comsol在岩土工程中的应用研究.pdf
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COMSOL系统在岩土工程中应用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杨天鸿东北大学资源土木工程学院上海COMSOL软件应用交流汇报自我介绍自我介绍杨天鸿，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：
研究方向：
岩土工程渗流力学应用岩土工程渗流力学应用几个应用结果几个应用结果几个应用结果几个应用结果应用背景应用背景应用背景应用背景特色特色特色特色结论结论结论结论11223344应用背景应用背景应用背景应用背景11露天矿边坡失稳地热灾害矿井突水瓦斯突出溃沙涌水矿山等岩土工程事故是水、瓦斯等矿山等岩土工程事故是水、瓦斯等复杂环境因素相互作用复杂环境因素相互作用诱发的灾害结果诱发的灾害结果Comsol特色特色Comsol特色特色22COMSOLMultiphysics（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）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语言或语言或COMSOLScript的强大编程功能，易用实现耦合方程的建立和有限元实施。
的强大编程功能，易用实现耦合方程的建立和有限元实施。
几个应用结果几个应用结果几个应用结果几个应用结果33实例17实例实例1张马屯铁矿现状张马屯铁矿现状济南钢城矿业有限公司（原张马屯铁矿）床位于济南市东济南钢城矿业有限公司（原张马屯铁矿）床位于济南市东济南钢城矿业有限公司（原张马屯铁矿）床位于济南市东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，东邻济南郊，北有济青公路（工业北路），南有胶济铁路，东邻济南郊，北有济青公路（工业北路），南有胶济铁路，东邻济南郊，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、郭三个铁厂，西与济南黄台电厂相对，矿区周围是周、靳、郭三个铁厂，西与济南黄台电厂相对，矿区周围是周、靳、郭三个铁厂，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，属于自然村和肥沃良田，属于自然村和肥沃良田，属于自然村和肥沃良田，属于“铁路公路下、建筑物下、村庄良铁路公路下、建筑物下、村庄良铁路公路下、建筑物下、村庄良铁路公路下、建筑物下、村庄良田下田下田下田下三下三下三下三下开采开采开采开采”，地表不允许塌落。
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张马屯铁矿矿床位张马屯铁矿矿床位张马屯铁矿矿床位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较大的一个矿床，为隐伏矿床，由东、西两个矿体及少量零较大的一个矿床，为隐伏矿床，由东、西两个矿体及少量零较大的一个矿床，为隐伏矿床，由东、西两个矿体及少量零星矿体组成。
星矿体组成。
星矿体组成。
星矿体组成。
帷幕注浆堵水工程概况?
著名大水矿山著名大水矿山预计-400m水平矿坑涌水量3610预计-400m水平矿坑涌水量361044mm33/d/d?
“帷幕注浆堵水为主、结合矿坑同水平完全疏干帷幕注浆堵水为主、结合矿坑同水平完全疏干”?
