《煤田地质与勘探》数值模拟技术典型应用案例（四）· 虚拟专题

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，本刊以近两年发表的论文，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。

行业视野: 煤田地质与勘探
类别; 31个
关键词; 30位
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大变幅加卸载下特厚煤层底板断层突水机理模拟研究

作者(Author)：李浩, 朱开鹏, 郭国强, 周杨, 康志勤

摘要：特厚煤层采场空间大、扰动范围广，强烈大变幅荷载易导致底板断层破裂加剧并诱发水害。数值模拟是揭示特厚煤层底板断层活化与突水机理的重要方法，准确反映大变幅加卸载下岩体破裂与裂隙水耦合特征是其合理性的关键。构建损伤变量与塑性应变、应力之间的相关关系，得到完整岩块的拉、加压卸载损伤演化方程；以平方拉剪应力与Benzeggagh-Kenane为初始、完全断裂准则，建立塑性位移与强度劣化关系，建立加卸载韧性断裂本构关系；基于实验数据建立贯通裂隙加卸载剪切本构关系。以基本方程与状态方程为基础，结合浸没边界方法，形成裂隙岩体水力学模拟理论。由此编制流体动力学−有限离散元CFD-FDEM耦合程序，模拟研究特厚煤层底板断层活化突水过程。结果表明：CFD-FDEM耦合程序可数值实现特厚煤层底板断层从(准)连续体到离散体转化，以及断层带裂隙水运移过程。底板断层采动破坏包络线呈W形，最深位于断层及其上盘(48.6 m)，最浅位于断层下盘(23 m)。特厚煤层采场底板断层及其上盘受到较大超前集中应力，而后在采空区内大幅卸载，导致该位置出现显著二次破坏，并形成主要导水通道。研究成果为特厚煤层工作面底板断层水害防治提供理论支撑。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

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新型射孔动态仿真模拟及适用性评价

作者(Author)：毕刚, 元沛杰, 韩斐, 付帅帅, 吴捷敏, 马颖

摘要：射孔完井技术的发展与完善对油气田的高效测试和开采具有重要的现实意义和实用价值。但低渗透储层(如低渗煤层)采用常规聚能射孔完井时，存在压实损坏带，导致渗流阻力大、产能降低等问题。为改善低渗透储层的开发效果，提出了自清洁、后效体等新型射孔技术，但其射孔效果、适用性等问题尚不明确。基于LS-DYNA 的显示时间积分算法及流固耦合机理，形成地层−水泥环−套管−射孔弹动态射孔有限元模型建立方法，制定了不同射孔技术条件下动态射孔数值模拟方案，建立了不同射孔技术的有限元模型，并开展了不同射孔技术动态射孔仿真模拟研究，基于数值模拟研究结果，对2种射孔技术的适用性进行了分析研究。结果表明：自清洁和后效体射孔较常规射孔孔深有所下降，但孔径较常规射孔扩大15%左右。孔深和孔径与抗压强度、弹性模量、围压成反比，与孔隙率成正比，负压对单一射孔效果的影响较小。针对中孔低渗、低孔低渗油气藏，自清洁、后效体射孔技术孔道容积较常规分别增大9.55%、12.23%左右，射孔效果突出。上述研究结果可为自清洁与后效体射孔技术的设计与应用提供理论支撑，对两种射孔技术的发展及其对低渗储层(如低渗煤层)油气井的增产有着重要的意义。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

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复杂地形瞬变电磁三维正演模拟与地形效应分析

作者(Author)：屈少波, 朱姣, 姜志海, 李毛飞, 何治隆

摘要：目前，地面瞬变电磁法凭借其优势已被广泛用于煤矿水文地质勘查中，然而，在野外实际勘探中，复杂地形环境常导致发射源几何形状的改变与信号接收偏差，降低了勘探精度。为此，采用理论分析、数值模拟和实际地形数据分析相结合的方式，系统研究了复杂地形条件下电性源与磁性源瞬变电磁场的响应特征。首先，基于二阶后退欧拉离散的矢量有限元正演模拟技术，详细探讨了山峰和山谷地形位于接收点和发射源位置时，对两种源系统的影响规律。结果表明：电性源系统会出现响应变号现象，源导线位置高于周围地形时响应增强，反之则被削弱；而磁性源无变号现象，但响应变化规律与电性源类似。其次，利用实测地形数据，采用四面体网格建立与实际地形高度吻合的三维正演模型。模拟结果显示：早期响应曲线能够清晰反映地形细节，曲线形态与地形特征一致；而晚期响应则逐渐趋于平缓，体现了深部背景的影响。研究成果可为复杂地形条件下瞬变电磁法的勘探装置布设、数据采集、处理和解释提供理论指导，对提高煤矿水文地质勘探精度具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

