comsol在岩土工程中的应用研究

实例应用
冒落区瓦斯 扩散算例
矿井突水 算例
Brinkman方程与Darcy对比
n ⋅ δ K k η ∇ ( p 2 + ρgD ) = 0
研究结果
u=0
u = u0
区域 2 Brinkman 流动
p
p 2 = 1e6 Pa
2
=
p
区域 1 Darcy 流动
p = 1e5 Pa
模式2 模式1
区域1、2 分别 为Darcy、 Brinkman流域
d
研究内容
vd10 1 Re = kj ; Re = μ 0.75n + 0.23 μ
非线性 渗流方程
Forcheimer方程描述流体在孔隙介质中快速运
动形成动力、渗透压力作用下的运动规律.
非线性 渗流方程
Brinkman方程描述流体在孔隙介质中快速运动
形成剪切力、渗透压力作用下的运动规律，适合表述 孔隙介质中的Darcy流与流体管流之间的过渡区域， 较适合采动破碎岩体非Darcy快速渗流特点
工况1—Darcy区域和Brinkman区域渗透率一致 工况2—Brinkman区域渗透率提高10倍但边界流量和工况1一致 工况3—Brinkman区域渗透率提高10倍并且保持边界恒定高压力
(2)采空冒落区瓦斯扩散-通风对流模型研究
研究结果
• 采空区也是逐步形成的，采空冒落区经历了采空冒落和逐 步压实过程，沿煤层开采的推进反方向透气系数逐渐降 低；同时临近工作面的通风巷道补给冒落区的进风、回风 边界也在不断推进，上下煤壁边界和落煤瓦斯补给量按汇 源项补给，右侧煤壁瓦斯补给量按浓度边界补给，在1e4―1e-6mol/m2·s量级之间，都随着瓦斯浓度分布动态变 化。
973 计划
h1
h
h2
阻水带
h3
导升带
流体流动方程分析 Darcy 渗流方程
研究内容
Darcy渗流方程以线性层流为主、忽略流体惯
性力，适合低渗透多孔介质。水流在含水层中的流 动符合这个方程 k u = − ⋅ (∇p + ρgZ )
η
N-S 方程
Navier-Stokes方程描述流体在重力、黏性阻
u
chns
= u chns 2
)
chns 2
= u esdl
=
p
esdl
p
chns 2
Brinkman
η (∇ u chns + (∇ u chns ) T ) = 0
Pchns = P0
陷落柱突水计算模型
=
p
Darcy uesdln
esdl
p
chns 2
p
esdl
=
p
chns 2
u
⎛ k ⎞ W 距离 /m ( ) ⎟ n ⋅⎜ p gZ ρ = − − ⋅ ∇ + esdl ⎜ η ⎟ S ⎝ ⎠
矿体
网格图
应力场
应力场截面
破坏区结果
破坏区截面
实例2——突水突出非线性 渗流 《深部煤炭资源赋存
《煤矿突水机理与防 治基础理论研究》项 目拟解决的科学问题 “矿井突水预测与控制 的基础理论与方法” 规律、开采地质条件 与精细探测基础研究》 项目拟解决的科学问 题“深部煤矿床瓦斯赋 存规律及成灾动力学” 的专题研究项目“深部 煤层瓦斯赋存机制及 影响因素研究
上海 COMSOL 软件应用交流汇报
COMSOL 系统在岩土工程中应用
杨天鸿 东北大学 资源土木工程学院
自我介绍
•
•
杨天鸿，1968年生，辽宁人。1991年中国 矿业大学毕业，1998年煤炭科学研究总院 硕士毕业，2001年东北大学工程力学博士 毕业。 东北大学 采矿工程研究所副所长，工程 力学、采矿工程教授，博士生导师。先后 多次赴香港大学和澳大利亚西澳大学开展 合作研究。中国岩石力学与工程学会理 事，入选辽宁省青年科技奖和教育部新世 纪优秀人才支持计划、百千万人才工程国 家级人选和国务院政府津贴。 研究方向：岩土工程渗流力学应用
•
1 2 3 4
应用背景 特色 几个应用结果 结论
1
应用背景
矿山等岩土工程事故是水、瓦斯等 复杂环境因素相互作用诱发的灾害 结果
边坡失稳 露天矿 溃沙涌水 地热灾害 瓦斯突出 矿井突水
2
Comsol 特 色
COMSOL Multiphysics（CM）是基于偏微分方 程求解的有限元数值分析软件，它与其它有限元程 序的本质区别是其专门是针对多物理场耦合问题求 解 而 设 计 的 ， 并 给 用 户 提 供 了 用 MATLB 语 言 或 COMSOL Script的强大编程功能，易用实现耦合方 程的建立和有限元实施。
0.001 0 2 4 6 8 10 x /m 12 14 16 18 20
速度随时间变化曲线对照图
