深部低透气性首采层煤与瓦斯气固耦合模型

立足于消除煤层渗透及扩散特性对于煤与瓦斯气固耦合模型的干扰,在分析首采煤层所处应力状态特点的基础上,建立更符合煤体的孔隙裂隙二重介质特性的修正的P-M渗透率模型,提出考虑解吸–扩散效应及Klinkenberg效应的煤与瓦斯气固耦合模型,详细阐述多物理场之间的耦合作用关系。应用该模型模拟分析深部首采层顺层钻孔预抽消突过程中煤层瓦斯压力及渗透率的演化规律。模拟结果表明,Klinkenberg效应对低渗透煤层瓦斯运移的促进作用显著,并随着瓦斯压力减小促进效果增大;煤体绝对渗透率的动态变化是骨架压缩效应及基质收缩效应的竞争结果,瓦斯压力开始减小时,骨架压缩效应首先起主导作用,渗透率减小,瓦斯压力持续降低时,基质收缩效应逐渐取代其成为主导作用,渗透率增大。     

基于lattice Boltzmann方法对裂隙煤体中瓦斯运移规律的模拟研究

基于lattice Boltzmann方法建立一个新的模拟裂隙煤体内瓦斯渗流的动力学模型,并利用该模型模拟二维裂隙煤体内瓦斯流动.模拟结果表明,采动压力差对瓦斯流动速度、孔隙瓦斯压力及瓦斯压力梯度都有很大的影响.在采动压力条件下,瓦斯在裂隙煤体中的流动压力具有波动性,波动幅度的大小与流场两端的压力差有关.在瓦斯压力达到峰值前的瞬时,孔隙瓦斯压力梯度很大.随着采动压力差的增大,瓦斯流动由层流过渡到紊流,同时孔隙压力出现发散,压力变化出现明显的非线性特征.基于lattice Boltzmann方法的模拟结果与用其他方法得到的瓦斯渗流规律比较吻合,表明lattice Boltzmann方法可有效模拟瓦斯在裂隙煤体中的运移规律,这为进一步探讨煤与瓦斯两相耦合机制、煤与瓦斯突出机制及瓦斯抽放方案的设计提供新的思路.     

基于lattice Boltzmann方法对裂隙煤体中瓦斯运移规律的模拟研究

基于lattice Boltzmann方法建立一个新的模拟裂隙煤体内瓦斯渗流的动力学模型,并利用该模型模拟二维裂隙煤体内瓦斯流动。模拟结果表明,采动压力差对瓦斯流动速度、孔隙瓦斯压力及瓦斯压力梯度都有很大的影响。在采动压力条件下,瓦斯在裂隙煤体中的流动压力具有波动性,波动幅度的大小与流场两端的压力差有关。在瓦斯压力达到峰值前的瞬时,孔隙瓦斯压力梯度很大。随着采动压力差的增大,瓦斯流动由层流过渡到紊流,同时孔隙压力出现发散,压力变化出现明显的非线性特征。基于lattice Boltzmann方法的模拟结果与用其他方法得到的瓦斯渗流规律比较吻合,表明lattice Boltzmann方法可有效模拟瓦斯在裂隙煤体中的运移规律,这为进一步探讨煤与瓦斯两相耦合机制、煤与瓦斯突出机制及瓦斯抽放方案的设计提供新的思路。     

瓦斯抽采过程中的煤层透气性动态演化规律与数值模拟

 为了研究煤层瓦斯抽采过程中的煤体渗透性变化规律,基于Kozeny-Carman方程,利用表面物理化学与含瓦斯煤的有效应力理论,建立考虑有效应力变化、瓦斯解吸和煤基质收缩效应的煤层渗透率动态变化模型,并结合数值模拟分析煤层瓦斯抽采过程中煤体透气性动态演化规律。研究结果表明：(1) 所建立的煤层渗透率动态演化模型能较好地描述煤层瓦斯抽采过程中的煤体透气性动态演化规律。(2) 煤体渗透率与煤体孔隙压力之间呈现出“V”字型变化趋势,低瓦斯压力阶段煤基质收缩效应占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而增大;高瓦斯压力阶段有效应力作用占主导地位,煤层渗透率随瓦斯压力降低而减小。(3) 从煤层内部逐渐接近抽采钻孔过程中,煤层瓦斯压力较高时,煤体渗透率先减小后增加;煤层瓦斯压力较低时,煤体渗透率不断增大。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型及无因次解算

