注热条件下含瓦斯煤体吸附及渗透率模型分析

为了分析煤层注热对煤体瓦斯产出的影响效应,需要对注热条件下煤体瓦斯吸附、解吸规律和煤体渗透率变化规律进行研究。基于Langmuir吸附模型和Warren-Root几何模型等假设条件,结合弹性力学和渗流力学理论,建立了煤体瓦斯吸附及渗透模型并对其进行了分析,最终得出在注热条件下,温度和水分对煤体瓦斯吸附和渗透率的影响规律,为煤层注热多场耦合模型的分析求解奠定了基础。     

钻孔抽放瓦斯渗流特性的气固耦合模型

随着矿井开采深度的增加,地应力、瓦斯压力、煤体特性等因素的变化对瓦斯渗流的影响越来越明显。根据钻孔抽放瓦斯的渗流特性与固体变形的基本理论,引入了固体力学和多孔介质流耦合的控制方程,同时考虑了分子滑脱效应对渗流的影响。建立了考虑抽放钻孔在不同的地应力、不同初始渗透率和不同抽放负压条件下,瓦斯运移与煤体变形相耦合作用的数学模型。通过研究钻孔抽放瓦斯过程中,在不同地应力和瓦斯压力的影响下,得出煤层渗透率和瓦斯运移的变化规律。     

钻孔抽放瓦斯渗流特性的气固耦合模型

随着矿井开采深度的增加,地应力、瓦斯压力、煤体特性等因素的变化对瓦斯渗流的影响越来越明显。根据钻孔抽放瓦斯的渗流特性与固体变形的基本理论,引入了固体力学和多孔介质流耦合的控制方程,同时考虑了分子滑脱效应对渗流的影响。建立了考虑抽放钻孔在不同的地应力、不同初始渗透率和不同抽放负压条件下,瓦斯运移与煤体变形相耦合作用的数学模型。通过研究钻孔抽放瓦斯过程中,在不同地应力和瓦斯压力的影响下,得出煤层渗透率和瓦斯运移的变化规律。     

马堡煤矿浅孔注水预排瓦斯试验

为了防止回采期间采煤工作面瓦斯超限,分析了煤层注水驱替瓦斯的基本原理,基于渗流力学建立了煤层注水气-液两相流驱替理论与控制方程,运用RFPA2D-flow数值模拟软件,建立了煤层注水驱替瓦斯数值模型,模拟结果显示,采取注水措施后,可以有效增加煤体渗透率,改善煤体应力环境。通过在马堡煤矿8208综采工作面进行了浅孔注水预排瓦斯试验,结果表明,采取煤层浅孔注水措施后工作面瓦斯得以在检修和交接班时间得到均匀释放,回采期间瓦斯涌出平均浓度降低了0.1个百分点,有效控制了工作面落煤和煤壁瓦斯涌出,改善了安全作业环境,具有良好的应用前景。     

石门揭煤防突抽放瓦斯钻孔合理布置参数的研究

在建立石门揭煤抽放瓦斯钻孔周围煤体瓦斯渗流方程的基础上，利用数值计算方法模拟分析了煤层钻孔周围瓦斯渗流规律以及影响石门揭煤外孔瓦斯抽放率的影响因素，提出了在一定煤层透气性条件下原始煤层钻孔抽放瓦斯的极限抽放时间、极限抽放量和最大的安全抽放钻孔间距，并将数值计算结果应用于指导现场 施工，取得了较满意的结果。     

考虑吸附作用影响的煤岩非线性渗流方程

已有的诸多研究表明,瓦斯在煤体内的流动属非线性流动。依靠自行设计的煤岩渗透特性测试装置,采用实验研究的方法,建立了考虑吸附作用影响的煤岩非线性渗流方程,并通过对煤岩非线性渗流的力学特征分析,阐述了吸附作用对煤岩非线性渗流特性的影响机制。考虑吸附作用影响的煤岩非线性渗流方程,可应用于煤层瓦斯流动理论及开发计算研究。     

煤层瓦斯渗流力学研究现状和展望

文章综述了国内外在煤层瓦斯（煤层气）渗流力学研究方面的现状，总结了我国近年来在煤层瓦斯渗流力学研究所取得的重要进展，展望了该研究领域中需要深入研究的方向和有关的发展趋势。     

