UDEC数值模拟（精选4篇）

UDEC数值模拟 第1篇

关键词：UDEC,综放开采,采出率

综合机械化放顶煤开采技术是厚煤层开采的有效方法之一,20多年来在我国得到了迅速发展,取得显著的经济效益和技术效果[[1]。但是,目前这项技术还存在工作面顶煤采出率偏低的问题。造成这个问题的因素有很多,有地质情况不同、开采工艺选择、设备选型、人为管理等所造成的损失。从生产现状来看影响工作面采出率的主要因素是对不同开采条件下顶煤破碎和冒放的控制掌握不够深入,造成大量顶煤遗留在采空区。本文应用显式差分程序UDEC[[2]对顶煤预先爆破弱化前后,不同的底煤开采高度、不同的放煤步距等进行数值模拟计算,分析了不同条件下顶煤的破断和垮落特征,为提高综放工作面顶煤采出率措施的选取具有很大的指导作用。

UDEC软件的显式差分程序,块体中心位置计算表达式如公式(1)、(2)所示,块体中心速度计算表达式如公式(3)所示。

1 模型的建立及参数的确定

UDEC模型根据某矿的钻孔柱状图构建。设计模型的走向长(x方向)80 m,高度(y方向)50 m,工作面推进方向沿x轴正方向,模拟采深360 m,模型上边界施加岩层的自重应力。因为煤层硬度较大,为了提高工作面顶煤的采出率要将顶煤进行弱化。顶煤越软则块度越小,因而块度的大小可以代表顶煤的软硬程度[[3]。在爆破弱化之前将煤体划分为11 m2的块体,在爆破弱化之后将煤体划分为10.5 m2的块体,顶煤上方的直接顶划分为11 m2的块体,底板和老顶由于不是研究对象,所以加大块度。煤层埋深403 m,模型上表面取至地下360m,模型顶面模拟上覆岩层的自重荷载由公式q=∑ri hi=7.67 MPa。计算过程中工作面支架支护阻力按8 000 k N/架考虑。本模型的下部边界条件为底板,简化为位移边界条件,在x方向可以运动,y方向为固定铰支座,即v=0。两侧边界条件均为实体煤岩体,简化为位移边界条件,在y方向可以运动,x方向为固定铰支座,即u=0。

2 模拟结果及分析

本模拟主要分析:坚硬顶煤预先爆破弱化前、后,底煤开采高度分别为3 m和5 m条件以及在不同的放煤步距情况过程中,在采动影响下顶煤的位移特征、顶煤破坏区域分布特征。根据弱化情况、底煤开采高度以及放煤步距等几个影响顶煤采出率的因素进行分析,总结提出改善条件提高顶煤采出率的途径。

2.1 弱化前后顶煤的冒落状况

各模型计算从原岩应力状态开始,逐步模拟回采开挖,每步开挖模拟1 000步,研究顶煤的运动趋势。首先观察底煤开采高度为3 m,顶煤未弱化、弱化开采,随着工作面的推进顶煤的冒落特征。顶煤经过弱化和未经过弱化冒落特征是不一样的,工作面推进22 m后顶煤的冒落特征如图1、图2所示。

如图1、图2,当底煤开采22 m后,未弱化顶煤的情况下,顶煤没有出现冒落状况,而经过弱化以后,同样是采高3 m,此时顶煤已经基本冒落。以上可以看出弱化对顶煤的巨大作用,弱化技术是改善顶煤冒放特性的一种重要手段。

2.2 不同底煤开采高度顶煤的冒落状况

不同的底煤开采高度对顶煤的冒落也是有影响的,观察底煤采高为3 m和5 m经过弱化开采条件下,随着工作面的推进顶煤的冒落特征。工作面推进15 m后(即22 m坐标处)处顶煤上(10 m高处)、中(6 m高处)、下(2 m高处)顶煤随时步的垂直位移如图3、图4所示。

从图3、图4可以读出不同开采条件下顶煤的垂直位移值。底煤采高3 m,开采15 m后经过弱化的顶煤距工作面煤壁-13 m处,下位顶煤的垂直位移值为-46.1 cm,中位顶煤的垂直位移值为-36.5 cm,上位顶煤的垂直位移值为-32.7 cm。同样,底煤采高5 m,底煤开采15 m的开采条件下,经过弱化的顶煤距工作面煤壁-13 m处,下位顶煤的垂直位移值为-45.8 cm,中位顶煤的垂直位移值为-39.6 cm,上位顶煤的垂直位移值为-35.9 cm。经过整理可以得出,弱化时,底煤5 m条件下比底煤3 m条件下,下位顶煤垂直位移基本相当,中位顶煤垂直位移多3.1 cm,上位顶煤垂直位移多3.2 cm。以上分析说明采取提高底煤开采高度的措施也能改善顶煤的冒放状况,提高顶煤的采出率。

