半承压煤层瓦斯流动的数学模型

煤层作为富含孔隙和裂隙的多孔介质,其中赋存的瓦斯流动符合多孔介质中的流体渗流规律,即达西定律。当煤层上覆岩层和底部岩层为致密岩层、透气性极小时,可以认为完全不透气,则含瓦斯煤层为承压煤层;当煤层上覆岩层和底部含有一定的裂隙,其渗透系数与含瓦斯煤层相比虽然很小,但仍然有少量瓦斯通过透气性较低的上下岩层流入或流出含瓦斯煤层,此时含瓦斯煤层为半承压煤层。在承压煤层瓦斯流动的基础上,考虑半承压煤层瓦斯流动的特性,分别推导了渗透率各向同性和各向异性条件下半承压煤层瓦斯流动的微分方程,从而建立了半承压煤层瓦斯流动的数学模型。     

关于煤层瓦斯的涌出机理——包括对煤层的裂隙和吸附瓦斯所进行的考察

<正> 一、绪 言 煤层内的瓦斯流动,一般认为有如下两个过程。即构成煤层的块煤中的吸附瓦斯解吸到煤层裂隙中去为第一过程;该煤层裂隙内的游离瓦斯在流向工作面或者钻孔时为第二过程。 第一过程据山崎·Bielicki等认为,可以将其看作是遵循菲克(Fick)定律的扩散现象;而Airy也在对此进行考察,其认为即是微小块煤中,达西(Darcy)定律也是成立的。至于第二过程,一般都是用达西定律来加以处理的。     

煤层瓦斯流动理论及其应用

煤层瓦斯(沼气)的流动基本上符合达西渗滤定律.影响瓦斯流动的基本参数是瓦斯压力P、透气系数λ和含量系数α.作者根据气体在多孔介质中渗滤的理论将煤层瓦斯流动划分为单向、径向和球向三种类型.用数字方法和模拟方法解算了均质和非均质煤层中瓦斯流动的微分方程式,并从实践中初步证明解算结果与实际瓦斯涌出现象基本相符.导出的煤层瓦斯流动理论有助于阐明煤层瓦斯流动的本质,研究瓦斯抽放、瓦斯预测和计算各生产地点瓦斯涌出量等矿井瓦斯问题.     

阳泉低透性煤层瓦斯抽放参数计算

<正> 根据阳泉煤层瓦斯流动符合达西定律的特点,建立了瓦斯流动方程。探讨了低透性煤层瓦斯抽放参数和抽放率的计算问题。煤层瓦斯含量由游离瓦斯量Γ_1,和吸附瓦斯量Γ_2两部分组成:(?)     

抽放钻孔瓦斯流动模型及解算软件设计

抽放钻孔周围的煤层瓦斯流动可近似视为一维径向流动,其运动规律符合达西定律。根据煤体原始瓦斯压力、吸附常数、透气性系数等参数可对抽放钻孔周围瓦斯流动进行解算。本文建立了一维径向瓦斯流动数学模型,并编制了相应软件对该模型进行计算     

煤与瓦斯突出流体动力学机理研究

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的重大灾害,近年来随着对深部煤炭资源需求增加,煤和瓦斯突出次数和强度也日趋严重。运用流体动力学基本原理探讨突出过程中瓦斯气体压强和流速变化,研究表明游离态瓦斯气体在煤岩体内高速流动时产生的压强波可在煤层裂隙网中不断积累传播。而煤层中压强波的出现不仅能够改变裂隙中瓦斯气体流速和压力并扩展煤层裂隙,使含瓦斯煤岩体孔隙结构破坏,最终导致煤与瓦斯突出灾害发生。     

抽放钻孔瓦斯流动解算及其软件设计

抽放钻孔周围的煤层瓦斯流动可近似视为一维径向流动,其运动规律符合达西定律。根据煤体原始瓦斯压力、吸附常数、透气性系数等参数可对抽放钻孔瓦斯流动进行解算。建立了一维径向流动数学模型,并利用ＭＳＦＯＲＴＲＡＮ５０编制了相应软件对该模型进行计算     