煤层瓦斯合理预抽期的确定方法探讨

为了合理规划煤层瓦斯的预抽时间,基于煤层瓦斯渗流理论,探讨了合理预抽期的确定方法,建立了抽采钻孔周围煤体的瓦斯流动方程,利用MATLAB编制了解算程序。在杜儿坪矿8#煤层回采工作面进行了应用。结果表明:在同样的预抽时间内,钻孔间距越小,煤层瓦斯预抽率越大。     

瓦斯抽采钻孔周围煤体中瓦斯流动的探讨

为了给矿井瓦斯抽采钻孔的合理布置提供依据,分析抽采钻孔附近煤体中瓦斯的流动,将煤体视为仅有裂隙的介质,在仅考虑瓦斯的渗流的条件下进行研究。为了方便对钻孔周围煤体中瓦斯流动进行数值分析,基于一定假设建立了煤体裂隙的等效面积模型,运用流体力学和高等数学的知识建立了微元体内的瓦斯流速的方程,进一步计算出了钻孔周围煤体半径为,钻孔长为的范围内的瓦斯流量。得出了瓦斯流量和煤层渗透率之间的关系式,为矿井瓦斯抽采提供一定的参考。     

煤层体积应变与裂隙中瓦斯压力的关系

对煤层瓦斯及煤层结构进行了分析,以渗流的连续方程及有关的力学方程为基础,推导出了煤层体积应变与裂隙中瓦斯压力关系的连续方程,并对含瓦斯煤层处于完全封闭状态和非封闭状态时进行了分析和研究。     

Numerical simulation of coal-bed methane transfer with finite element method

The mathematical model and the numerical simulation for the transfer of coal-bed methane were established based on the combination of the porous flow theory and elastic-plastic mechanics theory and the numerical solution was given, together with the consideration of the fluid-solid interaction between the coal-bed gas and coal framework. Then the dispersion for the equation of gas porous flow and coal seam distortion was carded out and the functional analysis equation was obtained. Finally, the coupling solution was educed and calculated by finite element method (FEM) on a model example.     

注热井周围煤体蠕变过程的渗透率变化规律模拟研究

本文通过使用COMSOL软件的数值模拟方法,进行了注热煤体在蠕变过程中渗透率变化规律的研究,结合物理实验得到温度对于煤体相关力学参数的影响关系,分析了温度对于煤体蠕变及其渗透率变化的作用。认为如果煤体的温度高于阈值383K时,温度升高会使煤体骨架向外膨胀,其初始渗透率增大;煤体温度低于该阈值时,温度升高会使其初始渗透率降低。在注热20d后,注热井周围的煤体蠕变变形加剧,其渗透率受蠕变影响呈下降趋势。     

煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论

根据煤体变形破坏与其中瓦斯渗流的相互影响和相互作用机理，提出了煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论，即突出是含瓦斯煤在体采掘活动影响下，局部发生迅猛，突然破坏而造成的，是应力、瓦斯及煤质３个主要因素综合作用的结果。采用Ｄｉｒｉｃｈｌｅｒ势能量小原理作为突出发生准则，建立了瓦斯对影响的本构关系及煤和瓦斯突出固流耦合的数学模，并用有限元法进行数值模拟，结果表明，采深和瓦斯压的增加都将使突出发生的危险增加。     

多孔介质软岩蠕变的渗流固流耦合模型

基于深部岩体工程地质灾害防范预测研究的目的,开展了渗流对软岩蠕变变形规律的影响的研究,根据岩土流变力学和流体力学理论,流体的质量和能量守恒方程,建立了单向流体在多孔介质软岩中流动的固流耦合数学模型。     

平顶山东部矿区深井动力灾害多因素耦合统一灾变机理

冲击地压、煤与瓦斯突出两者的强度理论本质上是类似的,两者的孕育过程也是相似的,但发生的能量来源和过程有较大区别。平顶山东部矿区深井动力灾害受区内褶曲、断层、构造煤及煤层瓦斯等多因素控制,在采掘过程中,构造应力、瓦斯压力与采动应力相互耦合,煤岩固体骨架有效应力的改变导致了孔隙率变化,结果使瓦斯压力改变,进而影响到煤层瓦斯运动。瓦斯在煤层中迁移时,孔隙压力变化引起固体骨架变形,反映了煤体变形与孔隙压力变化的相互关系。围绕平顶山东部矿区深部开采矿井动力灾害问题开展研究工作,分析各类矿井动力灾害发生的机理和动力源,确定了平顶山东部矿区煤样冲击倾向性等级,揭示出深井动力灾害的多因素耦合统一灾变机理,建立了统一的数学模型。     