 考虑瓦斯在煤层中的解吸、放散与渗流,利用达西定律分别描述煤基质与裂隙内的瓦斯运移,以煤基质与裂隙之间的传质通量为桥梁,发展煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型,推导无因次模型,并运用有限差分法进行编程解算。结果表明：瓦斯压力、含量在裂隙内的下降速度要远大于煤基质;基质空间内瓦斯压力及含量的分布具有非均匀性及非稳态性;增大裂隙渗透性或煤层瓦斯压力,或减小煤壁表面瓦斯压力,均能导致瓦斯涌出速度的增大;煤体游离瓦斯含量对瓦斯涌出速度影响较小。结合潘一矿煤层瓦斯参数,对比模拟结果和实测数据,验证了煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型的正确性。     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

煤体采动裂隙现场实测及其应用研究

为获取高强度开采条件下煤体采动裂隙,以天地王坡矿3207工作面为背景,采用钻孔窥视法、测线法和测窗法等综合手段进行煤体采动裂隙现场实测研究.在此基础上,结合COMSOL Multiphysics软件研究煤体采动裂隙场对采动应力分布、煤层瓦斯压力的影响;探讨瓦斯压力与采动裂隙分布之间关系,并分析采动裂隙条件下抽放孔的合理布置方式.     

温度与孔隙压力耦合作用下煤岩吸附–渗透率模型研究

为模拟瓦斯抽采过程中温度与孔隙压力对煤岩吸附及渗透特性的影响,利用等温吸附装置、含瓦斯煤热–流–固耦合三轴伺服渗流装置,开展等温吸附试验及不同温度下孔隙压力降低的渗流试验。建立修正的双L吸附模型和考虑温度–孔隙压力耦合作用的煤岩渗透率模型。通过试验结果及试验比对验证其合理性。结果表明:在本文试验条件下,煤岩瓦斯累积解吸量随瓦斯压力降低呈逐渐升高趋势。当温度恒定时,煤岩渗透率在降压过程中呈先降低后升高的趋势。当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率在升温过程中呈先降低后升高的趋势。修正后的双L吸附模型比原吸附模型拟合效果更好,能很好反映不同温度下煤岩吸附量与气体压力的变化关系。煤岩瓦斯解吸过程中产生的基质收缩应变随孔隙压力降低而升高。新建渗透率模型与试验数据具有较好的一致性,可以更好的表征不同温度条件下的煤岩渗透率演化规律。     

变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究

通过变化的围压和孔隙压力的作用,进行含瓦斯煤三轴压缩的实验,系统地研究了含瓦斯煤在变形过程中渗透率的变化规律;并根据大量的实验数据,拟合得到含瓦斯煤的渗透率随围压和孔隙压力变化的经验方程。研究结果表明该经验方程可应用于双层系统煤层变形与煤层气越流耦合模型的数值分析,使邻近层(采空区)孔隙压力分布或瓦斯抽放率的数值模拟更逼近实际观测结果。     

Analysis of coupled gas flow and deformation process with desorption and Klinkenberg effects in coal seams

Coupled gas flow and solid deformation in porous media has received considerable attention because of its importance in pneumatic test analysis, contaminant transport, and gas outbursts during coal mining. Gas flow in porous media is quite different from liquid flow due to the large gas compressibility and pressure-dependent effective permeability. The dependence of gas pressure and gas desorption on gas permeability has a significant effect on gas flow, but has been ignored in most previous studies. Moreover, solid deformation has a direct impact on the porosity, which also leads to desorption or sorption of methane in the coal seam. In this study, a coupled mathematical model for solid deformation and gas flow is proposed and is implemented using a finite element method. The numerical code is used to solve the gas flow equation with Klinkenberg effect, and is validated by comparison with available analytical solutions. Then, it is used to simulate the coupled process during gas migration in a deformable coal seam. The numerical results indicate that the desorption and Klinkenberg effects and mechanical process effect make a significant contribution to gas flow in the coal seam. Without considering the desorption and Klinkenberg effects and the coupling action of mechanical process, the gas pressure in the coal seam would be underestimated.     

