数值模拟技术典型应用案例（一）_中国煤炭行业知识服务平台

数值模拟技术典型应用案例（一）

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
类别; 88个
关键词; 99位
专家; 19篇
论文; 6749IP
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矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析

作者(Author)：赵春虎, 杨建, 王皓, 王世东, 周建军, 许峰, 刘基

摘要：矿井水深井回灌是矿井水“转移存储”处理的主要形式，根据鄂尔多斯盆地煤矿区地质和矿井水特征，从回灌目的层地下水与矿井水的匹配性、上下岩层的隔水性、回灌层的渗透性以及封闭性角度提出了矿井水回灌目的层选取依据。并以地下水达西定律和Dupuit理论为基础，建立极坐标系完整注水井稳定流数学模型，得出在稳定注水条件下，回灌量与注水层渗透系数、厚度、回灌压力、水位埋深以及回灌井直径正相关，与影响半径负相关，与回灌层埋深无关。提出了矿井水深层回灌水动力和溶质运移耦合仿真模型构建方法，并以矿井水回灌试验案例为分析对象，模拟得出矿井水回灌过程中含水层水压形成以注水井为中心的“高位水丘”，且注水压力越大，回灌量增加较为明显，模型分析结果与现场试验结果基本一致。溶质运移范围形成以注水井为中心的“圆柱状”弥散形态，特征离子浓度沿回灌井两侧变化剧烈，回灌层特征离子浓度被迅速稀释，随着时间的延伸，弥散稀释范围增加相对较小，说明矿井水回灌对深部高浓度含水层地下水水化学影响程度不大，研究成果可为西部煤矿区矿井水高效回灌处理提供科学依据。

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煤田地质与勘探

2021年第05期

545

229
瓦斯抽采钻孔间距优化三维数值模拟量化研究

作者(Author)：陈月霞, 褚廷湘, 陈鹏, 汤杨

摘要：为了识别钻孔间距对煤层瓦斯抽采的影响及如何实现高效抽采，基于流固耦合模型，建立三维几何模型，使其更接近现场实际，借助COMSOL软件模拟某煤矿钻孔不同间距的瓦斯抽采过程，利用瓦斯压力为0.74 MPa等压面三维立体图使有效抽采区域可视化，通过计算有效抽采区域体积大小，量化分析钻孔间距对抽采效果的影响。结果表明：单一钻孔抽采120 d时，有效抽采半径约为1.5 m；当布置多个钻孔且钻孔间距d为5 m，抽采120 d时，瓦斯压力为0.74 MPa的等压面围绕所有钻孔近似呈圆柱状但向内部凹陷(即出现空白带)；钻孔间距d为2.1、3、4、5、6 m时，有效抽采区域体积V的大小顺序随着时间的增长而改变，抽采120 d时，Vd=5 m>Vd=4 m>Vd=3 m> Vd=2.1 m>Vd=6 m。综合分析瓦斯压力等压面三维立体图和有效抽采区域体积的大小顺序，确定该矿钻孔的较优间距为4 m。研究提出的以有效抽采半径、叠加效应、三维瓦斯压力等压面的形状及有效抽采区域体积大小为指标的钻孔间距数值计算考察方法，可为煤矿井下钻孔间距优化布置提供参考。

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煤田地质与勘探

2021年第03期

254

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深水油气固井水合物储层物性响应与高压气水反侵研究

作者(Author)：郑明明, 王晓宇, 周珂锐, 王凯, 王治林, 董刚, 韦猛, 刘天乐, 贾东彦

摘要：固井作业是能源开采过程中的一道重要工序，当深水油气固井遇到水合物地层时，固井水泥浆水化放热会引起近井壁储层中水合物分解和产生高压气水反侵，从而严重影响固井质量，甚至导致固井报废和井壁失稳，为减小和避免水合物分解的不利影响，明确不同固井工艺条件下水合物储层的物性响应和高压气水反侵规律是关键。以南海神狐海域水合物钻探工程GMGS-1中SH2站位勘探井为研究对象，建立固井二维数值模型，采用TOUGH+HYDRATE数值模拟软件再现固井水泥浆侵入和水化过程，分析过程中近井壁储层物性响应规律，得出南海水合物储层不同固井压差与水泥浆放热速率条件下高压气水反侵的临界条件判别曲线，并创新性地采用“连续分段模拟”思路解决水泥浆的动态放热问题。结果表明：水泥浆初凝之前主要可分为诱导、分解和二次水合物生成3个阶段；侵入行为主要发生在保压时期，当压力卸去后侵入深度基本不再增加；水化放热造成的温度升高导致水合物大量分解，产生的高压气水向四周运移，而压力卸去之后，高压气水向环空方向反侵的趋势更加明显；水化放热速率越大，固井压差越小，气水反侵发生的可能性越大，发生时间越早。对于浅部水合物储层，降低固井水泥浆水化热可有效减少反侵现象的发生，提高固井质量，而对于埋藏较深的储层可在破裂压力范围内同时使用较高的固井压差。本研究对水合物地层固井工艺参数优选具有良好的指导和借鉴作用。

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煤田地质与勘探

2021年第03期

484

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基于FLAC3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析

作者(Author)：甘智慧, 尚慧, 杜荣军, 占惠珠

摘要：宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域，其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发，对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征，以宁夏石嘴山矿区为对象，基于FLAC3D数值模拟软件，建立缓斜煤层开采三维数值模型，计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律，并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化，与数值模拟结果进行相互验证。结果表明：地下开采引起应力重分布，采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象，最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势；越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大，随着远离采空区逐渐减少，开采完成后地表垂直位移最大值约12 m；随着采空区面积的不断增大，采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大，且以剪切破坏为主；地面沉陷盆地不对称，2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向，下山方向比上山方向影响范围更大；数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致，研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据，为地表沉降监测提供新方法。