始于1975年,1996年全部结束，分3期施工,历时21年，总计建造帷幕线长1.93km。
始于1975年,1996年全部结束，分3期施工,历时21年，总计建造帷幕线长1.93km。
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帷幕平均深度460m,帷幕体的厚度10m,整个帷幕注浆堵水工程耗资8837万元。
帷幕平均深度460m,帷幕体的厚度10m,整个帷幕注浆堵水工程耗资8837万元。
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完成了-240m,-300m,-360m3个水平的生产疏干。
完成了-240m,-300m,-360m3个水平的生产疏干。
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经疏干实际验证,小帷幕注浆堵水效果为85%以上,大帷幕注浆堵水效果为80%以上。
经疏干实际验证,小帷幕注浆堵水效果为85%以上,大帷幕注浆堵水效果为80%以上。
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目前矿坑正常排水量为510目前矿坑正常排水量为51044mm33/d,预计最大排水量达5.610/d,预计最大排水量达5.61044mm33/d。
/d。
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3个阶段:
小帷幕注浆堵水试验;铺底注浆堵水与补幕;大帷幕注浆堵水工程3个阶段:
小帷幕注浆堵水试验;铺底注浆堵水与补幕;大帷幕注浆堵水工程微震监测系统闪长岩大理岩铁矿体第四系闪长岩大理岩铁矿体第四系注浆孔钻孔编号注浆孔钻孔编号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。
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年年4月份的定位事件图月份的定位事件图微震监测情况微震监测情况监测的声发射信号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。
计算模型矿体帷幕砂砾石闪长岩大理岩闪长岩网格图应力场应力场截面破坏区结果破坏区截面深部煤炭资源赋存规律、开采地质条件与精细探测基础研究深部煤炭资源赋存规律、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深部煤矿床瓦斯赋存规律及成灾动力学”的专题研究项目的专题研究项目“深部煤层瓦斯赋存机制及影响因素研究深部煤层瓦斯赋存机制及影响因素研究煤矿突水机理与防治基础理论研究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矿井突水预测与控制的基础理论与方法”973计划计划973计划计划阻水带导升带hh1h2h3实例实例2突水突出非线性渗流突水突出非线性渗流研究内容Darcy渗流方程渗流方程Darcy渗流方程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N-S方程方程Navier-Stokes方程方程描述流体在重力、黏性阻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非线性非线性渗流方程渗流方程非非Darcy方程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快速渗流特点流体流动方程分析流体流动方程分析（）=+=0）（uuupuuTFI（）gZpu+=k（）=+=0）（）/（uuupukTFI研究内容非线性非线性渗流方程渗流方程Brinkman方程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快速渗流特点流体流动方程分析流体流动方程分析（）=+=0）（）/（uuupukTFI非线性非线性渗流方程渗流方程Forcheimer方程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.应用条件：
Reynolds数10；孔隙度50%；v200m/d1023.075.01Re;Revdndkj+=技术路线采动岩体渗流问题采动岩体渗流问题瓦斯突出瓦斯突出矿井突水矿井突水建立Brinkman方程及扩散建立Brinkman方程及扩散渗流方程渗流方程建立损伤渗流耦合方程建立损伤渗流耦合方程有限元数值模拟有限元数值模拟基于COMSOLMultiphysics渗流耦合量化数值计算平台基于COMSOLMultiphysics渗流耦合量化数值计算平台冒落区瓦斯扩散算例冒落区瓦斯扩散算例矿井突水算例矿井突水算例理论研究理论研究数值模拟数值模拟实例应用实例应用技术路线技术路线（）02=+gDpkKnnpp=2Paep612=00uuuu=0=uuPaep51=（）02=+gDpkKnn0=uu区域1Darcy流动区域2Brinkman流动研究结果Brinkman方程与方程与Darcy对比对比计算方案：
