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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自进式直旋混合射流钻头结构优化与钻孔能力分析

作者(Author)：杜鹏, 张汶定

摘要：自进式射流钻头作为水力喷射径向钻井技术开采煤系气的核心部件，对钻井效率有决定性影响。为获取直旋混合射流钻头结构的最优参数，采用Fluent数值模拟与室内钻进试验相结合的办法，分析不同钻头结构参数下三维流场的速度特性，给出优化准则，并通过钻进试验加以验证，得到钻头的最优参数：中心孔孔径1.2 mm，叶轮槽槽宽0.7 mm，叶轮长度4.5 mm，叶轮径向长度3.5 mm，倾角45°，混合腔腔长6 mm。并通过理论分析解释了不同参数对钻头钻进速度产生变化的原因，主要是通过影响直旋混合射流中直射流与旋转射流的通量，进而引起射流三维的变化。采用灰色关联分析法得出各参数结构对钻进位移的敏感性系数由高到低依次为：中心孔孔径、叶轮槽宽、叶轮径向长度、混合腔腔长、叶轮倾角、叶轮长度。室内钻进试验结果表明：优化后的射流钻头具有更高的钻进效率，在关联分析中对钻进效率影响最大的是直射流与旋转射流通量，且直旋通量比在0.54时，射流能量分配较合理。研究成果对径向钻井煤层气、天然气开采中钻头的设计与结构优化具有指导意义。

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煤田地质与勘探

2022年第07期

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岩溶构造对地埋管群换热效率影响数值模拟研究

作者(Author)：穆玄, 裴鹏, 周鑫, 屠洪盛

摘要：地埋管是岩体热泵系统与地层直接交换冷热量的部分。岩溶地区含水构造复杂多样，对地埋管群换热储热有明显影响。对27根垂直地埋管群在无岩溶构造、岩溶裂隙构造、岩溶管道构造以及混合岩溶构造4种地质构造类型中的换热过程进行了模拟，并对比了岩体内温度场、埋管出口水温、热泵机组制冷系数(COP)以及单位井深换热量等参数的变化。结果表明：在制冷工况下，不同模型温度场中，岩体中存在岩溶裂隙构造或岩溶管道构造时，地下水流动对岩体热堆积有明显缓解作用；岩溶导水构造与地埋管的距离也是重要影响因素。模型运行到第1个制冷周期末期时，含岩溶裂隙构造岩体和含岩溶管道构造岩体的进出口水温差比混合岩溶构造岩体的分别升高了0.87、4.00 K；无岩溶构造岩体进出口水温差比混合岩溶构造岩体的下降了1.16 K。无岩溶构造岩体、岩溶裂隙构造岩体、岩溶管道构造岩体和混合岩溶构造岩体的COP分别为7.2、7.4、7.8和7.3；单位井深换热量分别为64.1、90.3、130.7和79.1 W/m。研究结果表明，岩溶导水构造明显增强了地埋管群的换热效率，不同的地质构造类型对地埋管换热效率的影响也不一样。

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煤田地质与勘探

2022年第10期

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祁南矿东风井冻结温度场时空演化规律分析

作者(Author)：黄诗清, 荣传新, 龙伟, 马昊辰, 何骏珍

摘要：以安徽祁南矿东风井冻结法凿井为工程背景，以多圈管冻结的不同土性表土层为研究对象，基于冻结孔实际成孔位置，应用有限元软件COMSOL Multiphysics分别建立埋深218 m钙质黏土层位、埋深225 m细砂层位和埋深259 m砂质黏土层位3个不同土性、不同埋深的冻结温度场数值计算模型，并结合现场实测数据，分层计算分析了其冻结壁温度场时空演化规律，结果表明：在相同冻结条件下，埋深225 m细砂层位冻结壁有效平均温度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别低0.09～0.72℃和0.44～1.95℃，埋深225 m细砂层位平均有效厚度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别厚0.17～0.38 m和0.29～0.47 m；现场实测与数值计算均表明，各个层位冻结壁开挖时，其平均温度均低于–15℃，有效厚度均大于6.2 m,200 m以下深部表土层井帮温度低于–4℃，满足施工要求，冻结壁强度和稳定性均处于安全状态；冻结孔沿径向将冻结温度场划分为3个区域（A区、B区、C区），B区在冻结孔冷量叠加的影响下降温速度最快，A区降温速度适中，C区距离冻结管较远，且外部土体源源不断向其输入热源，降温速度最慢。该研究可为冻结法凿井中冻结壁的施工提供一定的理论参考。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

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