马家沟矿煤与瓦斯突出研究进展--RFPA应用实例

   煤与瓦斯突出是煤矿中的一种及其复杂的地质动力现象。它能在极短的时间内向巷道或采场抛出大量煤炭并且涌出大量瓦斯,且伴有巨大的动力效应,结果导致数百米的巷道被堵塞。涌出的瓦斯可逆风运行几千米,此时,如果遇上火源,将导致瓦斯爆炸,甚至于煤尘爆炸,给矿井的安全生产带来无法估量的灾难。 
      马家沟矿是我国煤与瓦斯动力现象最为严重的矿井之一,到目前为止,该矿有历史记录的煤与瓦斯动力现象共54 次,全部发生在掘进工作面。马家沟矿属于急倾斜煤层,上山掘进不可避免,但是,上山掘进时突出危险性非常大。因此,上山掘进突出严重威胁着该矿的安全生产。从巷道类型来看,上山掘进时突出次数最多,占总数的34. 7 %。因此,掌握它的发展过程对突出机理研究及防突工作意义重大。 
      华北科技学院安全工程学院的齐黎明和中国矿业大学能源与安全工程学院的林柏泉等学者以上山掘进突出后遗留的典型孔洞形状为基础,采用RFPA - Flow 对此进行数值模拟。通过数值模拟反演出了马家沟矿上山掘进突出发生的地质条件及发展过程,归纳出了上山掘进突出机理,并通过数据处理,得出了在突出前后掘进头前方煤体内地应力、瓦斯压力分布状况及卸压区宽度变化规律。 
      RFPA数值模拟结果显示: 
      (1)煤层开采后,在新暴露工作面附近出现许多碎裂的煤块,接着碎裂煤块被不断抛出,而临近新暴露面的煤体继续被压裂,暴露面继续往煤层深部推进,直至最终达到平衡。 
      (2)通过数值模拟反演出了马家沟矿上山掘进突出发展过程及发生前的地质条件,根据这一结果确定了马家沟矿上山掘进突出机理:地应力和煤体物理力学性质起主导作用,瓦斯压力起辅助作用,煤层倾角大,煤体自重应力不可忽视。 
      (3)发生后要大,这其中一个重要原因就是卸压区宽度增大了,由此可见当卸压区宽度达到一定长度时,就可防止突出发生。 

RFPA并行分析系统助力中石油工程技术研究院石油勘探开发研究

近日,大连力软科技有限公司最新推出的RFPA并行分析系统成功助力中国石油工程技术研究院石油勘探开发研究。受中国石油工程技术研究院固井研究所(天津)委托,大连力软科技有限公司承建的“石油勘探固井研究数值试验工作站”于2009年5月20构建成功并正式启用。该数值试验工作站在石油勘探开发领域首次成功构建,标志着RFPA并行分析系统将助力石油勘探开发领域的研究工作。为推动我国石油勘探开发技术研究的发展做出贡献。

图1:为中石油工程技术研究院与固井研究所

      同时,也标志着计算机模拟正在成为科学和工程许多领域内解决问题的主流方法,与理论分析、实验研究一起成为科学研究的三大支柱之一,基于模拟的工程和科学已经成为国家的核心竞争力。

图2:为工作站服务器端(左)和客户端(右)

整体解决方案:

       根据中国石油工程技术研究院固井研究所的需求情况,力软提出了包括硬件、软件和技术服务在内的整体解决方案,建立“石油勘探固井研究数值试验工作站”。

       系统硬件:数值试验工作站硬件系统采用联想万全R630 G7服务器和联想启天M6900工作站客户端。服务器配置4*Inter Xeon六核E7450(2.4GHz)CPU,24GB内存,580GB硬盘,集成Inter双口千兆网卡;客户端配置Inter Core 2 Duo E8400(3.0GHz)CPU,2G内存,320GB硬盘,集成千兆网卡,22寸液晶显示器。该硬件配置24个CPU和24GB内存,单个CPU具有1GB的使用内存,保证其高性能;配置千兆网卡保证数据高速传输。
      系统软件:数值试验工作站服务器端操作系统采用RedHat Enterprise Linux AS4.0,使其具有良好的稳定性和安全性;客户端操作系统采用Windows XP,使其具有方便简捷的操作性。

