comsol煤巖體瓦斯、水滲流耦合過程數(shù)值模型及其在礦山工程中的應(yīng)用

1、、煤巖體氣、水滲透耦合過程數(shù)值模型及其在礦山工程中的應(yīng)用、東北大學(xué)楊天紅、三大物理過程、氣體壓縮過程、氣體吸附與分析過程、擴(kuò)散過程、滲透過程、應(yīng)力-滲透耦合過程等四個(gè)物理數(shù)學(xué)方程、(1)氣體滲流方程：四個(gè)物理數(shù)學(xué)方程最強(qiáng)大、最靈活和最弱的偏微分方程組模式(系數(shù)格式、通識(shí)和弱格式)。牙齒三茄子數(shù)學(xué)應(yīng)用模式：適合解決線性問題的系數(shù)格式；適用于解決非線性問題的一般格式；弱形態(tài)(Weak form)最靈活，特別適合邊界條件、時(shí)間序列復(fù)合模型，但應(yīng)用也比較復(fù)雜。通常，大多數(shù)物理問題可以使用常規(guī)模式解決。解決方法FEMLAB簡介，徐璐在其他物理字段中處理交叉合并項(xiàng)簡單有效。另一方面，考慮了每個(gè)物理場的偏微

2、分方程中徐璐其他場的影響。另一方面，每個(gè)物理字段的計(jì)算變量可以直接用于關(guān)聯(lián)關(guān)系定義。與腳本語言和Matlab語言兼容的牙齒軟件產(chǎn)品具有強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，特別適合創(chuàng)新理論研究。FEMLAB還具有強(qiáng)大的后處理功能。解決方法介紹了FEMLAB，1，基于數(shù)字視頻處理技術(shù)的煤層氣滲透過程數(shù)值模擬，數(shù)字視頻處理技術(shù)中經(jīng)常使用HSI色彩空間來表示數(shù)字圖像。因?yàn)檠例X圖像空間有利于人的肉眼感知。在HSI色彩空間中，顏色顯示為“Hue(飽和度)”、“Saturation(飽和度)”和“Intensity(亮度)”。其中，H表示肉眼可見的顏色，S表示基于白色的飽和度，I表示亮度。HSI中的色彩空間值可以從RGB數(shù)

3、據(jù)轉(zhuǎn)換。其中I的數(shù)字是r、g、b的算術(shù)平均值。(1)煤的精細(xì)數(shù)字圖像(2)圖像I值的分布，煤樣品的精細(xì)掃描照片和基于數(shù)值圖像技術(shù)的孔間隙分布，圖1(a)可以看到文獻(xiàn)18中提出的突出傾向性煤樣品的精細(xì)照片，煤樣品中樹葉形狀的斑點(diǎn)結(jié)構(gòu)。灰度較低的部分可以視為裂縫。圖1(b)顯示了圖像I值的分布。由此可見，I值很好地反映了煤的結(jié)構(gòu)特征。煤樣的每個(gè)組成部分中，孔間隙、滲透率和初始?xì)怏w壓力，在初始條件下，裂縫帶的氣體壓力高于煤基質(zhì)，因此氣體從裂縫帶擴(kuò)散到周圍，裂縫帶和基質(zhì)之間的氣體壓力索道繼續(xù)下降。(威廉莎士比亞、溫德夏、煤氣、煤氣、煤氣、煤氣、煤氣、煤氣、煤氣、煤氣、煤氣、煤氣、煤氣)時(shí)間t=1e04

4、 s為止，煤氣開始集中流向排水溝。最終，在t=1e06 s左右，煤樣內(nèi)的氣體壓力等于出水口指定的壓力，氣體流動(dòng)過程停止。t=1e-01st=1e 01 ST=1e 01 ST=1e 02 ST=1e 03 ST=1e 04 ST=1e 05 ST=1e 06 ST=1e 07s，氣體壓力和泄漏速度此處與點(diǎn)C點(diǎn)A、B、E位于基質(zhì)中，初始?xì)怏w壓力為1.0 MPa。T=10 s以前，隨著氣體排放，裂縫帶中的氣體壓力逐漸降低，煤基質(zhì)中的氣體壓力繼續(xù)增加，表明氣體繼續(xù)從裂縫帶滲透到基質(zhì)中。T=10 s時(shí)，采樣中的氣體開始集中流向排水孔，最終在t=1e5 s時(shí)，采樣中的氣體壓力達(dá)到排水孔的壓力值0.1 M

