数值模拟技术典型应用案例（二）_中国煤炭行业知识服务平台

数值模拟技术典型应用案例（二）

来源：煤田地质与勘探

鉴于工程应用及物理试验周期长、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，本刊选取2022年代表性论文，集中展现不同数值模拟软件在煤炭开采顶底板破坏规律、煤层顶板水平井施工参数优化、瓦斯抽采动态渗透率预测、煤矿区防治水、煤岩识别与地质异常探测、地热开发等领域的应用案例及效果，供不同领域研究借鉴，促进学者交流。

行业视野: 智能化
类别; 60个
关键词; 54位
专家; 11篇
论文; 2306IP
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深部变面长采场顶板破断演化的力学机制分析

作者(Author)：王新丰, 陆明远

摘要：不规则煤层开采容易引发顶板应力集中、矿压显现异常等问题，为探究变面长采场顶板破断规律与结构演化特征，针对工作面斜长由小变大的突变型采场不同开采阶段的几何特征与力学成因，运用小挠度薄板弯曲理论依次建立并解析4种边界条件的顶板结构模型。根据变面长采场顶板矿压分区显现特征，采用MATLAB与FLAC3D数值模拟方法分析顶板破断规律与宏观力学响应。通过系统分析与总结归纳，构建了变长工作面“三场三区三结构”的覆岩结构传递演化模式，提出了“两场两规律”的顶板分区破断效应。并通过典型工程案例的矿压实测进行应用验证。结果表明：变面长采场分为小面采场、变面采场和大面采场，小面采场顶板为缓压型结构，发生的是传统“O-X”形破断；变面采场顶板为突变型结构，顶板断裂产生的延长形与漂移形“O-X”破断裂隙与大面采场增压型结构顶板的裂纹发育特征较为相似，故将二者整合为全大面采场；全大面采场顶板发生的是“X-O”形破断，裂纹继续发展产生延长形破断，形成“两场两规律”的顶板破断理论。研究结论为探明变面长采场的覆岩运移本质，加强深部复杂煤层赋存条件下的顶板灾害防控提供了重要依据。

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煤田地质与勘探

2022年第10期

220

155
坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术

作者(Author)：郑凯歌, 王林涛, 李彬刚, 李延军, 杨欢, 杨森, 戴楠, 王豪杰, 王泽阳, 席杰

摘要：工作面上覆坚硬顶板往往不易垮落，破断后易形成动压灾害。以神东矿区布尔台煤矿为背景，针对典型坚硬顶板造成的强矿压动力灾害问题，采用数值模拟、理论分析的方法分析并揭示坚硬顶板弱化前后的应力演化特征及顶板破断机理，提出超前区域防治技术并应用于现场实践。结果表明：坚硬顶板破断演化特征分为3个阶段，即“长悬臂梁”阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段，其中“长悬臂梁”阶段支架上方顶板应力显著增大至6.8 MPa，破断前支架上方顶板应力为破断后的2倍，其临界破断产生的应力释放是引起强矿压的根本原因，这也是弱化改造控制的主要阶段。基于坚硬顶板灾害发生机理，提出“广域大空间”超前区域防治技术，阐述了绿色、精准、广域的防治优势，以及钻孔轨迹控制、封孔质量控制、多孔联动效应的关键技术及治理评价体系。结合数值模拟进一步验证防治技术的可靠性，当“长悬臂梁”结构弱化后，其破断前支架上方顶板应力为4.6 MPa，降幅32.4%，顶板破断演化特征3个阶段演变为来压前阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段，弱化后顶板各阶段支架上方顶板应力降幅达到32.4%～79.4%，表明预成裂隙弱面和降低坚硬层完整性能够有效改变顶板破断结构，显著降低来压强度。实践表明：压裂过程产生多次压降，降幅均达到3 MPa以上，探测裂缝发育长度达到30 m以上，压裂前后工作面周期来压步距降幅44.9%，支架来压载荷降幅18.1%，治理效果良好。研究结果可为类似矿区动力灾害治理提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

257

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考虑围岩应变软化及采空区接触的深部煤层底板破坏分析

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。

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煤田地质与勘探

2022年第05期

255

134
煤层顶板分段压裂水平井地质适应性分析与施工参数优化

作者(Author)：姜在炳, 李浩哲, 许耀波, 张群, 李贵红, 范耀, 降文萍, 舒建生, 庞涛, 程斌

摘要：煤层顶板分段压裂水平井是实现碎软低渗煤层煤层气高效抽采的有效技术。依托“十三五”国家科技重大专项课题，围绕煤层顶板分段压裂水平井煤层气高效抽采技术，采用理论分析、数值模拟等手段，对比不同地应力状态下裂缝的穿层扩展形态，研究水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角对裂缝转向扩展的影响，分析多簇射孔条件下裂缝的竞争扩展现象。结果表明：（1）煤层顶板分段压裂水平井技术应用于碎软低渗煤层煤层气开发具有避免钻井液污染储层、提高水平井钻井施工安全性、提高固井质量、提高压裂改造效果、控制煤粉产出等优势。（2）地应力是裂缝穿层扩展的关键控制因素。为保证裂缝穿层扩展，垂向应力需大于最小水平主应力，顶板最小水平主应力需大于煤层，并且层间应力差为1～3 MPa时，既能够保证裂缝的穿层扩展效果，也能避免裂缝的起裂和延伸压力过高；“上覆岩层–顶板–煤层”应力剖面为“低–高–中”型时，水平井与煤层顶面的距离对于裂缝的穿层扩展效果影响较大；推荐水平井水平段与煤层顶面距离小于2.0 m。（3）水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角越大，裂缝转向半径和转向距离越大，在压裂段间距相同的条件下，夹角为45°时缝间干扰程度比夹角为0°时强，不利于后续压裂段裂缝扩展，建议水平井布井方位与最小水平主应力方向夹角±15°以内。（4）对于分段多簇压裂，缝间应力干扰、压裂液流动摩阻、射孔孔眼摩阻共同导致各射孔簇裂缝非均匀扩展，可通过限流压裂、裂缝暂堵等手段促进裂缝均匀扩展。（5）工程试验取得了良好的产气效果，裂缝延伸特征与理论研究吻合度高。研究成果可为煤层顶板水平井的施工参数优化设计和推广应用提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第03期

