煤与瓦斯的热流固耦合关系研究现状及展望

为揭示煤与瓦斯的热流固交叉耦合关系,采用文献调研和理论分析的方法,探讨了含瓦斯煤应力场、渗流场和温度场的相互作用关系,阐明了各耦合项中蕴含的耦合关系,建立了煤层变形-瓦斯渗流-温度变化耦合作用模式,分析了煤与瓦斯热流固耦合作用的研究进展、存在的问题及后续研究方向,在现有耦合关系基础上增加了应力作用下的瓦斯吸附/解吸特征以及不同地质条件和开采条件下的解吸热效应特征,完善了煤与瓦斯热流固耦合关系。研究结果表明：已有的一些耦合关系存在方程形式不统一、普适性较弱等特点,且尚有一些耦合关系没有建立合适的方程,应力场和渗流场的耦合作用中缺少应力作用下的瓦斯吸附/解吸特征;解吸热源方程和吸附瓦斯量方程的适用条件、准确性及各种形式的方程存在的差异有待进一步研究;温度作用下的煤体物理力学参数变化方程普适性较弱,只能说明特定条件下温度场和应力场的耦合作用;已建立的热流固耦合模型中忽略了表示热能与应变能之间相互转化的耦合关系。对后续研究提出了几点建议：耦合机理研究方面,建议对应力作用下煤层瓦斯的吸附/解吸特征进行研究;建议对特殊的地质构造和开采条件下煤层中不同位置处的解吸热效应、变形能和摩擦热的演化特征等开...     

不同瓦斯压力的煤在单轴受压条件下温度变化规律

为了利用煤体温度预测技术预防煤与瓦斯突出灾害,本文依据热力学、渗流力学、岩石力学等学科的基础理论以及煤与瓦斯突出假说,构建了含瓦斯煤的热流固耦合模型.利用COMSOL软件对含瓦斯煤体的单轴加载过程进行数值模拟,主要对不同瓦斯压力状态下的煤体受压后表面的温度变化规律进行研究.结果表明,当煤体内瓦斯压力为0.1 M Pa时...     

含瓦斯煤体固气耦合数学模型及数值模拟

基于固气耦合作用的基本理论,从孔隙率和渗透率的基本定义出发,综合考虑吸附膨胀效应和Klinkenberg 效应对煤体中瓦斯的运移影响,推导出孔隙率与渗透率的动态参数模型,并建立了含瓦斯煤体固气耦合模型。运用有限元方法给出自然卸压条件下的耦合数值解。数值模拟结果表明：孔隙瓦斯压力随着自然卸压时间的增大而减小;煤体孔隙率和渗透率随自然卸压时间的增加而增加,与现场渗透率测试规律基本相符;从煤体深处向距离工作面煤壁方向,孔隙率与渗透率缓慢增加、急速下降、急剧增加等3个阶段。     

煤层气水平井井周围岩热流固耦合数值分析

煤层气井壁失稳是影响煤层气产业化开采的重要原因之一,以宁武盆地9#煤层的煤层气水平井为研究对象,运用有限元软件分析了2种条件(不考虑热流固耦合作用的影响和考虑热流固耦合作用的影响)下井周的应力分布和变形情况。模拟结果发现:考虑热流固耦合作用时,结果与工程实际更加吻合;水平井井周围岩所受的Tresca应力、第一、第二和第三主应力均存在应力波动区域,该区域容易产生新生裂隙,降低了井周围岩的强度,容易产生井壁失稳事故;在AB弧长上,井周围岩大于8.0 cm的井段上,井周变化率大于5.0%,容易产生井壁失稳事故。     

含瓦斯煤THM耦合模型建立

在建立THM耦合模型所需的9条基本假设基础上,综合应用弹性力学、渗流力学、传热学理论,以含瓦斯煤系统为研究对象,建立了体现含瓦斯煤"三场"真正意义上的双向完全耦合数学模型。该模型包括含瓦斯煤应力场、渗流场、温度场方程和各场的定解条件,揭示了含瓦斯煤系统内渗流、变形和变温之间的内在联系。所建的模型是煤层瓦斯传统渗流理论和流固耦合理论的推进。     