有钻孔煤层瓦斯流动方程及其应用

本文研究了有钻孔煤层瓦斯流动方程、数值解的近似表示,并用一维瓦斯流动实验和三个煤矿的大量考察验证了它的解,结论如下: 1.煤层中的瓦斯流动可以用建立在达西渗透定律基础上的瓦斯流动方程来描述。 2.平均隐式差分预估-校正法是解瓦斯流动方程的有效方法。 3.均质煤体的瓦斯压力、瓦斯流量规律近似符合实际煤层情况。 4.瓦斯压力分布、钻孔瓦斯比流量和总流量的近似式可以应用在以下情况: ①用无限流场单一钻孔总流量计算煤层平均透气性; ②用钻孔瓦斯比流量按曲线拟合随机尝试法计算煤层原始瓦斯压力; ③计算单一钻孔的无限流场和多钻孔的有限流场的瓦斯抽排放效果(瓦斯压力分布、钻孔瓦斯比流量和总流量); ④用流场某点所测的瓦斯压力计算等效透气性; ⑤计算抽排放钻孔间距和抽排放时间。     

煤层瓦斯流动理论研究

对煤层瓦斯流动的规律进行了研究,论述了几种流动规律及其应用范围:线性渗透理论适用于低雷诺数区、线性层流区域;线性扩散理论适用于煤的微孔隙和煤体表面;渗透—扩散理论适用于含有裂隙和微孔隙的煤体;非线性渗透理论适用于中雷诺数区,非线性层流区域;考虑地应力场、地温场,及地电场等地物场和应力史对煤层瓦斯流动场具有显著的作用和影响条件下的渗流理论,这种理论是综合考虑多种因素对瓦斯流动影响得出的,多煤层系统瓦斯越流理论适用于瓦斯和煤体的耦合。     

煤层瓦斯抽采钻孔失稳的延迟效应分析

针对富含节理裂隙的煤层瓦斯抽采钻孔结构失稳的延迟现象,分析了瓦斯抽采钻孔周边的瓦斯流场和节理裂隙场。研究表明钻孔结构失稳是由瓦斯孔隙压力和节理裂隙共同影响的;瓦斯孔隙压力的变化会影响节理裂隙表面的正应力,增加节理裂隙发育、扩展、破坏的可能性,宏观表现为钻孔结构的失稳;瓦斯抽采钻孔结构失稳时间上的延迟效应内因是由于煤层节理裂隙的存在,外因则是煤层节理裂隙中瓦斯孔隙压力的变化。最后结合实例说明瓦斯抽采钻孔结构延迟失稳能造成瓦斯抽采浓度、抽采流量的大幅度下降等问题。     

封闭空间内煤粒瓦斯解吸实验与数值模拟

为研究瓦斯在煤粒中流动的基本规律,设计了封闭空间内的煤粒瓦斯解吸实验,分别以菲克和达西定律为基础,建立了该条件下煤粒瓦斯放散的数学模型,通过有限差分的方法进行离散并编制程序进行解算,最终实验和数值模拟都得到了4种粒径的煤样在不同初始压力下累积解吸量随时间的变化关系。根据实验和模拟结果分别绘制ln\[1-(Qt/Q∞)2\]-t关系图进行对比,结果表明：在菲克模拟中,无论扩散参数B如何变化,其结果始终为一条直线;而达西模拟和实验结果有明显的曲线特征并且两者拟合度较高,说明在封闭空间内煤粒中的瓦斯流动更符合达西定律。结合以往研究可知,无论外部压力变化与否,瓦斯在煤粒内的流动都服从达西定律而不是菲克定律。     

煤层孔隙裂系统的分形规律研究

煤层孔隙、裂隙分布符合分形规律，本文从分形几何学角度出发，通过对煤层孔隙、裂隙模型分维值的计算，实现了煤层孔隙、裂隙的定量描述，为研究煤岩物理结构及与之相关的一些问题提供了一条新的有效途径。     