对比分析Brinkman区域和Darcy区域同样渗透条件下Brinkman方程描述的非线性渗流效应。
模式1模式2区域1、2均为Darcy流域区域1、2分别为Darcy、Brinkman流域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。
0.0010.010.1102468101214161820x/m速度/1e-4m/s模式1时t=5h模式2时t=1h模式2时t=5h模式2时t=10h00.10.20.30.40.50.60.70.80.9102468101214161820x/m压力/MPa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压力随时间变化曲线对照图速度随时间变化曲线对照图
（1）矿井岩体破坏突水机理及非线性渗流模型矿井岩体破坏突水机理及非线性渗流模型陷落柱突水概念模型陷落柱突水概念模型断层突水概念模型断层突水概念模型研究结果DarcyBrinkmanNavier-Stokeuesdlnuuesdlchns=2ppchnsesdl2=uuchnschns2=（）（）npnuupchnsTchnschnspchns=+）（1222I00）（PPuuchnsTchnschns=+ppchnsesdl2=ppchnsesdl2=隔水边界距离/m距离/mBrinkmanDarcyNavier-Stoke（）SWgZpknesdl=+uuesdlchns=2ppchnsesdl2=uuchnschns2=（）（）npnuupchnsTchnschnspchns=+）（1222I00）（PPuuchnsTchnschns=+陷落柱突水计算模型陷落柱突水计算模型断层突水计算模型断层突水计算模型A4A1A2A3距离/m距离/m流速/m/s？
/s研究结果距离/m距离/m压力/Pa？
/s陷落柱突水压力分布陷落柱突水压力分布陷落柱突水速度场陷落柱突水速度场0.0E+002.0E-044.0E-046.0E-048.0E-041.0E-031.2E-031.4E-031.6E-031.8E-03051015202530354045距离/m速度/m/s工况1工况2工况3Navier-StokeBrinkmanDarcyA4A1A2A30.0E+005.0E+051.0E+061.5E+062.0E+062.5E+063.0E+06051015202530354045距离/m压力/Pa工况1工况2工况3Navier-StokeBrinkmanDarcyA4A1A2A3从含水层到巷道（从含水层到巷道（A1-A4）流速与压力分布曲线）流速与压力分布曲线（沿沿A1-A2-A3-A4方向方向）工况工况1Darcy区域和区域和Brinkman区域渗透率一致工况区域渗透率一致工况2Brinkman区域渗透率提高区域渗透率提高10倍但边界流量和工况倍但边界流量和工况1一致工况一致工况3Brinkman区域渗透率提高区域渗透率提高10倍且保持边界恒定高压力倍且保持边界恒定高压力流速分布图压力分布图10倍倍17倍倍85倍倍114倍倍断层突水压力分布断层突水压力分布断层突水速度场断层突水速度场从含水层到巷道（从含水层到巷道（A1-A4）流速与压力分布曲线）流速与压力分布曲线（沿沿A1-A2-A3-A4方向方向）工况工况1Darcy区域和区域和Brinkman区域渗透率一致工况区域渗透率一致工况2Brinkman区域渗透率提高区域渗透率提高10倍但边界流量和工况倍但边界流量和工况1一致工况一致工况3Brinkman区域渗透率提高区域渗透率提高10倍并且保持边界恒定高压力倍并且保持边界恒定高压力00.00010.00020.00030.00040.00050.00060510152025303540距离/m速度/m/s工况1工况2工况3Navier-StokeBrinkmanDarcyA4A1A2A30.0E+005.0E+051.0E+061.5E+062.0E+062.5E+060510152025303540距离（m）压力/Pa工况1工况2工况3Navier-StokeBrinkmanDarcyA4A1A2A3流速分布图压力分布图4倍倍6倍倍4.2倍倍6倍倍浓度补给边界浓度边界不透气边界采空冒落区进风口回风口推进方向不透气边界