1 0.9 0.8 0.7 压 力 /MPa 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6 8 10 x /m 12 14 16 18 20
模式1时t=1h 模式1时t=5h 模式1时t=10h 模式2时t=1h 模式1时t=5h 模式1时t=10h
微震监测情况
微震监测情况
监测的声发射信号
三维建模
勘探线布置图
计算模型
根据济钢 张马屯铁矿 矿区工程地 质资料，包 括矿区工程 地质剖面 图，大围幕 区工程地质 剖面图，矿 区及大围幕 区各钻孔资 料，工程地 质及水文地 质报告，对 矿区矿体及 各地层进行 三维地质建 模。
计算模型
帷幕 砂砾石 闪长岩 大理岩 闪长岩
A2 A 3
15 20 25 30 35
A4
40 45 距离/m
流速分布图
压力分布图
工况1—Darcy区域和Brinkman区域渗透率一致 工况2—Brinkman区域渗透率提高10倍但边界流量和工况1一致 工况3—Brinkman区域渗透率提高10倍且保持边界恒定高压力
断层突水速度场
断层突水压力分布
3
几个应用结果
实例1—7
实例1——张马屯铁矿现状
济南钢城矿业有限公司（原张马屯铁矿）床位于济南市东 郊，北有济青公路（工业北路），南有胶济铁路，东邻济南 铁厂，西与济南黄台电厂相对，矿区周围是周、靳、郭三个 自然村和肥沃良田，属于“铁路公路下、建筑物下、村庄良 田下‘三下’ 开采” ，地表不允许塌落。张马屯铁矿矿床位 于矿区中部济南辉长岩体东部接触带，是济南铁矿区中规模 较大的一个矿床，为隐伏矿床，由东、西两个矿体及少量零 星矿体组成。
回风口 不透气边界 浓 度 补 给 边 界
浓 度 边 界
采空冒落区
进风口
不透气边界 推进方向
/ Pa
岩石冒落碎胀系数分布
通风压力分布等值线图
/ mol/m3
95% 55% 15% 5% 35% 75%
通风流速分布流速矢量图
2d时瓦斯浓度分布等值线图
/ mol/m3
55%
95% 75%
与采用Darcy方程 计算结果对比(5d)
Brinkman区域流速不但显 著大于Darcy区域，而且 没有明显的速度梯度变 化，表明即使相同的渗透 率，流体在Brinkman区域 渗透阻力小于Darcy区域。 Brinkman区域压力下降不 但快，而且达到稳定的时 间也比用Darcy方程描述 的要快很多，同时带动 Darcy区域渗流速度的提 高和渗流压力的下降。
⎧(η / k ) ⋅ u = ∇ ⋅ − pI + η (∇u + (∇u )T ) + F ⎨ ⎩∇ ⋅ u = 0
(
)
技 术 路 线 理论研究
采动岩体渗流问题
瓦斯突出
建立Brinkman方程 及扩散—渗流方程
矿井突水
建立损伤渗流 耦合方程
技术路线
有限元数值模拟
数值模拟
基于COMSOL Multiphysics渗流耦合 量化数值计算平台
Darcy Brinkman
chns 2
= uesdl
p
esdl
=Hale Waihona Puke pchns 2η (∇u chns + (∇u chns ) T ) = 0
Pchns = P0
Navier-Stoke
断层突水计算模型
u
chns
= u chns 2
(− p
chns 2
I + (1 ε p )⋅η (∇uchns 2 + (∇uchns 2 )T ) ⋅ n = − pchns ⋅ n
微震监测系统
钻孔编号 第四系 注浆孔 铁矿体
闪长岩
大理岩
水泥注浆帷幕是矿山的基本安全屏障，因此对帷幕 成功完善的监测是矿山微震监测系统的第一要务。根据 矿山实际地质条件，对矿山具有潜在的突水构造进行分 析和总结，是透过微震数据来判定突水危险等级的基本 条件。
微震监测情况
2008年4月份的定位事件图
力和压力作用下的运动规律，考虑了流体静压能、 动能和势能平衡，以流体动能为主，不考虑渗透阻 力的作用，突水后水流在巷道内流动符合这个方程 ⎧ ρu ⋅ ∇u = ∇ ⋅ (− pI + η (∇u + (∇u )T ) ) + F ⎨ ⎩∇ ⋅ u = 0
非线性 渗流方程
非Darcy方程描述流体在孔隙介质中快速运动形
)
距 离 /m
研究结果
流速
A3
A4
/m/s？ /s
A2
陷落柱突水速度场
A1
距 离 /m
距离/m
压力 /Pa？/s
陷落柱突水压力分布
距离/m
从含水层到巷道（A1-A4）流速与压力分布曲线(沿A1- A2- A3- A4方向)