2.3 弱化后不同的底煤开采高度,采用不同的放煤步距,顶煤随时步的位移

各模型计算从原岩应力状态开始,逐步模拟回采开挖,每步开挖模拟1 000步,研究顶煤的运动趋势。顶煤弱化并回收底煤为3 m开采条件下,工作面分别达到50 m和52 m,不同的放煤步距(工作面到50 m时采用从48 m至50 m采取一采一放的开采工艺方式,时步从12 770到13 770。工作面到52 m时采用从50 m至52 m采取两采一放的开采工艺方式,时步从13 770到15 770)。采取一刀一放和两刀一放底煤开采3 m上、中、下顶煤随时步的垂直位移状况如图5、图6所示。

采用不同的放煤步距,对顶煤的垂直移动也有很大的区别,从图5、图6可以看出,同样是底煤开采3 m,当采用一刀一放时,经过1 000时步后,下位顶煤的垂直位移值为3.02 m,中位顶煤的垂直位移值为-4.02 m,上位顶煤的垂直位移值为-4.91 m。当采用两刀一放时,经过2 000步后,下位顶煤的垂直位移值为-2.71 m,中位顶煤的垂直位移值为-4.64 m,上位顶煤的垂直位移值为-6.05 m。对以上数据进行分析可知,当底煤开采高度为3 m时,采用一刀一放比采用两刀一放上位顶煤的垂直位移小1.14 m,可以看出采用两刀一放比采用一刀一放顶煤的冒放状态要好,说明此种地质条件下,放煤工艺要选择两刀一放的施工工艺,提高综放工作面顶煤的采出率。

3 主要结论

(1)对于坚硬顶煤必须采取预先爆破弱化施工技术,顶煤经过弱化爆破作用以后,顶煤的垮冒程度得到明显的提高。顶煤破碎程度越好,越能通过支架放煤窗口放出,提高综放工作面顶煤的采出率。

(2)采用不同的采放比的开采方式,顶煤的冒落移动有明显的区别。在本文的数值模拟中采取5 m底煤开采比3 m开采底煤的施工时,顶煤的冒放运移程度明显要好,说明要合理加大工作面采高。

(3)采用一刀一放比采用两刀一放上位顶煤的垂直位移小,可以看出采用两刀一放比采用一刀一放顶煤的冒放状态要好。选择合理的放煤步距能明显的提高顶煤的冒放特性,提高综放工作面顶煤的采出率。此种地质条件下,放煤工艺要选择两刀一放的施工工艺。

参考文献

[1]索永录.坚硬煤层综采放顶煤开采技术.西安:陕西科学技术出版社,2001:1—6

[2] Itasca Consulting Group,Inc.Universal distinct element code user'sguide,vesrion 4.0.Minneapolis,Minnesota.USA:Itasca ConsultingGroup,Inc.2000

凝胶模拟液直圆管流动特性数值模拟 第2篇

凝胶模拟液直圆管流动特性数值模拟

采用POLYFLOW软件,对幂律型凝胶模拟液在直圆管内的流动和流变特性进行了数值模拟研究.结果表明:在流速和管径不变时,压降随管长的增加成线性增加;在流速和管长不变时,压降随管径的增大急剧减小;随着流变指数的.减小,直圆管轴线附近出现明显的柱塞流动区,在此区域内,速度和剪切速率变化较小,剪切粘度值趋于最大;在管壁附近,速度和剪切速率变化较大,剪切粘度降低明显.

作 者：左博 张蒙正 Zuo Bo Zhang Mengzheng 作者单位：西安航天动力研究所,陕西,西安,710100刊 名：火箭推进英文刊名：JOURNAL OF ROCKET PROPULSION年，卷(期)：34(5)分类号：V439关键词：凝胶模拟液 直圆管 数值模拟

UDEC数值模拟 第3篇

1 煤岩体力学参数的选取

1.1 煤岩体力学参数的选取

关于岩体参数的参考值, 其材料特性满足库仑摩尔准则。确定模型材料参数如表1所示。

1.2 节理和角点圆弧化

可以将岩石块体之间的接触面认为是节理。根据不同的粗糙程度, 个别的接触点构成接触面系, 通常两个端点的接触可以代表, 端点会在运动的时候发生相对的法向位移和切向位移。

块体不仅会有面接触还有点接触, 不管是点还是面的接触, 都会有数学上的奇异性, 点接触会引起计算上的应力集中, 但是实际情况是, 尖角在力的作用下被折断钝化, 因此还要将圆弧化处理加入到角点的计算中。

圆弧化处理角点之后, 可以将圆弧的中心道边的垂线和边的交点作为边和角的接触点, 节点的发现方向也就是垂线方向。两个焦点的接触点可以取两个圆弧中心的联机和圆弧交线的交叉点。经过圆弧化处理的角点增加了计算的时间, 但是角点接触的奇异性被消除, 这样的计算和实际接触点的物理图像更加符合。本次模拟时round取值0.2。

