工厂三维建模及其事故模拟

利用Microstation软件对某化工厂区进行三维建模,在考虑实际外界风向、风速,不同点火源位置等重要影响因素的条件下,运用计算流体动力学(CFD)软件FLACS,研究了有毒、易燃易爆的氯乙烯液化气体储罐安全阀气体泄漏和储罐底部物料管线液态氯乙烯的泄漏、蒸发、扩散和爆炸作用等过程,计算结果可以给出氯乙烯火灾、爆炸或扩散中毒等事故后果的影响范围和相关精确物理量。模拟结果表明,对于常温下的氯乙烯液化气体球罐,球罐安全阀泄漏后罐区及周边不会有燃烧或爆炸危险;而物料管线在特定的液相泄漏情景下,蒸发扩散的氯乙烯气云则有可能发生气云爆炸;但在弱约束条件下,爆炸冲击波作用比较微弱。该研究方法及其结果可以为石油化工企业选址、设计布局、安全规划、风险分析、应急救援及事故调查等提供更加准确的依据。     

基于复杂地质体建模和模型重构技术的溜井稳定性分析

溜井围岩现存应力状态对于溜井稳定性分析具有重要意义。为准确判断溜井围岩安全稳定情况,在室内岩石力学试验结果和岩石质量评价RMR值的基础上,通过折减计算获得相关岩体参数。采用空区激光探测系统(CMS)探测获取了溜井的三维实体模型。参照已获得的矿区原岩应力参数,运用SURPAC和FLAC3D复杂地质体建模技术建立了矿区和溜井围岩三维数值分析模型,使用模型重构的方法获取了溜井围岩稳定性分析的原岩地应力参数,基于多元回归方法精确反演出溜井围岩的现存应力状态。结果表明:1)溜井围岩在标高为-292~-264 m时,溜井受矿石冲击的区域变形严重,存在失稳的风险,需加强监测;2)溜井围岩最大拉应力出现在标高为-278.12 m附近,其值为1.58 MPa,超过了岩体最大抗拉强度;溜井围岩最大位移出现在标高为-281.74 m附近,其值为13.8 cm,在标高为-292~-264 m时,产生了较大的塑性破坏。     

MATLAB在复杂地质区域地应力反演中的应用

地应力场反演工作是深部矿井安全有序、高效生产的重要基础工作之一。为了提升复杂地质区域地应力场的建模和反演速度,利用MATLAB特性将其"胶水式"地应用于地应力场反演过程,减少手动干预的影响,主要开展了以下工作:(1)利用MATLAB编制了模型搜索程序,快速找寻到与工程现场实测测点对应的数值模型中ZONE单元编号及位置;(2)根据主应力、正-剪应力的相互关系,编写了基于MATLAB的二者转换模块,实现了由主应力向正-剪应力的快速变换;(3)利用MATLAB中的regress模块,建立了地应力反演的多元线性回归模型,求解得到的判定系数达到88.26%(1为最大),从而实现了对初始地应力场的重构,为矿井后期的开采设计、安全分析提供依据。结果表明,MATLAB的应用使整个反演与重构过程实现了无缝衔接,大大减少了人工工作量,杜绝了大量数据人工处理带来的误差,提高了工作效率。     

煤层小褶曲应力分布数值模拟

为研究煤层小构造对矿井安全生产的影响,在分析力学模型基础上,利用FLAC3D软件对煤层小型褶曲进行了应力分布数值模拟,并基于残余构造应力场反演分析,研究了煤巷掘进工作面靠近小型褶曲时工作面前方煤层应力变化情况。结果表明:发生小褶曲形变过程中,煤层内部不同部位的应力性质趋于稳定,应力集中程度发生明显变化;当变形停止后,褶曲不同部位的应力集中程度存在很大差异;对褶曲煤层进行巷道开挖,随着工作面向褶曲轴推进,工作面前方会出现应力异常变化。以上现象结合瓦斯运移规律,可以从地质力学的角度解释煤层小褶曲导致瓦斯异常涌出和瓦斯动力灾害的原因。矿井生产实例也证明了小型褶曲的重要影响。     