采动影响下煤层瓦斯运移规律研究

煤层中的瓦斯流动是一个瓦斯气体运移与煤层固体变形之间相互耦合的复杂过程。以鹤煤三矿3号煤层4101工作面为研究对象，建立了双重孔隙特性瓦斯运移数学模型，借助有限元方法量化分析了气体运移、钻孔破坏之间的气固耦合现象，分析了塑性破坏对渗透率的影响，并利用Comosol研究了注入空气对瓦斯压力、流量的作用过程。现场试验表明，数值模拟所得结果较好地匹配了现场瓦斯压力结果，数据间的差异可能来自于对煤层赋存环境的理想简化，所建立抽采模型可以用于矿井抽采钻孔参数设计与抽采效果评价。     

碎软煤层韧性破坏-渗流耦合本构关系及其间接压裂工程验证

间接压裂是提高碎软低渗煤层地面井煤层气产量的新技术之一,其成功与否的关键在于顶板水力裂缝能否有效穿透煤岩界面并进入煤层,核心要素是碎软低渗煤层的韧性破坏与渗流耦合响应特征。将二维问题的Park-Paulino-Roesler势能函数扩展到三维应力空间,结合立方定律,得到煤结构面的韧性断裂-裂缝切向渗流关系;构建煤基质塑性变形与拉、压损伤的Helmholtz自由能表达式,结合达西定律,导出煤基质在塑性变形、张拉损伤变量影响下的渗透系数(或滤失系数)表达式。在数值计算中,将煤基质与结构面的力学属性分别赋予实体单元和零厚度的黏聚力单元,通过共享节点的方式连接并由此实现2者间的应力-渗流耦合。采用断裂力学实验识别材料参数,结合水力压裂实验验证碎软煤层的韧性破坏-渗流(DF-S)耦合本构方程组的合理性。在此基础上,模拟研究了多因素影响下水力裂缝从顶板向煤层延伸的过程,包括水平井和界面的间距D,竖向与最小水平地应力之差Δσ,煤岩界面摩擦因数f_c,r。结果表明:(1)DF-S本构方程组可以较好地反映间接压裂过程中碎软煤层的韧性破坏-渗流耦合响应特征;(2)煤岩界面会在很大程度上阻碍水力裂缝扩展,其机理在于水力压裂引起煤岩界面处煤结构面的韧性断裂、煤基质的塑性损伤、压裂液滤失引发的水力能量耗散,导致实际用于水力裂缝扩展的弹性能(或裂缝表面能)最低只占到水力能量的2%;(3)数值模拟条件下,水力裂缝穿透煤岩界面的临界f_c,r与D呈正相关,与Δσ呈负相关关系。D对临界f_c,r的影响更大,将D控制在1 m之内有望使18%~30%的水力能量用于水力裂缝扩展,提高间接压裂煤层技术的成功率。水力裂缝穿透碎软煤层与顶板界面的临界条件成果在山西晋城矿区赵庄矿得到应用,实现碎软煤层地面井煤层气增产,为煤层间接压裂方程设计提供了理论支撑。     

煤层气运移特征的研究

煤层气在煤层中的流动是孔隙中扩散和裂隙中渗流的综合过程，研究二者之间的质交换关系，对开发低透气性煤层的煤层气具有指导意义．首次依据第三类边界传质的原理，建立了扩散渗流的微分方程组，重点讨论了反映煤层气扩散渗流特征参数的测试原理，实测了某煤层的特征参数．     

煤层气注热开采的热-流-固耦合作用分析

如何提高煤层气产量是目前煤层气开采研究中的重要课题。煤层气在煤层孔隙中主要以吸附状态存在,提高煤层温度可以促使气体由吸附态转变为游离态,增加其渗流扩散能力。根据热弹性力学、非线性达西渗流理论和多孔介质热力学原理,对在煤层中注热提高煤层气产量的机理进行了系统研究,建立了包含煤的变形方程、气体渗流方程、热传导方程的热流固多物理场耦合数学模型。在此基础上利用COMSOL Multiphysics数值软件,对耦合模型进行了数值求解,结果表明:注热后煤层温度升高可以促进煤层气解吸、提高煤层渗透率,增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论基础。     

瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响,基于应变,探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响,构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型,并结合前人的试验数据,对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明:①将煤体的结构单元体简化为立方体模型,分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响;基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系,推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似,均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形;通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同,构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据,进行了全局优化非线性拟合,与基于有效应力的模型相比,所构建的模型与试验数据吻合度较好,验证了所建立模型的可靠性,并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。