（2）采空冒落区瓦斯扩散采空冒落区瓦斯扩散-通风对流模型研究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1e-41e-6mol/m2s量级之间，都随着瓦斯浓度分布动态变化。
/Pa95%75%35%15%5%55%/mol/m395%75%35%15%5%55%/mol/m3与采用Darcy方程计算结果对比（5d）岩石冒落碎胀系数分布通风压力分布等值线图通风流速分布流速矢量图2d时瓦斯浓度分布等值线图5d时瓦斯浓度分布等值线图本项目提出的采空区瓦斯非线性渗流-扩散运移模型，采用Brinkman方程计算风流场，结合Fick扩散方程计算浓度场扩散作用，比较符合冒落区介质的流场特性，比采用N-S模型和Darcy模型计算冒落区风流场，更符合实际。
/mol/m395%75%35%15%5%55%/mol/m3稳定时瓦斯浓度分布及等值线图实例实例3-瓦斯抽放渗流瓦斯抽放渗流11瓦斯渗流方程：
瓦斯渗流方程：
（）pggQtm=+qpg=（）TMgR=（）gDpgggg+=kq22气体状态方程：
气体状态方程：
3Langmuir吸附解析方程222101ppaaapms+=55KlinkenbergKlinkenberg方程：
方程：
滑脱效应滑脱效应6渗透系数方程：
+=pkkkkg36.01（）（）rvr+=exp0（）12.22exp00=kk（）gDpgggg+=kq44气体压力作用方程：
气体压力作用方程：
ijijkkijijpvGG+=2122（）pkgssQppkktpppaaapaaap=+236.022222122101121021,=+iijijjjiFpuGGu瓦斯渗流-应力耦合方程：
三维瓦斯抽放结果根据实际的三维煤层瓦斯抽放过程，建立长宽高为10m10m10m理想化的三维计算模型，模型左下部边界假设为巷道，三个瓦斯抽放孔K1、K2、K3之间的距离1m，与水平面呈45倾角展布，K1、K3与K2呈16夹角分布在孔2两侧，三个瓦斯抽放孔长度7m，瓦斯抽放孔按照“以缝代孔”16原则简化为定压力边界（25kPa）。
杨氏模量E（Pa）泊松比煤层密度s（kg/m3）流体密度1（kg/m3）流体粘滞性（Pas）饱和渗透率（m2）7.41e90.33125010001e-35e-6K1K3K2巷道位置4516外部载荷PL1L2渗透性系数分布图Time1s时渗透性系数分布图Time1.28e5s时渗透性系数分布图Time1.08e6s时渗透性系数分布图Time1e7s时渗透性系数分布图压力等表面图Time1.08e6s时压力等表面分布图Time1e7s时压力等表面分布图Time1s时压力等表面分布图Time1.28e5s时压力等表面分布图Z=0m切面位置瓦斯压力随时间变化分布外部载荷为外部载荷为0.1MPa外部载荷为外部载荷为2MPa外部载荷为外部载荷为10MPa外部载荷为外部载荷为20MPaL1位置瓦斯压力随时间变化曲线1234561234561234561234561Time1s2Time1e5s3Time5e5s4Time1e6s5Time5e6s6Time1e7s外部载荷为外部载荷为0.1MPa时外部载荷为时外部载荷为2MPa时外部载荷为时外部载荷为10MPa时外部载荷为时外部载荷为20MPa时时L2位置瓦斯压力随时间变化曲线1234561234561345613456外部载荷为外部载荷为0.1MPa时时1Time1s2Time1e5s3Time5e5s4Time1e6s5Time5e6s6Time1e7s外部载荷为外部载荷为20MPa时外部载荷为时外部载荷为10MPa时外部载荷为时外部载荷为2MPa时时采矿学馆20082008-1111-1313实例实例实例实例44-沈阳地铁建设高富水砂层动态沈阳地铁建设高富水砂层动态沈阳地铁建设高富水砂层动态沈阳地铁建设高富水砂层动态降水优化技术降水优化技术降水优化技术降水优化技术优化井位布设和水量，控制地表变形优化井位布设和水量，控制地表变形优化井位布设和水量，控制地表变形优化井位布设和水量，控制地表变形已拆已拆已拆已拆已拆已拆已拆已拆已拆已拆已拆沈阳地铁张士沈阳地铁张士沈阳地铁张士沈阳地铁张士-沈新路站平面图沈新路站平面图沈新路站平面图沈新路站平面图工程背景工程背景工程背景工程背景区间全长1214.2m;2#竖井宽8m,长10m,深17.5.