《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; 46个
关键词; 49位
专家; 9篇
论文; 956IP
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蒙陕接壤区典型煤层开采顶板周期性变形破坏及涌水响应特征

作者(Author)：周振方, 董书宁, 董阳, 罗生虎, 薛建坤, 王治宙, 王淑璇, 尚宏波, 王甜甜, 王昱同, 王同

摘要：【目的】煤矿开采扰动破坏覆岩含/隔水层结构，造成集中涌水，影响矿井安全生产。【方法】以面临典型顶板砂岩水影响的蒙陕接壤区主采煤层3-1煤开采涌水过程为研究对象，采用物理相似材料模拟、数值仿真模拟、现场原位监测3种方法，并通过周边地质和开采条件相似矿井实测数据对比，分析3-1煤典型工作面开采煤体支承压力周期性演变规律、采空区覆岩垂直位移演变规律，定量获取实验室尺度顶板周期来压瞬间微震能量事件变化特征，综合确定顶板导水裂隙带随采发育特征，以及顶板涌水随覆岩周期来压变化趋势。【结果和结论】结果表明：工作面开采覆岩初次来压步距约40 m，周期性来压步距12～28 m，覆岩破断瞬间围岩周期性来压呈现“先增后稳定”的趋势，在推进至第5次周期来压(推进距离约140m)时，超前支承压力达到最大，覆岩周期性来压、破断瞬间垂直位移峰值随采呈现“之”字型变化特征，同样，位移监测数据、微震事件总能量、事件频次等综合指标指示，在第5次周期来压瞬间，覆岩垂直位移变幅达到最大值，塑性区发育高度基本稳定；导水裂隙带发育最大高度在120m左右，将直接沟通顶板直罗组砂岩含水层，地下水随采涌入过程呈现两种波动变化趋势，工作面全局尺度上呈现长周期“阶梯式”增长趋势，“阶梯式”增长周期约800 m，局部尺度呈现短周期“振荡”变化趋势，振荡周期16～48m，并表现出与覆岩来压周期之间的较强关联性。研究结果为工作面涌水量预测以及防排水系统布设提供参考。

煤田地质与勘探

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富油煤原位热解多物理场演化规律数值模拟研究

作者(Author)：杨甫, 程相强, 李明杰, 吴志强, 魏进家, 曹虎生

摘要：【目的】富油煤原位热解是一种具有清洁、高效、安全等优势的煤炭资源新兴利用技术，尚处于起步阶段，多物理场演化规律及关键工艺参数对富油煤原位热解过程具有重要影响。【方法】通过构建耦合流体流动、传热以及化学反应的多物理场数值模型，并与富油煤圆柱煤样热解实验的结果对比分析，以验证多物理场耦合模型的可靠性。根据先导性工程试验条件，采用均质/非均质渗透率模型研究了渗透率、热载体流量以及致裂区高度对热解过程中传热传质的影响。【结果和结论】结果表明，增大渗透率有利于快速生产，对于均质渗透率模型而言，当渗透率为1×10-12 m2时热解反应仅需38 d即可完成，建议对煤层进行冲击致裂使得煤层渗透率达到达西级别。而对于非均质渗透率模型，在加热前期增大热载体流量可以提高传质传热速率。热载体流量为0.12kg/s时，高渗区域热解反应完成仅需12 d左右。后期当中心高渗区域煤热解完成后，反应及渗流速率变慢，提高热载体流量对反应速率的影响较小。实际生产中建议前期选择较大的热载体流量(0.12 kg/s)促进高渗区域快速热解，更快产生焦油；后期可减小热载体流量节省成本。增大致裂区高度可提高热解速率，致裂区高度为6 m时，热解反应仅需130 d左右即可完成。实际应用中需综合考虑冲击致裂成本以及热解时间成本。

煤田地质与勘探

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煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

作者(Author)：张平松, 欧元超

摘要：【目的】底板突水受特定地质构造、水-岩-应力及采掘扰动等因素叠加作用影响，具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息，因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面研究成果进行了回顾，重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面研究进展，其中在模拟水-岩-应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景，分析当前底板突水物模试验领域存在的不足，并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物模试验水平，从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

煤田地质与勘探

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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

68

6
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

85

9
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

214

7
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

92

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

159

4