219

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基于2.5D有限元的高密度电法不同装置勘探效果研究

作者(Author)：赵荣春, 吕玉增, 张智, 韦柳椰, 潘泓序

摘要：高密度电法是一种适用性广泛的电阻率勘探方法，拥有多种电极排列装置选择。不同装置由于电极分布方式的差异，在针对不同地质目标和测区环境时往往表现出明显不同的探测能力。为探究各排列装置的特点及其适用情况，推导了2.5D电位的变分问题，采用Delaunay三角化算法实现了非结构化网格剖分，进而实现了有限元正演模拟。结合实践，对常见地质情况进行建模，分别使用温纳α、温纳β、施伦贝谢尔、偶极−偶极4种装置开展正反演对比研究。研究发现：(1) 在探测未知区域单个异常体时，温纳β、施伦贝谢尔2种排列的效果更好；(2) 在探测相邻较近的多个异常体时，应优先采用具有更高水平分辨率的施伦贝谢尔和偶极−偶极排列；(3) 对于低阻破碎带的勘探，温纳β和偶极−偶极排列更为适用；(4) 当地层具有较好分层界限时，4种排列均可体现良好的分层效果。因此，高密度电法勘探实践中应综合考虑不同排列装置的特点，根据具体情况选用合适的多种排列方式进行测量，并对采集数据进行综合对比分析，以获得更为准确的解释结果。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

95

4
表皮效应对井筒内地下水流速影响数值模拟研究

作者(Author)：汪启航, 李旭, 郭强, 蒯大伟

摘要：通常井内的地下水流速是由单井示踪试验或Aqua Vision流速流向仪测定得来，用以计算含水层中的地下水流速。由于表皮结构的影响，导致井筒附近的地下水流场发生变化，引起井筒内的流速与含水层中的流速存在偏差。为了探究表皮效应对井筒内地下水流速的影响，利用COMSOL Multiphysics软件，建立考虑表皮效应的地下水流数值模型，系统分析表皮厚度以及渗透系数对井筒中地下水流速的影响机制，根据模拟结果进一步评估利用井筒内地下水流速换算含水层地下水达西流速已有经验公式的可靠性。结果表明：(1)井筒附近表皮区域渗透系数越大，井筒内的地下水流速越大，且利用经验公式计算的地下水达西流速相对误差均小于0.23%，具有较高可靠性；(2)表皮区域渗透系数小于含水层渗透系数时，随着表皮厚度增大，井筒内地下水流速越小，经验公式计算结果的相对误差呈现增大趋势；(3)表皮区域渗透系数大于含水层渗透系数时，随着表皮厚度增大，井筒内地下水流速增大，计算结果相对误差总体上呈现减小的趋势，但其误差波动性较大，表明在该条件下经验公式计算的稳定性较差。结果显示表皮结构对井筒内地下水流速影响较大，在实际应用中要关注表皮结构的影响。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

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渤海湾盆地干热岩开发利用前景评估—基于开采优化数值模拟的认识

作者(Author)：江晓雪, 朱传庆, 丁蕊, 谢芳, 邱楠生

摘要：渤海湾盆地的大地热流高，5 000 m埋深地层平均温度为175℃，热储岩性以低孔低渗的变质岩、火成岩为主，具备形成干热岩资源的条件。基于大地热流、岩石热导率、生热率等热参数，利用COMSOL软件建立三维水热耦合的干热岩开采模型、分析不同井间距、注采速率、布井方式等差异开采方案下在100 a内对热储层温度的影响随开发时间的变化，选取最优方案并估算干热岩资源。结果表明：注采速率一定时，随着开采时间的增加，开采井水温度下降速率与井间距成反比；当注采井间距一定时，注采速率越大，开采井水温度下降越快，发生“热突破”的时间越早；其他条件相同的情况下，“两采两注”布井方案比“一采一注”布井方案获得的热量更多，开采效率更高。基于上述认识，确定研究区最优开采方案为：年限50 a、井间距400 m、注采量90 m3/h、“两采两注”方式。此方案下，可获得开采井水平均温度为172℃，对应全渤海湾盆地可采资源量为3.28×1019 J/a。以河北任丘市为例，按照民用住宅热负荷指标100 W/m2计算，利用最优方案进行干热岩的开采，仅需157.75 km2干热岩有利区即可满足全市居民供暖需求。因此，开发利用研究区干热岩资源，可增强华北地区能源供应保障能力，打造可持续发展的绿色低碳能源体系。

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煤田地质与勘探

2024年第01期

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