1.3 刚度系数

在UDEC中节理的法向和切向刚度系数kn和ks的正确选取是至关重要的。如果刚度系数取得太大, 刚体块将连接成为一个整体, 无相对运动可言;如果取得太小了, 则刚体块将成为一盘散沙, 相互间没有约束。作为一个经验的规则, 刚度系数最大可取为刚度最大的邻接块体之间的等值刚度的十倍, 即有:

式中:K为体积模量;

G为剪切模量;

△Zmin为节理两侧块体单元的最小宽度。

如果取用太大的刚度系数, 会将大幅增加计算时间, 却不会改变物理图像。但是如果取用太小的刚度系数, 时步会被增大, 加快计算速度, 但是节理“过软”, 块体间“嵌入”太多, 与实际情况不符。

刚度系数对于不同的岩石其变化是很大的。对于软弱粘土夹层可为10~100 MPa/m。而对于花岗岩或玄武岩等的致密节理, 则刚度系数甚至可以超过100 GPa/m。

UDEC中的刚度系数不同于一般弹性体的刚度系数, 它仅仅作为单元间传递力的因子。刚度系数应取足够大, 以使计算结果趋于稳定值。同时考虑到计算费用的经济性, 在满足精度和稳定收敛要求的前提下, 宜尽量减小块体刚度, 刚度系数一般取1010~1011 n/m较为适宜。计算中刚度系数取值1010。

2 UDEC数值模拟

2.1 低初撑力状态模拟

根据实测单体支柱平均支护力为13.8 k N, 采用UDEC进行了数值模拟, 按单体支柱平均支护力为90 k N, 采用UDEC进行了数值模拟。

2.2 UDEC模拟结果分析

从模拟结果可以得出, 低支护力状态下, 顶板离层, 平衡结构形成的层位相对较低, 当地质条件发生变化时, 遇断层或特殊地质结构岩体时, 容易出现顶板事故。高支护力状态下, 平衡结构的层位相对较高, 对工作面的影响也较小, 工作面变形量也较小, 工作环境大大改善。

采场围岩运移是一个动态的过程, 动态过程有两层内容, 一是随着时间变化的动态过程;二是随支护力不同而变化的动态过程。如图1所示为低支护载荷条件下围岩运移状态, 支护顶板距平衡结构8~12 m, 平衡结构对采场的影响较大, 由于支护力过小, 顶板易发生离层, 支护状态差。如图2为合理支护条件下围岩运移状态, 平衡结构下方岩层厚度为15~19 m, 距离支柱较远, 支柱上方顶板发生离层的可能性较小, 采场处于安全状态下。

2.3 FLAC数值模拟结果分析

从FLAC数值模拟可以看出, 工作面的支护初撑力大小对工作面围岩应力分布有十分显著的影响。低载荷, 应力峰值和高应力范围均显著增大, 而导致顶板剪应力区显著扩大。而高载时, 顶板剪应力仅在煤壁上方很小的范围出现峰值。

剪应力从煤壁附近向控顶区上方顶板的扩展是导致顶板破碎的主要原因, 而顶板破碎范围与支架载荷有关。

随支护载荷的增加, 煤壁前方的支撑压力明显减少。煤壁前方顶板应力减少。由于支架载荷较低, 煤壁前方垂直应力增加, 控顶区上方剪应力集中程度增加, 范围增大。

控顶区上方的顶板铅垂应力随支架载荷的增加明显改善。支护载荷的增加, 导致和围岩应力降低, 从而改善围岩控制, 避免顶板破碎。

随着支护载荷的加大, 位移矢量也有所改变。位移矢量由低载垂直位移变为高载的水平位移。即控顶区围岩的稳定性有所增强。

在主应力图中低载时, 应力矢量比较紊乱, 很不规则。而高载时, 主应力矢量在煤壁上方的顶板岩层, 指向煤壁前方, 显示了煤壁前方的应力集中效应和压力拱效应。

脉冲微波辐射推进数值模拟 第4篇

脉冲微波辐射推进数值模拟

介绍了脉冲微波辐射推进的基本工作原理.在数值模拟方面,采用前期点爆炸自模拟解与后期矢通量分裂格式相结合的方法,计算了固定的抛物面型反射面聚焦入射平行微波束击穿空气形成的高温等离子体流场及其对反射面产生的推动作用,求出了推力器的动量耦合系数.结果表明,当输入的微波能量为E=10J时,焦距为15mm的.抛物面型推力器在单脉冲作用下所获得的最大推力超过97N,相应的动量耦合系数为Cm=482.8N/MW,这与相同情况下日本东京大学通过实验获得的结果基本吻合.

作 者：闫志勇 毛根旺 何洪庆 陈茂林 YAN Zhiyong MAO Genwang HE Hongqing CHEN Maolin 作者单位：西北工业大学航天学院,西安,710072刊 名：弹箭与制导学报 PKU英文刊名：JOURNAL OF PROJECTILES, ROCKETS, MISSILES AND GUIDANCE年，卷(期)：28(6)分类号：V43关键词：动量耦合系数 矢通量分裂 点爆炸 微波推进 数值模拟