      应用软件:数值试验工作站采用力软公司研发的“真实破裂过程分析并行系统(RFPA-Parallel)” 作为核心并行计算分析软件。RFPA并行分析系统采用MPICH和FORTRAN编制基于Linux操作系统的有限元并行计算程序,采用C++编制基于Windows的前后处理客户端程序,前处理数据和后处理数据通过安全数据传输协议SSH传输交换,从而是数据传输高速、安全、可靠;最新的RFPA并行系统实现了三维条件下流-固-热多场耦合并行计算模拟分析,且并行计算突破2000万自由度以上量级有限计算。为石油勘探固井研究中大规模多场耦合数值试验提供有力保障。

图3:力软科技技术工程师与中石油工程师们

测试算例:
测试算例名称:“三维水压致裂过程并行计算分析”

数值模型(Z向自重,X、Y方向位移约束)

计算模拟结果:

Z方向上不同高程处的压裂模式(水压分布)

Z方向上不同高程处的压裂模式(最大主应力分布)


最终压裂模式的三方向透视(声发射图)


胜利油田滩坝砂油藏可压性研究

      由大连理工大学、大连力软科技有限公司以下简称力软共同负责的项目滩坝砂油藏可压性研究顺利通过由胜利油田组织的结题答辩,标志着RFPA家族可成功应用于石油开采领域,为页岩油储层的水力压裂工程设计与施工提供了更为有效的解决方案。

      胜利油田滩坝砂油藏未动用储量9850万吨,埋深多在3000米以下,储层具有横向非均质强,泥砂交错分布,水平连通性差,纵向砂-泥互层跨度大,层多层薄的特点。特别是由于泥岩的可压性差,无法实现有效改造,难以实现有效沟通。针对此技术难点,力软基于RFPA软件系统平台,建立了符合储层特征的数值模型,开展了多种工况条件下的数值模拟实验,并对水力压裂的机理进行了深入研究,为水力压裂设计及现场施工提供了可靠指导,该项目成果得到胜利油田项目委托方的一致好评。

RFPA离心加载法模拟重庆鸡尾山山体崩滑失稳灾害

RFPA离心加载法模拟的鸡尾山山体滑坡的研究成果已在国际期刊Environmental Earth Sciences上发表。2009年6月5日下午15时许,重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山山体发生了大规模的岩体崩滑,造成10人死亡,64人失踪,8人受伤,成为近年来少有的一次岩体失稳灾难事件。

      东北大学徐涛、大连理工大学唐春安联合成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室许强等专家,通过应用三维真实破裂过程分析系统(RFPA3D的离心加载法,对鸡尾山山体崩滑失稳灾害进行了初步的数值模拟研究。数值计算表明,山体地下开采对滑源区坡体的稳定性造成了直接的影响,地下开采引起上覆岩体中的应力场发生变化并导致滑源区坡体后缘出现拉裂缝,随着底面软弱炭质页岩层滑带的蠕变损伤导致被拉开的滑源区坡体沿底面炭质页岩层滑带发生蠕滑变形,滑源区前缘岩体形成较高的应力集中,致使前缘处于关键块体岩溶带和后缘固定山体的一定范围内的岩体发生剪切破坏,而滑坡体的大部分区域都产生拉破坏,范围明显向滑体的中部和采矿区与滑体之间的区域扩大,最终导致坡体的失稳形成规模较大的滑坡地质灾害。

      数值模拟研究进一步表明岩体的流变失稳实质是岩石细观蠕变损伤导致岩体力学性质弱化、应力重分布诱致岩体渐进损伤破坏的一个复杂的非线性过程。进一步的了解请参见(http://link.springer.com/article/10.1007/s12665-014-3119-7#page-1 )。

RFPA网格模型

数值模拟的岩体崩滑过程

背景材料:RFPA离心加载法

       RFPA离心加载法是力软科技RFPA软件的系列产品。它基于离心加载物理试验的原理,通过将离心加载算法引入到岩石破裂过程分析RFPA 系统中,形成了RFPA 离心加载法(RFPA-Centrifuge)。

       RFPA-Centrifuge 的应力分析采用有限元基本算法,满足静力平衡、应变相容及岩土体的非线性应力?应变关系;秉承了RFPA 系统的破坏分析功能,并且同样考虑材料细观非均匀的影响,对复杂边坡等难点问题进行分析时,不需对滑动面或破坏区域做任何预先假定。通过对垂直土坡离心物理试验、倾斜的土坡、含两组平行节理岩质边坡和不同截面形状隧道的数值试验,证明该法可以直观、逼真地获得岩土结构的破坏区域或滑移破坏面,同时求得安全储备系数,分析结果与物理的试验和有限元强度折减法均比较一致。RFPA-Centrifuge 不仅回避了强度折减法中有关力学参数复杂的折减规则,还克服了强度折减法难以用物理试验进行相互验证的不足,因而是一种极具前景的岩土工程稳定性分析方法。

相关链接:

唐春安等,岩土破裂过程分析RFPA 离心加载法,岩土工程学报,第29卷第1期,p71-76,2007.