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。     

钻孔瓦斯抽采流-固耦合数值模拟

为了探究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯压力随时间的变化规律,通过建立流-固耦合模型,考虑渗透率、孔隙率和体积应变的动态变化,结合矿井煤层物性参数,运用多物理场软件进行了模拟分析。分析结果表明:随着抽采时间的延长,钻孔周围煤体瓦斯压力逐步降低,在瓦斯抽采过程中,瓦斯压力的降低有助于渗透率的提高,但影响效果甚微,埋藏深度对煤层渗透率起主导作用。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟

通过在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附产生的膨胀应力,得出适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。同时利用含瓦斯煤岩的孔隙率和渗透率的动态模型,建立了能描述含瓦斯煤岩固气耦合情况下的骨架可变形性和气体可压缩性的固气耦合模型。以平顶山十矿的相关物性参数为基础进行了数值模拟,首先对建立的三维模型进行了开挖处理,得到了开挖后煤层的应力分布状态,而非简单的均布载荷,然后利用所建立的数学模型进行钻孔抽采瓦斯三维数值模拟。从数值模拟结果得到：① 抽采负压对钻孔抽采瓦斯的影响不明显;② 随着抽采时间的增长,煤层的孔隙率逐渐减小;③ 随着时间的推移,钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径均逐渐增大,最后会迫近一个定值。     

含水煤层热流固耦合模型建立及数值模拟研究

为优化含水煤层瓦斯抽采孔的布置方式,在考虑气—水两相流、应力及温度因素的基础上,建立了能够描述煤层在瓦斯抽采过程中的热流固耦合模型。以平顶山某矿工作面的相关物性参数为基础进行了数值模拟,采用COMSOL Multiphysics高效模拟软件进行科学数值计算模拟。研究得出,含水饱和度对气体的相对渗透率影响显著,而且随着抽采的进行,钻孔周边含水饱和度随之而提高,阻碍了瓦斯抽采工作的进行;在瓦斯抽采过程中,随着抽采时间的进行,压力的变化梯度逐渐变小,且呈现非线性关系;瓦斯抽采过程中需要考虑温度对其影响,温度的变化对煤层渗透率的变化有着重要的作用。故在对煤体进行水力化处理时,需要优先采用排水手段,结果表明在煤体中注入水蒸气可有效提高瓦斯抽采效率。     

裂隙状采场底板固流耦合作用的数值模拟

提出了承压水上采煤的裂隙介质固流耦合数学模型及其数值模拟解法，介绍了西峪煤矿承压水上采煤问题进行的数值试验方法及结论，研究了推进速度，煤柱宽度与水压，煤柱应力，断层渗透系数，断层变形之间的相互关系 。     

煤层瓦斯流固耦合渗流的数值模拟

将渗流力学与弹塑性力学相结合,考虑煤层瓦斯和煤体骨架之间的相互作用,建立了煤层瓦斯运移的数学模型,并给出其数值解。对煤层瓦斯渗流方程和煤体变形场方程分别进行离散,得到其相应的泛函方程。根据有限元法原理推出其耦合求解方法,最后进行了实例计算,证明所建立了理论是正确的。     

基于热流固多场耦合的多路阀数值仿真及配合间隙研究

针对液压系统多路阀在温度场、压力场耦合作用下导致的阀芯、阀体泄漏和卡紧问题,通过ANSYS Workbench平台对其进行热流固耦合数值模拟仿真。分析了在最高压力条件下,不同阀芯、阀体材料变形量随油液温度变化特性,得出了常见材料阀芯、阀体配合间隙随温度的变化规律,以及不同配合材料的最优初始间隙值,并对不同配合方案的配合特性进行评价。该方法有效地解决了多路阀阀芯卡紧与泄漏间的矛盾,提高了多路阀的使用寿命。     

