋, 胡秋嘉, 段卫英, 贾慧敏, 毛崇昊

    摘要:随着煤层气勘探开发的深入,多煤层合层排采受到广泛关注。合层排采管控工艺是确保煤层气合采井高产稳产的关键,而多煤层组合条件下复杂的地质条件增加了合层排采管控的难度。数值模拟技术是研究煤层气井合层排采管控工艺的有效手段,科学、可靠的模拟结果可为合采井排采管控提供依据。考虑温度效应、煤基质收缩效应、有效应力作用对煤层流体运移规律以及渗透率等煤层物性参数的影响,建立煤层气直井合层排采生产动态过程多物理场耦合数学模型,并进行有限元法的多物理场耦合求解。通过对沁水盆地南部郑庄区块煤层气合采井组的模拟,探讨不同排采速率下煤层气直井合层排采产气效果及渗透率等煤层物性参数动态演化特征,提出煤层气直井合层排采工程建议。模拟结果显示,郑庄区块3号、15号煤层整体含气量较高,煤层气合采井组具有较大增产潜力,提高排采速率对提高煤层气采收率的效果不显著;排采过程中,煤基质收缩效应对渗透率的影响强于有效应力作用,是提高煤层气井排采速率的保障,在确保排采速率不超过煤层渗流能力上限的基础上,适当提高排采速率可实现煤层气井增产。基于模拟结果,建议排采速率的调整以控制动液面或液柱压力为主;以3号、15号煤层气合采井增产为目标,产水阶段和憋压阶段,郑庄区块煤层气直井合层排采速率以液柱压力降幅0.12~0.20 MPa/d或动液面降幅12~20 m/d为宜,既可实现煤层气增产,又可避免储层伤害。
  • 作者(Author): 尹尚先, 孟浩鹏, 钱双彬

    摘要:为研究深部煤层开采底板破坏形态,提出考虑围岩应变软化和采空区接触的FLAC3D有限差分数值方法,以河北开平煤田林西矿2023工作面底板实测导水裂隙带为工程背景,结合朗肯土压力理论定性分析,研究深部煤层底板破坏特征。结果表明:采用应变软化本构关系代替常用摩尔–库伦本构关系能够对围岩塑性破坏后的力学状态更准确表述;采用“应变软化–空–弹性”模型转变的方法,达到模拟采空区顶板垮落后应力传递的效果,弥补了以往煤层开采模拟中采空区垮落后顶底板不接触的固有缺陷;通过采空区顶底板接触与否条件下应力、位移的对比,发现采空区是否接触对数值结果影响巨大,突出考虑采空区接触的必要性;根据模拟结果中塑性剪切应变率的变化,实现了底板滑移面的三维显示,形态为斜向采空区的半包围面状结构;结合朗肯土压力理论将底板塑性区与主动区、过渡区和被动区对应,3个区破坏形式分别为剪切破坏、剪切破坏、拉张与剪切的交互破坏。提出的考虑围岩应变软化及采空区接触的FLAC3D数值方法对煤层开采模拟实现了优化,并可为其他大变形后需考虑接触的工程模拟提供参考。
  • 作者(Author): 曹运兴, 张海洋, 张震, 刘高峰

    摘要:断层带是煤与瓦斯突出发生的主要地质单元。大量煤与瓦斯突出案例统计显示,对于正断层,发生在上盘的突出次数和强度明显大于下盘,但造成这一现象的地质机理研究不多,特别是正断层上盘的地应力场在采动前后的变化规律及其对突出发生的控制机理尚未完全揭示。基于此,以河南焦作矿区中马村煤矿DF4正断层为地质模型,应用FLAC3D软件,模拟研究煤层埋深分别为660、800、1 000 m,对应3种地应力场(σ1最大主应力、σH最大水平主应力、σh最小水平主应力、σv垂向主应力)状态σ1=σH,σ1=σv,σv=σH=σh条件下,采动前和掘进工作面逼近断层面过程中正断层两盘的地应力场变化规律,探索地应力分布对煤与瓦斯突出的作用。结果表明,未采动原始状态下正断层上盘的地应力值高于下盘;无论上盘巷道还是下盘巷道,在掘进工作面逼近断层过程中,断层上盘的地应力值总是高于下盘;特别是,在巷道掘进至断层面附近10 m时,原始地应力与采动应力在断层带发生积聚叠加,地应力值在断层上盘大幅度增高。采动前后地应力在正断层上盘集中升高,可能是导致正断层上盘更容易发生煤与瓦斯突出的决定性因素。此项研究可为预测和防治煤与瓦斯突出灾害提供理论依据。
  • 作者(Author): 孙致学, 闵成, 张婉露, 蒋永平, 于雪峰, 崔彬

    摘要:二元气驱技术(CO2/N2-ECBM)已成为煤层气增产的重要手段,明确CO2/N2在煤层中的竞争吸附规律以及对煤层物性的影响具有重大意义。利用分子模拟软件Materials Studio建立延川南煤层气实际区块温度、压力条件下的煤分子模型。基于巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法研究CO2/N2交替驱替煤层气技术中各注入阶段对CH4吸附的影响,明确CO2、N2对煤层孔渗物性的影响规律。结果表明:在CO2注入阶段,煤层中甲烷迅速解吸;煤中气体吸附总量上升,煤基质膨胀效应增强,导致煤的孔隙体积降低。而转N2注入后,由于N2分压作用使得CH4、CO2吸附量呈现出不同程度的降低;当ωN2/ωCO2≤0.6时煤分子中气体总吸附量迅速降低,而当N2饱和吸附后气体总吸附量保持稳定。煤层孔渗物性随着气体吸附总量呈现出迅速增大后趋于平缓的趋势。此外,ωN2/ωCO2>0.6后N2吸附率迅速降低,这会使得产出气中CH4纯度较低,导致后期提纯成本大大增加。因此,当ωN2/ωCO2=0.6左右时,CH4解吸量为最大值,煤孔隙率较高,最有利于煤层气的开发。
  • 作者(Author): 姜在炳, 杨建超, 李勇, 庞涛

    摘要:三维地质建模可直观、可视化评价煤层气动态抽采效果,为后续开发方案调整提供指导。借助三维地质建模软件,以晋城寺河煤矿西二盘区3号煤层为研究对象,基于寺河煤矿地质、产能数据分析和数值模拟,建立能反映煤层空间几何形态变化、构造特征及煤储层属性参数动态变化的地质模型,实现研究区煤层气抽采效果动态评价。利用构建的三维地质模型开展产气量、储层压力分布、剩余含气量等重要参数的预测,结果表明:寺河煤矿煤层气井不同排采周期预测的平均日产气量逐渐降低,影响范围逐渐扩大;研究区平均储层压力从2010年的1.31 MPa降至2022年的0.6 MPa,较2010年下降54%;研究区平均剩余含气量从2010年的15.7 m3/t降至2022年5.65 m3/t。研究结果可真实、客观地为三维地质模型在煤层气抽采效果评价中的应用提供科学依据。
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  • 2022中国(济南)国际煤炭采矿展

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