5、Pa。樣例中5個(gè)點(diǎn)(A、B、C、D、E)的氣體壓力時(shí)間曲線，下圖顯示了5個(gè)特征點(diǎn)的孔間隙的變化曲線。與氣體壓力的分布曲線一樣，在裂紋區(qū)域的點(diǎn)C和D處受到外部邊界應(yīng)力的影響后，孔間隙從初始值0.2減小到0.1855和0.188。隨后，隨著氣體繼續(xù)釋放，氣體壓力降低，有效應(yīng)力增加，孔壓縮，氣體壓力減少，孔間隙繼續(xù)減小。煤樣品在氣體滲透過程中的孔隙變化(斷層的點(diǎn)C和D)，但是，如下圖所示，煤基質(zhì)中t=1e-02s首先因煤的變形而減少孔隙，但隨著氣體從裂縫滲透到煤基質(zhì)中，隨后氣體開始集中流入排水口，整個(gè)煤樣品的氣體壓力繼續(xù)減小，有效應(yīng)力增加，因此孔縫繼續(xù)減小。，(2)本文提出的模擬參數(shù)下，應(yīng)力場對(duì)煤的

6、壓縮對(duì)滲透性的影響大于Klinkerberg效應(yīng)和氣體解吸效應(yīng)引起的滲透率變化。因此，總的來說，煤層滲透率降低，隨著氣體繼續(xù)排水，滲透率進(jìn)一步降低。2 .洛河口氣體濃度擴(kuò)散-對(duì)流和風(fēng)流場數(shù)值模擬，氣體濃度擴(kuò)散-對(duì)流場基本方程：Darcy方程，洛河口破碎巖石壓縮過程中氣體流場，鄭智薰Darcy方程(石堆，土石壩流場)，洛河口氣體濃度擴(kuò)散-對(duì)流和風(fēng)流場數(shù)值模擬P流體壓力，pa流體密度，kg/m3；I單位向量；f流體阻力、落口氣體濃度擴(kuò)散-對(duì)流和風(fēng)流場數(shù)值模擬、風(fēng)流場基本方程：BR Inkman Equations : Fast Flow in Porous Media、落口風(fēng)流場、模型構(gòu)建、計(jì)算模

7、型和方案參考綜放工作面的具體尺寸均勻性(5個(gè)也就是說，大約一周的推進(jìn)時(shí)間瞬間完成了。假設(shè)牙齒期間每個(gè)區(qū)域的通氣系數(shù)分布不同。具體使用的計(jì)算模型相關(guān)條件如下：創(chuàng)建模型，創(chuàng)建模型，邊界條件：(1)通風(fēng)條件：左下20m是進(jìn)水口邊界，左上20m是通風(fēng)口邊界，壓差為100Pa，其他邊界是渡邊杏通風(fēng)的邊界。(2)擴(kuò)散條件：右側(cè)邊界為絕緣對(duì)稱邊界，其他邊界為補(bǔ)給，推進(jìn)區(qū)域1時(shí)上下邊界補(bǔ)給量為1.2e-6mol/m2s，還原項(xiàng)目為3e-6 mol/m2s，描述了氣體流量隨著開采動(dòng)態(tài)過程增加的氣體量。建立模型，初始條件：域內(nèi)氣壓，氣體初始濃度3mol/m3；推進(jìn)新工作面區(qū)域時(shí)，將初始補(bǔ)充濃度Cbc (3mol/

8、m3)添加到現(xiàn)有區(qū)域氣體濃度模擬結(jié)果C0，用作先前推進(jìn)工作面的初始濃度。創(chuàng)建模型、時(shí)間點(diǎn)：設(shè)置非均勻乘積步長增量、初始值7s、結(jié)束手指7e5s和100個(gè)中間時(shí)間值。計(jì)算參數(shù)：動(dòng)態(tài)粘度系數(shù)=1.8e-5pas，流體密度=1200kg/m3，擴(kuò)散系數(shù)D=2e-5m2，瞬態(tài)時(shí)間比例系數(shù)=0.55，創(chuàng)建模型，推拉區(qū)域，透氣性，(1 第1 7e5s瞬態(tài)時(shí)間域2 goaf氣體濃度分布，模擬結(jié)果分析，時(shí)間=7s氣體濃度，模擬結(jié)果分析，時(shí)間=7e3s時(shí)氣體濃度，模擬結(jié)果分析，時(shí)間=1.1e 5s時(shí)氣體濃度，模擬結(jié)果分析，第2階段推進(jìn)時(shí)A2-A2截面濃度變化曲線在第四階段推進(jìn)中，A4-A4截面濃度變化曲線，討論

