数值模拟技术典型应用案例（三）_中国煤炭行业知识服务平台

数值模拟技术典型应用案例（三）

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; 57个
关键词; 59位
专家; 11篇
论文; 2502IP
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太阳能补热热泵供暖实验及地温场热均衡模拟研究

作者(Author)：贾子龙, 郑佳, 张耀斌, 陈珂, 刘爱华, 李娟

摘要：为探索多能互补的清洁能源供暖技术，满足北京市村镇分散式建筑清洁供暖需求，在北京农村地区建设太阳能−地源热泵复合式系统，进行太阳能补热热泵供暖实验，并利用COMSOL软件开展地温场热均衡模拟研究。结果表明：相较单一地源热泵系统，太阳能补热热泵供暖方案下，地源侧出水温度提升23%，系统制热能效比(Coefficient of Performance，COP)和机组COP分别提升19%、25%；系统运行10 a，地源热泵系统单季节运行方案下总的取热量要多于间歇期自然恢复量，地温场总均衡为−8.91×109 kJ；单一地源热泵方式运行和太阳能补热方式运行在双季节情况下总的取热量小于总的排热量，地温场总均衡分别为4.220×109、1.084×1010 kJ。因此，双季节运行方案对地温场不会产生负均衡，反而会对地温场有一定的热量补充。地源热泵系统运行中加入太阳能补热，对地温场的影响更小，可显著提升系统和机组效率，该模式适用于北京农村地区特别是供暖需求较大的建筑。

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煤田地质与勘探

2024年第01期

150

21
西北生态脆弱区浅埋煤层保水开采隔水层稳定性评价方法

作者(Author)：李恒, 何滔, 郭宾

摘要：水资源保护与煤炭资源开采是西北地区面临的重要问题。保水采煤是西北地区实现煤炭资源与水资源协调发展的重要技术，其中隔水层稳定性评价是保水采煤技术的首要关键问题。针对西北生态脆弱区煤层埋深浅，地形切割强烈，近地表含水层变化较为复杂，传统的隔水层评价方法与实际水文观测情况存在较大误差等问题，提出采用三维地质建模和数值模拟相结合的方法以实现浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的精准评价。首先根据勘探信息和地形等值线构建直观可靠的三维地质模型以精细刻画地形切割及浅层含水层的复杂变化，然后选择典型工作面开展数值模拟分析煤层采动覆岩破坏特征以获取三维煤层模型各煤层点导水裂隙带高度，最后利用三维地质块体模型从全三维角度计算各煤层顶板点导水裂隙带高度与含水层覆岩厚度之差作为保水开采隔水层稳定性评价依据。以内蒙古鄂尔多斯满都拉煤矿为例，通过搜集区内36个钻孔柱状图与地形地质图构建精细化的三维地质模型并计算隔水层的稳定性。与2个井下积水区观测结果对比发现，传统方法计算的隔水层不稳定区未能准确反映南侧工作面充水区，而新方法计算的隔水层不稳定区更加精细，充分反映了第四系含水层受地形切割、风化、剥蚀的影响作用。研究结果表明，基于三维地质建模的浅埋煤层隔水层稳定性评价方法相对传统评价方法更能直观、精准刻画浅埋煤层采动对含水层的影响且适应性更强，能为保水开采提供精细化的评价指标。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

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46
黏弹介质槽波超前探测数值模拟与波场分析

作者(Author)：何帝秀, 姬广忠, 焦文杰, 张亚伟, 于坤

摘要：目前常用槽波超前探测掘进工作面前方隐伏断层，而实际煤层具有黏弹性，对槽波有吸收衰减作用。为研究黏弹煤层介质中槽波超前探测的波场特征和传播规律，基于Kelvin-Voigt一阶速度−应力方程，建立了三维含断层煤系地质模型，进行了三维有限差分数值模拟。结果表明：黏弹介质中反射槽波能量衰减大，其传播与衰减特征比完全弹性介质更符合实际煤层反射槽波传播特征。煤层Q值越大槽波超前探测效果越好，煤层Q值过小时，槽波超前探测效果差，可利用x分量的反射横波与z分量的P-S波超前探测。断层落差小于煤厚时，y和z分量的槽波超前探测效果都较好；落差大于煤厚时，可利用y分量进行槽波超前探测。断层夹角大于60°时，可利用y和z分量进行槽波超前探测；夹角小于60°时，可利用x和y分量进行槽波超前探测。研究结果可为煤矿槽波超前探测提供理论支持。