力软第一份国外订单-瑞士联邦理工大学

      大连力软科技有限公司与瑞士联邦学院岩石力学研究所完成了一笔价值1.8万美元的生意,力软在收到款项后,将4个软件产品光盘邮寄给了该研究所。4个光盘价值1.8万美元?这的确令很多人感到吃惊。但这正是专业软件产品的“魅力”所在。相对于应用十分广泛的大众软件,力软的软件尽管发行量小,但其具有专业化极强、附加值高的特点。如今,力软生产的这种用于力学稳定性研究分析的计算机软件已被国内外诸多科研机构所采用,众多知名学府硕士、博士撰写科研论文也都用其作为分析系统。

      近些年,山体滑坡、建筑坍塌、煤矿事故等频频见诸媒体,这些关乎每个人生命安全的事故其实是完全可以避免的,经过对“稳定性”的充分数值试验分析,可以及时发现不稳定因素,从而采取措施避免灾祸的发生。传统的试验方法复杂且需要耗费大量的人力和资金,而进行数值试验不但可以再现材料破裂过程,方便研究,还节约了大量成本。

      因此,数值试验方法将成为继物理试验方法之后又一种被广泛使用的材料及其工程结果破坏机理研究方法。国内在材料破坏过程分析力学方面的研究一直都在进行,但多数还仅仅停留在学术成果阶段。大连力软科技有限公司的诞生,在力学软件市场化方面迈出了可喜的一部。



RFPA促进牙科材料破坏机理研究获新进展

RFPA作为脆性材料破裂过程分析方法,最初是从岩石力学领域发展起来的。但这种方法的应用领域却远远不止岩石或岩土材料。近年来,RFPA方法已在混凝土、陶瓷、复合材料等脆性类材料的破坏机理研究中得到越来越多的应用。美国牙科材料杂志早在2006年6月发表的瑞典牙科专家的论文《Numerical modeling of the fracture process in a three-unit all-ceramic fixed partial denture》,就是RFPA在牙科材料中应用的典型例子。
      牙科陶瓷具有与人自然牙色泽相似、化学稳定性良好和生物相容性等优点,已成为牙科冠桥修复的重要材料。目前,很多数值计算方法被用于分析计算机载荷条件下牙科修复体内的应力场分布情况,其中有限单元法应用最为广泛。

真实破裂过程分析系统RFPA2D(realistic failure process analysis)适合于陶瓷等脆性材料破坏机理及过程研究,相对于其他计算分析软件,其模拟结果能够较好地解释材料破裂过程机理。RFPA2D最初基于脆性材料破裂过程分析代码和有限元分析方法,其优点之一是可模拟非均质材料的破裂过程,如不同类型复合材料或预置缺陷存在的材料等,其另一优点则是利用具有拉伸截断的摩尔-库仑准则来判断材料是否破坏,从而研究模型结构在不同力学载荷条件下的破坏模式。此外,系统还可直观地演示各类应力场随裂纹产生、扩展直至宏观破坏的全过程。

瑞典于默奥大学的学者(Ume? University, Ume?, Sweden)Wen Kou等采用力软研发的RFPA软件对后牙三单位全陶瓷桥的破坏过程和破坏机理进行了初步研究。数值模拟的破坏模式与先前所做物理模拟试验结果高度一致。

近年来,大连大学的樊成博士采用真实破裂过程分析RFPA2D系统,模拟静载荷条件下三单位氧化锆全瓷桥底冠的破坏过程,分析其破坏机理。通过对比数值模拟的破坏模式和已有的试验结果,发现二者破坏模式十分吻合。RFPA2D能够全程逐步自动追踪全瓷固定桥折裂全过程,该项研究可作为试验研究、临床观察研究、全瓷固定桥抗折裂破坏能力研究的一种重要补充手段。

三单位全瓷固定桥数值计算模型