9、，(1)，討論，(2)對(duì)于每個(gè)推進(jìn)階段，當(dāng)時(shí)間達(dá)到7e5s(8d左右)時(shí)，風(fēng)流基本上將牙齒地區(qū)的氣體濃度降低到安全范圍(接近0mol)，可以看出牙齒地區(qū)的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以前的區(qū)域。 上一區(qū)域左下部分(占整個(gè)區(qū)域的四分之一)的氣體濃度也可以有效降低，對(duì)其他區(qū)域氣體濃度分布的影響有限。討論，(3)如圖9所示，氣體濃度從沿工作面推進(jìn)的方向逐漸增大到臺(tái)階上，通風(fēng)量只能在一定范圍內(nèi)降低氣體濃度，而且離通風(fēng)口越遠(yuǎn)，氣體補(bǔ)給的時(shí)間和補(bǔ)給量就越大。討論，(4)模型的上下邊界都是供氣邊界，但模型的左下邊界是進(jìn)水口，因此氣體根據(jù)風(fēng)流對(duì)流有效減少。模型的左上邊界是通風(fēng)孔，氣體容易聚集在回流空氣的角落，因此氣體濃度很高

10、。3，3-d滲透耦合模型和瓦斯抽放，根據(jù)實(shí)際3-d煤層瓦斯抽放過程，橫向縱向大于10m10m10m的3-d計(jì)算模型，模型的左下邊界為胡同，3個(gè)瓦斯抽放孔K 1，K 2，K 3之間的距離1m，與水平面的45度分布，K1，K 3，(2)初始條件：內(nèi)部有1MPa的初始?xì)怏w壓力，三個(gè)排水口的壓力為0.25e5Pa。(3)時(shí)間步長：設(shè)定非均勻乘積步長增量、初始值1s、結(jié)束手指1e7s(約10d)和100個(gè)中間時(shí)間步長。(4)計(jì)算方法：在模擬外部載荷條件下(2MPa、10MPa、20MPa、0.1MPa)，氣體排水效果和滲透性變化規(guī)律。(5)計(jì)算參數(shù)：相關(guān)參數(shù)列表1中列出。，模擬結(jié)果分析，推進(jìn)區(qū)域2的計(jì)算

11、結(jié)果下圖顯示了曲面圖表(如1s、1.28e5s、1.08e6s、1e7s瞬態(tài)時(shí)間滲透系數(shù)分布和壓力)、滲透系數(shù)分布、時(shí)間1s時(shí)滲透系數(shù)分布、滲透系數(shù)分布、時(shí)間系數(shù)分布、時(shí)間Time1.08e6s時(shí)投資系數(shù)分布Time1s時(shí)壓力等曲面分布Time1.08e6s時(shí)壓力等曲面分布，壓力等曲面分布，Time1e7s時(shí)壓力等曲面分布，Z=0m切片位置氣體壓力時(shí)間變化分布，外部載荷0.1MPa，Z=0m切片位置氣體壓力時(shí)間變化分布，外部載荷2MPa Z=1 time 1 S2 time 1 e 5s 3 Tim e5e 5s 4 time 1 E6 S5 Tim e5e 6s 6 time 1 e7s；L

12、1 time 1 S2 time 1 e 5s 3 Tim e5e 5s 4 time 1 E6 S5 Tim e5e 6s 6 time 1 e7s，外部負(fù)載為0.1MPa 1 time 1 S2 time 1 e 5s 3 Tim e5e 5s 4 time 1 E6 S5 Tim e5e 6s 6 time 1 e7s 1 time 1 S2 time 1 e 5s 3 Tim e5e 5s 4 time 1 E6 S5 Tim e5e 6s 6 Tim e5e 6s 6 time 1 e7s，外部負(fù)載為10MPa時(shí)，L2位置氣體壓力隨時(shí)間變化1 time 1 S2 time 1 e 5s 3 Tim e5s 4 time 1 E6 S5 Tim e5e 6s 6 time 1 e7s，外部負(fù)