基于FLAC3D的盾构隧道施工过程建模影响因素分析

基于FLAC3D对盾构隧道施工过程模拟,研究建模影响因素及其影响程度。首先,综合隧道开挖过程中盾构机前体与岩土层间相互作用的影响因素来模拟隧道开挖过程,确定地表沉降和隧道垂直（Z）方向应力;然后,分别模拟去除其中一种因素后的隧道开挖过程,并求出相应的地表沉降和隧道垂向应力;最后,基于傅里叶变换对各种情况下的地表沉降量和应力应变状况进行比较分析,找出各因素对建模的影响程度,从而为利用FLAC3D进行盾构隧道施工模拟时的影响因子的选择提供参考。研究结果表明：一方面,建模过程中的各种因素对地表沉降的影响大于对隧道Z向压力影响;另一方面,盾构机推进给作业面土体压力、盾尾灌浆延迟于管片拼装造成的暂时对土体支护力不足、盾构机刀盘转动给作业面土体的扭力等因素对模型解算造成的影响最大。     

基于FLAC3D的复合煤岩受载破裂数值模拟及试验研究

采用FLAC~(3D)对复合煤岩模型的单轴压缩破裂进行数值模拟及试验,研究复合煤岩受载破裂应力与应变关系变化规律。针对煤样厚度、复合煤岩组合比、煤层参数、顶底板岩性等参数,对复合煤岩模型进行加载仿真研究,仿真及试验结果表明:单一煤样模型随着高度的减小,应力应变曲线整体阶段存在尺寸效应;改变煤岩组合比例时,其抗压强度基本不变,随煤样比例增大,复合煤岩的整体弹性模量减小,整体刚度减小;单一改变复合煤岩的煤样参数时,随煤样弹性模量增大,复合煤岩的弹性模量越强,应力应变曲线峰值点越高,对应应变越小;单一改变顶底板岩性,对复合煤岩模型的应力应变曲线影响不大。试验结果和仿真结果变化趋势一致,表明所建模型具有一定正确性和适用性。     

FLAC3D中复杂模型的三维建模技巧

在数值模拟中,模型是实体的简化而不失真的摹体.数值分析的合理性很大程度上取决于模型建立的正确性.解释了FLAC3D模型建模过程的一些问题.介绍了前期工作,及在FLAC3D中建模的特点,并进行了实例模拟.     

露天矿边坡分层多次高压注浆机理研究及应用

通过分析劈裂注浆机理,建立了不同浆脉长度和起劈宽度的分层多次高压注浆技术浆脉作用模型,共10组,对分层多次高压注浆机理进行研究。结果表明,该注浆方式可形成具有充分扩展和延展的锚固体,能够提高锚固应力影响范围并优化锚固效果。选取我国典型露天矿边坡作为应用实例,分别进行普通单次常压和高压注浆、分层2次和4次高压注浆,并通过拉拔试验验证效果,得知分层4次高压注浆相对于常规注浆有更高的最大拉拔力,与数值模拟结果相符,说明该注浆方法能够有效地提高锚固体的作用效果,具有经济、高效、稳定性强的特点,为露天矿边坡加固提供了新的思路和方法。     

冷却水侧向表层排放特性的三维数值模拟

对k-ε双方程湍流模型进行浮力修正,编制了计算程序并对冷却水侧向表层排放出流后的特性进行模拟,计算结果与经验公式吻合较好.在此基础上,探讨了射流出口密度弗劳德数Fr对冷却水侧向表层排放特性的影响.结果表明,Fr越小,射流流核越短,沿上游来流方向的热输移长度越大;同时计算发现,存在一个合适的排水口面积使得射流掺混效果最佳.     

《地表水环境影响评价数值模拟方法及应用》简介

《地表水环境影响评价数值模拟方法及应用》一书系统地开展了地表水环境影响评价数值模拟的核心数学理论、技术方法及应用研究,全面地向读者展示了数值模拟的发展历程、规范化建模过程和关键问题处理方法.     

矿井下着火点位置数值模拟研究

矿井煤炭自燃是煤矿五大自然灾害之一,而煤炭自燃隐蔽着火点位置的确定是解决煤炭自燃问题的关键。本文结合实际情况将火源位置的确定问题归结为热传导方程的寻源反问题。在理想状态下,把煤矿井下热传导的三维模型简化为二维模型,建立热传导方程及初始条件和边界条件,在matlab中编制了有限差分程序对井下着火点的温度场进行了正反演模拟。数值模拟结果表明:该方法能够较准确地反演出火源的特性,并随着离散化程度的提高,离散解逐渐逼近真实解。通过本文的数值模拟我们得知有限差分法求解热传导寻源反演的方法是解决矿井隐蔽火源发火点位置的有效途径之一,对矿井防、灭火研究具有较高的理论和实际应用价值。     

