煤岩体瓦斯水渗流耦合过程数值模型及其在矿山工程中的应用课件.ppt

FEMLAB为专门求解耦合偏微分方程组的有限元分析工具。具有强大的处理功能：⑴ 它含有一些内嵌的经典物理模型，包括单物理场和多物理场模型，可以直接用于分析。 ⑵ 功能最强大、最灵活的还是其偏微分方程组模式：系数形式、通式与弱形式。这三个数学应用模式中：系数形式(Coefficient form)，适宜求解线性问题；通式(General form)，适宜求解非线性问题；弱形式(Weak form)，最为灵活，对于边界条件、时间序列复杂模型尤为适宜，但应用也相对复杂些。一般地，大多数物理问题均可采用通式模式进行求解。 ⑶ 对于不同物理场中交叉耦合项的处理简单有效。一方面，在各物理场的偏微分方程中考虑了不同场的影响；另一方面，各物理场中的计算变量可以直接用于耦合关系的定义。 ⑷ 该软件带有Script语言并兼容Matlab语言，具有强大的二次开发功能，对于创新性理论研究尤为适合。此外，FEMLAB还有强大的后处理功能。 一、基于数字图像处理技术的煤层瓦斯渗流过程数值模拟 在数字图像处理技术中，人们通常采用HSI颜色空间来表述数字图像，因为该图像空间有利于人肉眼的识别。HSI色彩空间中，颜色用色度（Hue）、饱和度（Saturation）和亮度（Intensity）来表示。其中H表示了肉眼看到的颜色，S表示该颜色相对于白色的饱和度，I表示的亮度。HSI的颜色空间的数值可以从RGB的数据转换而来。其中I的数值是R、G和B的算术平均值。 图1（a）是文献[18]给出的具有突出倾向性煤样的显微照片，从中可以看出煤样中的叶状的碎斑结构。灰度低的部分可视为裂隙。图1（b）给出了该图像I值的分布。由此可以看出I值较好地反映了煤体中的结构特征。 瓦斯压力图 下图给出的瓦斯压力图可以看出瓦斯从中间井孔不断释放的整个过程。由于这里没有考虑煤层的补给，故瓦斯压力不断降低，最终煤样中的瓦斯压力降低到到内部孔边界的瓦斯压力，故瓦斯的运移过程停止。在初始条件下，由于裂隙带中的瓦斯压力比煤基质中的高，故瓦斯由裂隙带向外围的煤机制中不断扩散，使得裂隙带和基质间的瓦斯压力剃度不断降低。直到时间 t = 1e04 s后，瓦斯开始集中向抽放孔中流动。最终在t = 1e06 s左右时，煤样内的瓦斯压力和抽放孔中的给定压力相同，瓦斯流动过程停止。 下图给出了试样中5个点（其位置见瓦斯运移的数值模型 ）的瓦斯压力——时间曲线。其中，点C和D位于裂隙带中，具有较大的初始瓦斯压力（为3.0 MPa）。而点A、B和E位于基质中，其初始瓦斯压力为1.0 MPa。在t = 10 s前，随着瓦斯的抽放，裂隙带中的瓦斯压力逐渐降低，而煤基质中的瓦斯压力不断增加，这说明瓦斯从裂隙带向基质中不断渗流。当t = 10 s时，试样中的瓦斯开始集中往抽放孔处流动，最终在t = 1e5 s时，试样中的瓦斯压力达到抽放孔的压力值0.1 MPa。 下图给出了5个特征点的孔隙率的变化曲线。与瓦斯压力的分布曲线类似，在裂隙带的点C和D处，受到外部边界应力的作用后，孔隙率从初值0.2降低到了0.1855和0.188。随后，随着瓦斯的不断释放，瓦斯压力降低，故有效应力增加，所以，孔隙被压缩，所以孔隙率随着瓦斯压力的降低而不断降低。 但是，如下图所示，在煤基质中，t = 1e-02s时，首先是由于煤的变形导致了孔隙率下降，但是，随着瓦斯从裂隙带向着煤基质中渗流，故基质中的瓦斯压力会逐渐，所以导致了孔隙率的增加。此后，由于瓦斯开始集中向抽放孔中流动，整个煤样中的瓦斯压力不断降低会引起有效应力的增加，故孔隙率会不断降低。 主要结论如下： （1）由于裂隙带中的瓦斯压力比煤基质中的高，故瓦斯由裂隙带向外围的煤机制中不断扩散，使得裂隙带和基质间的瓦斯压力剃度不断降低。在某个时间后，瓦斯开始集中向抽放孔中流动。 （2）在本文给定的模拟参数下，应力场引起的煤体压缩是对其渗透性的影响要大于Klinkerberg效应和瓦斯解吸效应所引起的渗透率变化。故总体上煤层中表现出渗透率的降低，随着瓦斯的不断抽放，渗透率更是不断降低。 二、冒落区瓦斯浓度扩散-对流及风流场数值模拟 瓦斯浓度扩散-对流场基本方程： Darcy方程 冒落区破碎岩体压实过程中的气体流场 非Darcy方程(堆石体、土石坝流场) 冒落区瓦斯浓度扩散-对流及风流场数值模拟 通风流场基本方程： Navier-Stokes equations: Free flow适合通风巷道风流场 冒落区瓦斯浓度扩散-对流及风流场数值模拟 通风流场基本方程： Brinkman equations: Fast flow in porous media，适合冒落区风流场 模型建立 模型建立 模型建立 模型建立 模型建立 模型建立 模拟结果分析 模