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煤田地质与勘探

2021年第03期

384

495
无越流补给含水层对煤层气排采影响的数值模拟

作者(Author)：刘冰, 张松航, 唐书恒, 王鹏飞, 翟佳宇, 纪朝琪

摘要：沁水盆地南部煤层气井具有“高产水、低产气”的特征，然而也有部分井存在“高产水、高产气”的现象。一般来说，煤层气井高产水，多与沟通含水层相关。针对这种情况，基于沁水盆地柿庄南区块煤储层地质条件，结合煤层气直井排采的实际情况，利用数值模拟方法，采用气水两相多组分的三维煤储层模拟软件(SIMEDWin)模拟煤层气井排采中，沟通无越流补给含水层对储层压力变化及煤层气水产出规律的影响。结果表明：与无含水层影响的煤层气井对比，沟通无越流补给含水层的煤层气井远井地带压降幅度显著，高产气时间久，累积产气量多，排水量大，但见气时间较晚；含水层渗透率越大，气井日产气峰值越高；气井日排水量越大，产气速度也会越快，但产气速度在排水量达到一定值时不再增大。综合考虑，沟通无越流补给高渗透率含水层，增大日排水量到一定值更有利于柿庄南区块煤层气的增产。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

297

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软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯数值模拟及试验

作者(Author)：刘晓, 李勇, 宣德全, 胡世雄, 荆天祥, 徐森

摘要：水力冲孔是煤层瓦斯增透抽采的主要技术措施，其主要以出煤量考察卸压效果，但是也存在出煤量大、卸压不均一、应力易集中等问题。因此，提出软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术，考虑瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对本体变形的影响，建立应力场、裂隙场、渗流场耦合条件下的多物理场理论模型，并结合COMSOL数值模拟软件对软煤夹层水射流分支数、卸压影响范围内煤体的瓦斯压力和瓦斯含量变化规律进行了研究。研究表明：当水射流分支长半轴为2 m，短半轴为0.22 m时，水射流分支数为6个时较为合理；在相同出煤率情况下，相同时间内瓦斯压力和含量均随着与钻孔距离的增加而减小，抽采180 d，水射流层状卸压有效抽采半径约为常规水力冲孔有效抽采半径的2.14倍，且在有效影响范围2 m时，水射流层状卸压瓦斯含量降低量为7 m3/t，而常规水力冲孔瓦斯含量降低量为4.1 m3/t，水射流层状卸压瓦斯降低量为常规水力冲孔的1.71倍；在新义煤矿现场试验中发现，当水射流层状卸压出煤率为常规冲孔出煤率的0.29~0.71倍，抽采较高浓度瓦斯时长仍是常规水力冲孔的2倍。软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术的提出，对未来煤矿井下软煤夹层水力冲孔技术的发展有着重要的意义，为井下瓦斯的治理提供了新的方法和方向。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

271

162
深层地热能开发及其对地热水流场的影响——以兰考县深层地热能开发为例

作者(Author)：宋前进, 王刚, 许一川, 程磊

摘要：为了研究深层地热能开发对热储层流场造成的影响，选取兰考县深层地热能开发为研究对象，分析研究区新生代以来的地质结构和区域构造特征，调查地区地热开采情况及存在的问题。根据地热能类型分析了第四系Q、新近系明化镇组N2、新近系馆陶组N1等3个热储层特征，利用可控源音频大地电磁测深查明区内的断裂分布、热储层发育、隔水边界等条件，通过现场试验与测试手段查明不同部位热储层的参数指标，分区计算各层的地热资源量。根据开采方式、边界条件、水文地质参数建立数学模型，通过数值模拟预测出2023年Q热储层流场将恢复到原始流场模式，N2热储层流场漏斗效应持续减弱，N1热储层流场漏斗效应明显且分布不规则，为控制地热资源开发对环境造成的影响，提出封闭循环利用地热、同层加压回灌的开采方式及合理布局开采井、综合利用多层地热等措施，为本地及周边地区地热资源开发及环境保护提供参考。

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煤田地质与勘探

2021年第02期

552

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交变应力对套管损伤机理的影响

作者(Author)：安峰辰, 张飞扬, 易浩, 张遂安

摘要：水平井分段压裂技术已在低渗透油气藏及煤层气开发过程中得到了较为广泛的应用，并取得了良好的经济效果。但是，由于分段压裂会使直井段的套管承受交变应力作用，进而造成其在软硬交错地层处发生严重变形，从而影响压裂安全作业，甚至引发所有剩余压裂段报废。为探索其破坏机理，开发一个类似弹簧单元的用户子程序来模拟循环荷载作用下套管–水泥环界面的受力情况，并将该单元植入到套管–水泥环–岩层系统的ABAQUS轴对称有限元模型中，模拟水平井分段压裂过程中套管的力学行为。结果表明，在软硬交错地层中，采用水平井分段压裂时，注入压力与地应力之间的交变应力差会造成套管的大变形。此外，基于ABAQUS的数值模拟结果，采用FE-safe评估套管疲劳寿命，发现处于软硬交错地层处套管的疲劳寿命最短。基于上述研究，建议在具有软硬交错地层的低渗透油藏及煤层气储层中进行分段压裂时，应设法提高非压裂阶段压力，以减轻交变应力对软硬交错地层处的套管损伤。

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煤田地质与勘探

2021年第01期

482

144