考虑吸附作用的煤层瓦斯非线性渗流数学模型

 基于以往试验成果,得到煤体渗透率与其吸附气含量之间的函数关系,建立考虑吸附作用影响的煤层瓦斯非线性渗流数学模型,该模型表征的渗流阻力更清晰,物理意义更明确。达西定律是该模型的特例。在此基础上,采用数学物理方法推导考虑吸附作用的煤层瓦斯渗流方程分析解,更真实地反映了瓦斯在煤层中的运移特征。考虑吸附作用的数学模型的计算结果与试验结果吻合很好,应用该模型可为矿井瓦斯灾害的治理和煤层气资源的开发提供基础理论和依据。     

基于结构异性比的含瓦斯煤渗透各向异性研究

渗透率是煤层气生产中的重要参数,而原煤的结构异性导致其渗透率具有明显的方向性。假设煤体结构各向异性,建立基于结构异性比的煤体各向异性渗透模型,再进一步推导出瓦斯煤各向异性气–固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究了煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明:煤体结构异性比和平行层理方向渗透率与垂直层理方向渗透率的比值之间存在指数关系,结构异性比越大,则渗透率比值越大;恒定围压条件下,结构异性比随压力的增大而增大,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在增大;恒定围体积条件下,结构异性比随压力的增大而减小,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在减小;本文模型计算数据与渗透各向异性试验数据吻合度高,验证了本文模型的合理性,可适用恒定围岩应力、恒定储层体积等多种条件的渗透各向异性研究。     

含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究

首先在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点,在前人的研究成果基础上,建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型。假设含瓦斯煤岩是一种各向同性的弹塑性材料,同时考虑瓦斯吸附的影响,得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程,建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩的固气耦合模型。最后通过给定模型的定解条件和相关参数,利用有限元方法建立了相关的数值计算模型,并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。     

地球物理场中煤层气渗流控制方程及其数值解

 为探索地球物理场中原地煤层气运移能力对煤层气储集和富集能力的影响,以地应力场、地温场中煤层气连续性方程、气体状态方程、吸附方程、渗流方程为基础,建立了应力、温度影响下的煤层气渗流控制方程。方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含量、渗透率和孔隙率的影响,其中,应力和温度通过影响煤层气压力影响吸附量,通过影响煤层气压力和孔隙率影响游离量;温度还通过影响吸附常数b影响吸附量;不同的应力、温度组合条件下,渗透率的变化机制不同。通过Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下煤的甲烷等温吸附实验、不同温度及有效应力下煤体中甲烷渗流实验以及煤的孔隙率、工业分析等实验,研究应力、温度影响下的煤层气渗流特征。不同温度下煤的甲烷等温吸附实验表明,吸附常数a随温度变化不明显,b随温度升高而下降;不同温度、不同有效应力条件下煤的甲烷渗流实验表明,小有效应力条件下,煤体中甲烷渗透率随温度升高而升高;大有效应力条件下,渗透率随温度升高而下降。以实验数据和原始地质资料为基础,采用有限差分法,进行了地球物理场中原地煤层气渗流运移能力的一维、二维数值模拟。计算表明：研究区现今原地煤层气渗流运移导致的煤层气散失甚微,低渗煤层具有良好的储集和富集能力,但不利于后期开采,卸除地应力和升高温度是提高煤层气抽采率的有效途径。     

采动条件下被保护层瓦斯卸压增透机理研究

保护层开采作为一种典型的煤与瓦斯安全开采形式在煤矿生产中具有重要的意义。通过由半无限开采积分模型求解得到的岩体内部位移场表达式并与相似模拟被保护层沉降曲线对比,研究发现理论模型可以较好地反映煤层实际变形。建立了“两带”裂隙分布模型及其简化力学模型,通过正交设计的全应力应变渗透试验发现,瓦斯渗透主要分为3个过程,发现瓦斯渗透急剧变化在体积应变达到0.015处,对比理论体积应变分布曲线,得出体积应变沿沉降范围总体上呈对称分布,在中心区域存在一个体积应变大于0.015的范围,可见其正处于渗透率急剧增加阶段,其卸压增透效果最好。研究结果为被保护层瓦斯卸压增透计算提供了参考。     

煤层瓦斯运移机制的关键参数表征

 煤层的瓦斯扩散系数、浓度流动系数、初始运移强度系数和衰减系数,是煤体孔隙结构和煤质特性的力学表征。为研究煤层瓦斯运移机制,量化煤层瓦斯运移能力,依据Fick扩散理论和质量守恒方程,建立了描述煤体瓦斯浓度与扩散速率的计算模型,采用变量分离法进行数学求解,并通过数据迭代方法获取煤体内瓦斯的扩散系数和表面浓度流动系数;通过室内4种煤样瓦斯运移实验数据比较发现,煤体瓦斯质量增量与运移时间成负指数关系,且随煤阶升高而增大;瓦斯运移速度和衰减系数取决于煤的吸附能力和煤质组分,且煤种之间差异明显;渗透率与扩散系数成线性关系,与流动系数成二次函数关系,且随煤阶升高整体呈增加趋势。