多组节理边坡稳定性FLAC3D数值分析

边坡稳定性对工程安全构成直接的威胁,对多组节理且较发育的岩体边坡稳定性安全评价,利用赤平投影方法能比较好地反映不稳定结面与边坡的几何空间关系、不稳定结构体的可能变形位移方向,为FLAC3D数值计算模型的建立提供依据。以某公路段岩体节理边坡稳定性安全评价为研究对象,通过赤平投影和FLAC3D数值计算模型稳定性分析表明,A1,J1节理组对边坡稳定性影响极大;A3,J1,A3,J2与A1,J1组节理构成贯通结构面,边坡不稳定体为两组结构面切割形成的滑体,边坡安全系数为0.67,需要支护加固。该方法对复杂节理边坡稳定性安全评价比较好地避免了采用工程经验建立数值计算模型的盲目性。     

闭环回旋控尘技术的三维数值模拟研究

针对输煤皮带转载点粉尘污染大的问题,提出一种新型粉尘控制技术。以霍州煤电集团木瓜煤矿为例,以气固两相流理论的颗粒轨道模型为基础,结合现场实际粉尘扩散规律,三维数值模拟皮带转载点的粉尘逸散规律。根据粉尘颗粒在皮带转载点的运移规律,提出了闭环回旋控尘技术,通过气固两相流和颗粒碰撞理论的三维数值模拟对该技术的控尘机理进行研究,并在木瓜煤矿进行试验应用。结果表明:闭环回旋控尘技术能有效控制粉尘扩散和降低粉尘颗粒动能,其降尘效率达到88%以上,同时,该技术无需任何动力,是未来节能型除尘产品的发展方向。     

宜兴煤矿安全经济护巷煤柱宽度的研究确定

为节省资源,留最窄护巷煤柱,在借用FLAC3D模拟软件掌握不同护巷煤柱宽度下巷道围岩应力应变后,结合模拟的结果和实验室试验新材料GRT-201加固后的煤岩体强度指标,最终确定煤柱留设宽度为2m,较正常煤柱宽度留设减小了20多米.现场操作后巷道的变形率控制在5％以内,大大降低留设煤柱宽度的同时保证了工作面的正常接替和安全回采.     

基于不同岩层组合对底板阻水效应的流固耦合机理研究

为了探究不同岩层组合底板对承压水的阻隔效果,以淮北矿区下组煤底板为研究 对象,建立了三种不同组合特征底板模型。基于FISH语言对FLAC3D软件进行二次开发, 对流固耦合条件下不同组合特征底板采动应力及围岩渗透性进行了综合分析。结果表明 :流固耦合条件下,底板采后应力转换点深度较不考虑底板水压条件下加深,且底板深 部出现了明显的卸压现象;硬软型底板采后卸荷程度及应力转换点降幅最大,而软硬相 间型底板受最小;硬软型底板采后渗透性提高4.5倍,而软硬相间型底板仅提高1.4倍, 研究结果揭示出软硬相间岩层组合底板阻水效果最好,而硬软型底板最差。     

低渗煤层高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究

为了解决低渗高突煤层瓦斯治理工程量大、效率低难题,提出在煤层中利用高压水射流切割缝槽依靠煤岩自身重力自动卸压强化瓦斯抽采技术。为了确定超高压水射流割缝工艺参数,采用FLAC3D数值模拟方法分析了不同缝槽间距、宽度条件下缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律,得出高压水射流割缝合理缝槽间距为3 m,合理缝槽宽度为100 mm,现场实践表明:高压水射流割缝增大了煤层暴露面积、煤体扰动体积,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度显著提升,瓦斯抽采纯量在0.7~1.1 m3/min范围内波动,瓦斯浓度在50%以上,对该矿其他工作面瓦斯治理具有一定借鉴意义。     

煤层液态CO_2爆破增透促抽瓦斯技术研究

为增加煤层透气性,提高瓦斯(甲烷)抽采效率,基于损伤力学和空气动力学,研究液态CO2爆破的原理,分析爆破过程中爆破器主管内高压气体的压力时程变化。采用FLAC3D数值软件,建立煤层液态CO2爆破有限差分本构模型,计算不同地应力下单孔爆破有效影响半径,数值模拟多孔连续爆破。模拟结果表明,单孔爆破有效影响半径随着地应力的增加近线性减小;有控制孔时多孔爆破影响范围明显大于无控制孔时。在井下进行液态CO2爆破工业试验。其结果是,爆破后煤层透气性系数提高17.49~22.76倍,平均瓦斯抽采浓度和混合气体流量分别增加56.4%和42.8%。