基于SEM图像的煤层气渗流裂隙开度影响的模拟研究

通过SEM技术获得煤真实裂隙结构,用以解决煤的非均匀性表征问题。基于裂隙结构特征,使用COMSOL求解Stokes方程来计算气体流动的动力特性,并建立气体渗透率的计算模型,同时定量化的研究了裂隙开度对渗透率的影响。结果表明:裂隙开度对煤层气渗透率的影响很大,同时当考虑Klinkenberg效应时,修正了其气体裂隙流动模型。     

基于格子Boltzmann理论的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性

通过格子Boltzmann方法对裂隙岩体水沙两相流动规律进行理论分析,建立裂隙岩体水沙两相流动的格子Boltzmann模型,推导了水沙两相的基本守恒方程并建立了水沙两相流动系统的控制方程,基于浸入边界法,利用欧拉点和拉格朗日点处理水沙两相界面。通过数值模拟裂隙溃沙情况,分析了沙粒进入裂隙前后的流动形态,研究了颗粒粒径和裂隙宽度对溃沙速度的影响。借助单裂隙下的研究结果,建立上覆厚松散沙层矿井开采模型,分析裂隙发育下突水溃沙情况,发现在初始阶段,沙粒的溃入会堵塞裂隙,抑制裂隙的发育;随着水压的持续施加,大量水沙混合物开始涌入裂隙,岩体孔隙压力增大,导致裂隙迅速发育扩展,甚至会造成顶板垮落,加剧突水溃沙灾害。     

多孔介质气体渗透率测试理论、方法、装置及应用

在深部能源开采及废物存储等领域,渗透率是一个重要指标。测试方法、流体介质和温度波动都会对渗透率的精确测试带来干扰。首先推导和归纳了基于入口端压力/流量和出口端压力/流量的稳态法渗透率计算公式,结果表明,基于入/出口端压力计算结果差异较大,而基于入/出口端流量法计算结果较为接近,并探讨差异背后的原因。进一步对比分析基于压力衰减的稳态法和瞬态法的测试结果,给出4种稳态法和瞬态法的选择参考建议。针对不同流体介质对渗透测试的影响,选取水、酒精和气体进行系统分析,探讨不同介质对渗透率测试结果影响的机制;对于低渗介质气体渗透测试温度波动敏感性大的现象,提出一种基于温度波动消除理论的计算方法,该方法对于低渗介质测试温度消除效果较好;最后,给出不同领域的应用,探讨和分析围压、轴压、饱和度和温度对渗透演化的影响,验证测试理论、方法及装置的适应性,为后续相关渗透测试方法及流体介质的选取提供了借鉴和参考。     

尺度效应对破碎岩体水沙渗流特性的影响

为研究尺度效应对破碎岩体水沙渗流特性的影响,设计了一套水沙渗透系统,利用CMT5305 型电子万能试验机进行试验。在破碎岩体初始孔隙率相同时,岩样厚度的增加在一定程度上可增加破碎岩体的滤沙能力,减少溃沙量,从而降低溃沙灾害的风险;当破碎岩体初始孔隙率较大时,岩样厚度对其滤沙量的影响也较大,而当破碎岩体初始孔隙率较小时,破碎岩体的滤沙量受岩样厚度的影响也较小;破碎岩体的滤沙能力不会随着岩样厚度的增加而无限增加;岩样厚度的增加对水渗流的影响并不明显;初始孔隙率对水沙渗流特性的影响比岩样厚度的影响更大。根据试验结果提出了破碎岩体滤筛模型,给出了可表征初始孔隙率与筛层厚度对筛层滤沙能力综合影响的关系式。     

基于分数阶微积分的煤系砂岩渗流-蠕变模型研究

由于地下渗流对围岩蠕变规律的研究对于深部采掘工程的长期稳定性及安全性具有重要意义,基于岩石蠕变理论、分数阶理论,以煤系砂岩渗流-蠕变耦合试验结果为基础,建立了整数阶与分数阶煤系砂岩渗流-蠕变模型,并通过最小二乘法确定了模型的相应参数,经对模型进行验证与对比发现:整数阶模型与分数阶模型都能够反映砂岩渗流-蠕变特性曲线的变化趋势,但分数阶模型理论曲线与试验更加吻合,模型精度更高,可以为富水区域巷道围岩稳定控制提供参考。