地下水位约为5.0m含水层为中-粗砂、砾砂层，属孔隙潜水高富水砂层土体以强透水的中粗砂、砾砂和圆砾层为主，土体孔隙率大，渗透性强，抽水水量和水位变化关系十分敏感，在建立的三维渗流模型中，能够精细描述抽水井群流量分配优化引起的水位变化是技术关键线右线中126.5241757.520.5中粗砂-粉质粘土-中粗砂-中粗砂-线右线中6.5降水井左线隧道中线右线隧道中线地铁地质剖面图地铁地质剖面图地铁地质剖面图地铁地质剖面图理论模型理论模型理论模型理论模型渗流应力耦合模型渗流应力耦合模型渗流应力耦合模型渗流应力耦合模型0212=+iiixGxPbXGttPQpk=12zyx+=2222拉普拉斯算子K土体渗透系数土体密度体力密度P孔隙水压力iXG土体剪切模量体力密度P孔隙水压力iXG土体剪切模量iXG土体剪切模量体应变泊松比QBiots常数B孔隙水压力系数地面变形理论方程地面变形理论方程地面变形理论方程地面变形理论方程理论模型理论模型理论模型理论模型（）sincossin）,（cos）,（,yixiyyxWxyxWyxi+=+=倾斜倾斜倾斜倾斜（）（）（）0222sinsincos,Wyixiykxkyxk+=曲率曲率曲率曲率水平变形水平变形水平变形水平变形（）（）（）（）（）+=02222sinsincos,WyxUxyUyxyx）沈阳地铁）沈阳地铁）沈阳地铁）沈阳地铁2#2#区间施工降水优化方法区间施工降水优化方法区间施工降水优化方法区间施工降水优化方法自由面抽水井流量边界定水头边界250L1断面断面2#2#2#2#竖井降水数值模型图竖井降水数值模型图竖井降水数值模型图竖井降水数值模型图）沈阳地铁）沈阳地铁）沈阳地铁）沈阳地铁2#2#竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法-20-16-12-8-40-125-75-2502575125距竖井中心线距离/m水位/m计算值（T=7d）计算值（T=35d）计算值（T=77d）监测值（T=7d）监测值（T=35d）监测值（T=77d）二号竖井L1L1L1L1断面水位动态变化断面水位动态变化断面水位动态变化断面水位动态变化）沈阳地铁）沈阳地铁）沈阳地铁）沈阳地铁2#2#2#2#竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法降水7天降水35天2#2#2#2#竖井动态降水沉降竖井动态降水沉降竖井动态降水沉降竖井动态降水沉降-60-50-40-30-20-100-125-75-2502575125距模型中心线距离/m位移/mm计算值（T=7d）计算值（T=35d）计算值（T=77d）监测值（T=7d）监测值（T=35d）监测值（T=77d）二号竖井L1L1L1L1断面地表沉降动态曲线断面地表沉降动态曲线断面地表沉降动态曲线断面地表沉降动态曲线）沈阳地铁）沈阳地铁）沈阳地铁）沈阳地铁2#2#2#2#竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法竖井的施工降水优化方法地面最大沉降地面最大沉降地面最大沉降地面最大沉降地面最大倾斜地面最大倾斜地面最大倾斜地面最大倾斜地面最大曲率地面最大曲率地面最大曲率地面最大曲率地面最大水平变形地面最大水平变形地面最大水平变形地面最大水平变形-100-50050100-60-50-40-30-20-10010203040距离竖井中心线距离距离竖井中心线距离/m二号竖井1234AB动态降水模型L1剖面最大变形曲线动态降水模型L1剖面最大变形曲线采用沉降、倾斜、采用沉降、倾斜、采用沉降、倾斜、采用沉降、倾斜、曲率变形以及水平变形曲率变形以及水平变形曲率变形以及水平变形曲率变形以及水平变形综合分析预测降水引起综合分析预测降水引起综合分析预测降水引起综合分析预测降水引起的地面变形，可以有效的地面变形，可以有效的地面变形，可以有效的地面变形，可以有效的预测地面建筑物以及的预测地面建筑物以及的预测地面建筑物以及的预测地面建筑物以及地下管线的破坏程度，地下管线的破坏程度，地下管线的破坏程度，地下管线的破坏程度，经过综合分析比较降水经过综合分析比较降水经过综合分析比较降水经过综合分析比较降水引起的地面建筑物以及引起的地面建筑物以及引起的地面建筑物以及引起的地面建筑物以及地下管线的破坏为轻度地下管线的破坏为轻度地下管线的破坏为轻度地下管线的破坏为轻度破坏破坏破坏破坏3333）2#2#2#2#竖井竖井竖井竖井L1L1L1L1断面地面最大变形曲线断面地面最大变形曲线断面地面最大变形曲线断面地面最大变形曲线3333）沈阳地铁区间降水优化方法）沈阳地铁区间降水优化方法）沈阳地铁区间降水优化方法）沈阳地铁区间降水优化方法DK0+662DK0+5626666左线隧道中心线右线隧道中心线左线隧道中心线右线隧道中心线降水井兼做水位观测井,井间距6m,3排布置1-17#井18-34#井35-51#井侧面定水头边界侧面定水头边界侧面定水头边界侧面定水头边界侧面定水头边界侧面定水头边界抽水井流量边界抽水井流量边界侧面定水头边界侧面定水头边界上表面
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