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煤田地质与勘探

2023年第10期

268

95
铬污染场迁移特性及双频激电监测技术研究

作者(Author)：韦凯耀, 刘志民, 梁晨, 张杰, 马强

摘要：重金属铬污染场迁移过程受多种不确定因素影响，其迁移特性和监测过程很难通过实验进行研究。依据地下水流动基本规律和污染物迁移机理，采用COMSOL软件仿真分析静储量铬污染源的迁移特性及其变化规律，通过开展静态土槽物理模型实验，验证数值正演模拟的可靠性和准确性；以迁移模型为监测基础模型，采用中梯剖面和对称四极测深装置，对铬污染场迁移过程进行双频激电法监测数值正演模拟，分析平整、起伏地形和测点方位布置对监测效果的影响。结果表明：在铬污染物迁移过程中，高渗透系数的透水层对重污染区域表现出强烈的吸附效应，同时会在短时间内加剧污染区域的横向扩散；在视幅频率峰值和视电阻率谷值的异常对应关系上剖面探测要优于测深探测；对称四极测深时，在污染场的投影边缘中央设置测点可更有效地提高测量精度；在进行剖面和测深探测时，山谷会造成激电曲线出现“多峰”现象；在凸起山峰两侧山陲设置供电电极，通过视幅频率和视电阻率曲线可综合确定重度污染区域的具体位置。研究成果丰富了双频激电法对重金属土壤污染场监测的理论，为铬污染场实时监测提供理论依据和技术指导，对推动生态环境保护具有积极意义。

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煤田地质与勘探

2023年第12期

334

27
井地联合压裂长输管路支撑剂悬浮运移规律模拟研究

作者(Author)：李浩哲, 姜在炳, 孙四清, 朱传勇, 范耀, 郭勇, 程斌

摘要：井地联合压裂是煤矿井下长钻孔分段压裂的发展趋势之一，压裂液经地面压裂泵加压后通过地面贯通井、煤矿井下长输管路进入煤矿井下长钻孔实施大排量压裂。支撑剂在长输管路中的悬浮运移规律对于优化设计加砂参数、避免管路中砂堵具有重要意义。通过室内实验评价压裂液的流变性能和携砂性能；基于欧拉−颗粒流理论构建数值模拟模型，研究水平管内支撑剂悬浮运移规律及其影响因素；探讨压裂液携带支撑剂运移的流态以及临界沉降流速的计算模型。结果表明：1%降阻剂的加入能够使活性水压裂液黏度提高3~5倍，支撑剂密度越小，压裂液黏度、砂比越高，支撑剂在压裂液中的沉降速度越小；支撑剂在水平管内的流动受到多因素的综合影响，压裂液流速越小，支撑剂密度和粒径越大，支撑剂在管道底部的沉积越严重，携砂效果越差；随着管路直径的增大，管道出口截面支撑剂体积分数最大的位置由管道中下部移动至管道底部，支撑剂流动对于管路的磨损加重；砂比越大，支撑剂间的相互作用越强，压裂液携砂能力降低；优选采用疏浚技术规范推荐的模型计算活性水携砂条件下的支撑剂临界沉降速度，随着管路直径的增大，所需的临界携砂排量呈指数式增大，提高压裂液黏度可降低携砂所需的临界排量。建立的携砂运移临界排量模型和总结的支撑剂运移规律可对管路直径和压裂液排量进行优化匹配，为井地联合压裂施工提供理论支撑。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