考虑扩散-渗流作用的瓦斯流动模型及抽采半径确定

为找到一种能够准确测定低渗松软煤层有效抽采半径的方法,及确定合理的抽采钻孔参数,以煤介质的双重孔隙结构特征以及瓦斯流动理论为基础,根据质量守恒定律、Fick定律以及Darcy定律,建立了考虑扩散-渗流作用的瓦斯流动模型。并以余吾煤业低渗松软的3#煤层为例,将建立的瓦斯流动模型植入到COMSOL中开展计算,得到了抽采钻孔周围瓦斯流动规律及不同抽采时间的有效抽采半径,计算数据与现场测试结果的吻合证实了所建立的瓦斯流动模型的有效性,形成了一种确定低渗松软煤层抽采钻孔附近的瓦斯流动规律及抽采半径的方法。     

瓦斯抽采半径确定的数值模拟研究

为了研究钻孔抽采过程中煤层瓦斯的运移规律以及确定合理的抽采半径,基于煤体孔隙-裂隙双重介质的结构模型,建立了考虑吸附解吸的受载含瓦斯煤体瓦斯流动耦合方程。并实测鹤壁三矿二1煤层数值计算所需相关参数,采用COMSOL-Multiphysics数值模拟软件对钻孔周围的煤层瓦斯流动进行数值计算模拟,得到不同抽采时间内的有效半径,并根据模拟结果探讨了抽采负压对抽采效果的影响。最后通过模拟流量数据与现场实测流量数据的比较,两者结果基本一致,从而验证了数值模拟结果的正确性。     

下向穿层钻孔瓦斯及水压力恢复曲线

依据达西定律和质量守恒定律,对下向穿层钻孔周围煤层内瓦斯的流动和水的流动分别建立了数学模型,结合气体状态方程,计算得出两条压力恢复曲线都为双曲线,工程试验中通过电子压力导出曲线得到验证。     

煤层瓦斯含量的岩体结构分析及预测

煤层瓦斯含量是决定煤与瓦斯突出的主要因素之一,利用岩体结构分析的方法可以分析预测围岩岩体结构对煤层瓦斯赋存的控制作用。研究表明,煤层围岩岩体结构控制了煤层瓦斯的赋存,岩体结构可用岩层效应厚度影响系数来表示,应用这一参数研究煤层瓦斯赋存比用煤层顶板岩性及含砂率更科学。计算了煤层顶板围岩对煤层瓦斯赋存的最佳有效影响厚度为20m。预测了新安煤田煤层瓦斯含量,预测值比较符合生产实际,可以作为生产中瓦斯涌出量预测及矿井瓦斯灾害防治的依据。     

煤体内瓦斯的物理特性和流动理论分析

煤与瓦斯突出是煤矿中常见的一种灾害事故,瓦斯治理成为了煤矿企业任务的重中之重。对煤体内瓦斯的物理特性与流动理论进行研究,结合煤体的压缩试验及瓦斯流动理论方程,展开了详细分析,通过采用WDW3100电子万能试验机进行压缩试验,得出煤体最大压力与抗压强度的关系,应力的重新分布会改变原有的形状,瓦斯的压力与含量会改变,并对瓦斯流动中的模型做了假设,煤层中的瓦斯流动符合达西定律。     

煤层瓦斯抽放参数计算

以达西定律为基础,建立了煤层瓦斯流动方程,并利用电子计算机进行数值求解。通过对阳泉七尺煤层现场实测数据的整理分析和模拟计算,探讨了阳泉七尺煤层的瓦斯抽放参数计算问题。由此得出,延长抽放时间对于提高瓦斯抽放率亦具有不可忽视的作用;当抽放时间受到限制时,要想提高瓦斯抽放率,与其增大钻孔直径,不如减小钻孔间距更为合理。     

考虑流固耦合的立井揭煤瓦斯抽采模拟研究

瓦斯抽采对于立井揭煤具有重要的作用,传统的瓦斯抽采设计常依据经验或仅靠瓦斯在煤层中流动服从达西定律和质量守恒定律来判断和设计瓦斯抽采工程,没有考虑瓦斯的吸附作用和应力对煤层瓦斯流动的影响。在考虑流固耦合和瓦斯吸附作用的基础上建立了瓦斯流动方程,同时对不同煤层围岩应力下瓦斯流动情况作了分析,指出了围岩应力大小对瓦斯抽采具有重要的影响,围岩压力增大会导致瓦斯难抽出,残余瓦斯压力大;围岩压力越大,煤层渗透率越低。     

采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明：采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。