181

160
沿抽采井筒的煤储层渗透率模型研究

作者(Author)：贾荔丹, 张林, 李波波, 吴学海, 高政, 王忠晖, 付佳乐

摘要：渗透率是表征瓦斯流动的重要参数，为保证煤矿瓦斯安全高效抽采，有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而，瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化，甚至出现抽采损伤，使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性，在圆柱坐标系下，考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响，构建温度影响的孔隙压力时空演化函数，据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明：建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性，即在恒定外应力的条件下，随抽采时间增加，不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓，煤储层渗透率先降低后升高；此外，同一煤储层位置处，考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低；通过讨论发现，随抽采时间增加，根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应，设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。

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煤田地质与勘探

2022年第10期

223

71
露天煤矿开采侧向帷幕控水原理与截水效果数值分析——以元宝山露天煤矿为例

作者(Author)：赵春虎, 王明星, 曹海东, 曲国文, 王勇, 郭英杰

摘要：露天煤矿开采过程中的矿坑疏排水是引起地下水资源流失的重要原因，寻求新的控水方法势在必行。以内蒙古赤峰市元宝山露天煤矿为研究对象，根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征，分析了露天开采驱动下帷幕墙体建设对地下水系统控制的基本原理，得出帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大、与补给水体距离越近是帷幕墙减少露天采坑涌水的基本思路。将露天采矿疏排水与地下水系统数值仿真研究结合，对露天煤矿开采与帷幕墙建设对矿坑疏排水强度影响程度进行预测分析，模拟结果显示，采用针对主要涌水段的局部帷幕工程方案，地下水仍然以露天矿采坑为降落漏斗中心，区域流场形态基本未发生重大变化，在未帷幕区段地下水发生了强烈的侧向绕流现象，初期（300 d）矿坑残余涌水量较之现有矿坑排水量最大减幅37.16%，而残余涌水量随时间增大趋势明显。按准全封闭型帷幕方案建墙后，地下水基本未发生绕流现象，矿井残余涌水量为先减小后增大的趋势，最大减幅达85.79%，且后期涌水量增加幅度不大，可见准封闭型帷幕建设方案较之局部帷幕方案对矿坑整体涌水量的减排作用显著。通过分析露天煤矿开采侧向帷幕控水规律，构建帷幕阻水条件下地下水系统仿真模型，评价帷幕截水减排效果，以期为露天矿区煤–水资源协调开发提供科学依据。

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煤田地质与勘探

2022年第07期

273

70
基于方位伽马的煤岩界面探测数值模拟研究

作者(Author)：陈刚, 陈龙, 李泉新, 刘志毅

摘要：为满足随钻方位伽马地质导向钻进需求，通过数值模拟研究围岩厚度和吸收系数不同情况下伽马射线强度响应值。模拟分析伽马探测器在含放射性地层条件下，伽马测量值API反映空间物理特征的差异性。在此基础上，建立八扇区随钻方位伽马钻进煤、泥、灰岩3层地质模型，模拟钻进煤层顶底板识别过程。模拟结果表明：当岩层吸收系数由0.08变为0.10时伽马射线强度减小一半，伽马幅度变化能够反映钻进地层岩性，而上下伽马变化顺序能够指示穿越煤层顶板或底板及分界面所在位置；当小角度穿层时，探测器到钻头的距离分别为1、3、7 m时，能够监测前方钻进8、6、2 m地层物性的变化。顺层钻进模拟可为地质导向工程提供技术指导，提高钻进效率减少无效进尺。

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煤田地质与勘探

2022年第10期

215

99
矿井孔中瞬变电磁探测异常响应特征模拟

作者(Author)：张军

摘要：为了解决常规矿井瞬变电磁超前探测方法受矿井外界干扰影响较大，异常体探测定位不精确的问题，提出一种在井下钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法，对接收线圈所处水平面不同位置、异常体不同方位的异常响应特征进行数值模拟。分析钻孔瞬变电磁探测原理，进行钻孔发射线圈与接收线圈的试验设计以及施工设计，对均匀全空间模型、均匀全空间异常体模型、异常体位于钻孔不同方位的三分量异常场响应特征进行系统分析。在低阻异常体与线圈垂直时，X分量、Y分量、Z分量异常响应最大，随着低阻异常体逐渐平行于接收线圈法向，异常响应逐渐减小，当低阻异常体完全平行于接收线圈法向时，X分量、Y分量、Z分量异常响应最小。通过以上认识，可以根据钻孔径向不同象限位置的异常场三分量组合形态不同，判断异常体所在钻孔的方位。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向，以孔口所在平面右向为X轴正方向，下向为Y轴正方向的坐标系下，钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“近似正弦曲线”或“近似反向正弦曲线”形态，通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限。通过这样的规律，可分析三维空间条件下异常体的空间位置及赋存状态。通过钻孔瞬变电磁超前探测异常响应特征的分析，可为钻孔瞬变电磁超前探测提供理论数据支持。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

229

58