183

37
静态致裂作用下低渗厚煤层瓦斯增透数值模拟研究

作者(Author)：王新丰, 刘文港, 王龙, 韦友玉, 张乔

摘要：为提高煤层静态致裂井下作业效率，优化致裂布孔参数，以中煤华晋王家岭矿12316综采工作面胶带巷为实验背景，结合煤层变形破坏方程、瓦斯扩散渗流方程和煤层渗透率演化方程，构建煤层破坏及渗透率演化模型；采用FlAC3D-COMSOL Multiphysics对煤体静态致裂增透过程及影响因素进行数值模拟，揭示静态致裂作用下煤层应力分布、塑性扩展与瓦斯压力传递演化规律。通过优化选取致裂工艺参数开展现场试验，定量分析不同孔距下静态致裂过程中煤层瓦斯抽采量的变化特征。结果表明：静态致裂过程中膨胀应力在煤体内部沿致裂孔半径方向向四周均匀传递，单孔致裂过程中形成圆环状应力圈和塑性区；在双孔致裂条件下，两致裂孔内膨胀应力的水平叠加效果优于竖直叠加效果，使煤体水平方向破坏效果较竖直方向显著，且两致裂孔中间区域的煤层先于其他区域破坏。受静态致裂作用范围的限制，增透促抽后煤层内瓦斯压力大小与孔距呈正相关关系，煤层渗透率与孔距间呈负相关关系；现场试验表明，将孔距设为1.6 m以内进行静态致裂增透，在抽采负压为20 kPa条件下抽采30 d，测得致裂后瓦斯抽采纯量提升1倍左右，说明静态致裂对瓦斯抽采具有显著的卸压增透效果。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

259

47
煤层底板区域注浆浆液扩散数值模拟及影响因素分析

作者(Author)：郭艳, 桂和荣, 魏久传, 洪荒, 郭祥东, 崔亚利, 叶爽, 李俊

摘要：地面高压超前区域注浆已成为煤矿水害防治的首选工程方法，注浆浆液扩散机理受到普遍关注，且分支孔间距设计多依赖现场经验，具有一定的盲目性，制约着工程效果及效益。基于淮北煤田恒源煤矿注浆现场实际工况，利用COMSOL Multiphysics软件，开展地面定向钻煤层底板区域高压注浆浆液扩散数值模拟研究及浆液扩散影响因素分析，探讨地面高压注浆浆液扩散机理。结果如下：(1) 煤层底板石炭系太原组第三薄层灰岩(简称三灰)裂隙发育，通过模拟发现，8~12 MPa高压注浆时很可能发生劈裂作用，期间渗透系数增大4~5个数量级。(2) 不考虑重力影响时，以分支孔为中心，浆液向周边扩散距离相等，且在分支孔附近，浆液浓度较大，体积分数达20%以上；考虑重力作用时，水平向浆液扩散范围相对增大，垂向上浆液主要向下扩散，表现为“上短下长”。(3) 浆液扩散模拟得出，扩散范围为41.2 m；浆液扩散范围现场实测显示，扩散范围为38.3~44.0 m，浆液扩散现场实测验证了扩散模型的正确性。(4) 浆液扩散范围与浆液相对密度、静水压力、浆液动力黏度、浆液屈服强度及孔隙率呈负相关，与裂隙隙宽、渗透系数呈正相关。其中浆液相对密度越小，其扩散范围响应越明显；随动力黏度增加，扩散范围减小得越来越慢。研究成果可为煤系底板水害区域注浆治理工程合理设计提供参考，具有较好的参考应用价值。

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煤田地质与勘探

2023年第06期

275

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保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流机制数值模拟

作者(Author)：杨志斌

摘要：为了更加细微和形象地刻画保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流局部和整体发展过程，按照等流速原理构建了巷道进水口在给定水头边界条件下CFD-DEM流固耦合数学模型，在2 000 m3/h和20 000 m3/h突水水量等流速条件下，分别对有无保浆袋囊工况22 mm粒径骨料灌注堆积阻水体建造过程进行了数值模拟。结果表明：(1) 低流速条件骨料都能堆积接顶，高流速条件骨料都只能堆积至巷高的3/4，主要差异是有袋囊工况阻水体堆积至相同高度所需时长都更短且都具有高阻弱渗阻水性能。(2) 高流速条件阻水体不能局部接顶情况下，单纯增大骨料粒径仍然难以局部接顶，但是单纯增加骨料灌注速度可以局部快速接顶。(3) 分析有无袋囊工况阻水体建造结果差异原因，得到保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流机制其一是袋囊自身快速充填了部分阻水体空间，相当于提前完成了部分骨料铺底和充填阶段；其二是阻水体高阻弱渗的阻水性能，可以减少堵水后期阻水段快速升压阻水体突破再造次数，同时有利于补充注浆阶段浆液快速凝结。

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煤田地质与勘探

2023年第06期

232

91