含瓦斯煤的渗透率-应变特征的试验研究

基于含瓦斯煤热流固耦合试验系统,进行了不同瓦斯压力条件下型煤试件渗透率与体积应变的试验研究。结果表明:随着瓦斯压力的增加,煤样的峰值强度呈减小的趋势;煤样的应力-轴向应变曲线与渗透率-轴向应变曲线有较好的对应关系;渗透率-体积应变曲线存在1个渗透率反弹点,反弹点前渗透率随体积应变的增加呈现出降低的趋势,反弹点后随着体积应变的减小呈现出增加的趋势;反弹点前和反弹点后渗透率与体积应变的关系均可以用线性表达式进行拟合,且拟合度比较高;反弹点前渗透率降低的趋势比反弹点后渗透率增加的趋势陡。     

含水煤层瓦斯抽采的气-液-固耦合数值模拟

为解决含水煤层条件下瓦斯不易解析、煤层渗透率低而造成的瓦斯抽采困难的难题,基于煤层的孔隙-裂隙双重介质模型结构,分别建立了煤层的孔隙渗透率和裂隙渗透率动态变化模型,得到了含水煤层瓦斯抽采的气-液-固多相耦合方程组,并通过数值模拟研究了在水平应力、煤质硬度和煤层含水等因素影响下的瓦斯抽采效果。研究结果表明:水平地应力越大时,煤体中裂隙的张开度较小,瓦斯抽采量就降低;煤层残余水分越多,渗透性越差,瓦斯抽采量越小。该模型可用于分析瓦斯抽采过程中的影响因素分析,也可用于煤层瓦斯抽采量的预测与预计。     

煤与瓦斯突出过程中瓦斯流动规律的理论模型及数值解法

煤与瓦斯突出是发生在煤炭开采过程中的一种地质灾害,其机理复杂且破坏性强,是煤矿安全生产的极大威胁。至今,对煤与瓦斯突出机理的研究仍然处于不断探索认识的阶段,学者们普遍认为地应力,瓦斯压力以及煤体物理性质共同导致了突出的发生,瓦斯作为三要素之一,在突出中起着重要作用。因此,研究突出过程中的瓦斯在煤样中的流动规律,对研究突出机理具有重要意义。煤与瓦斯突出是一个动力学过程,因此从力学的角度研究突出过程中瓦斯流动规律,可以分析瓦斯在突出过程中的主要作用。基于多孔介质渗流理论,建立了突出过程中瓦斯流动的控制方程,该方程为一个非稳态非线性偏微分方程,利用有限体积法对控制方程离散后得到该方程的离散形式为一个非线性方程组,利用拟牛顿法求解该方程组并得到其数值解。利用二分法原理和试验数据分析确定了突出过程中试验所用煤样的近似渗透率,该渗透率远大于实验室测得的煤样静态渗透率。通过试验验证了该数值解的正确性。基于建立的控制方程,进一步分析了突出过程中瓦斯状态,如瓦斯压力,瓦斯压力梯度以及瓦斯流动速度的变化规律。整个突出过程中,最大的瓦斯压力梯度始终出现在孔口附近且瓦斯压力梯度快速衰减,结合试验现象,可以表明...     

穿层钻孔瓦斯径向流动的数值模拟与应用研究

在煤层穿层钻孔瓦斯径向流动中,根据实测穿层钻孔的自然流量数据,运用径向流量法和煤层透气性系数优化算法对煤层透气性系数进行计算,为煤矿开采和建设提供准确的基础数据,从而实现煤矿的安全生产.     

基于连续变温变件的含瓦斯煤渗流特性数值模拟

针对含瓦斯煤渗透率与温度变化关系,基于物理实验和数值模拟对比研究了温度变化对煤样瓦斯渗流的影响,通过对煤样的瓦斯渗流特性的深入的分析,得到以下结论:通过应力场-温度场-渗透率的实验研究,煤样渗透率随温度升高而下降,其变化曲线呈"S"型曲线;煤样渗透率随温度变化曲线可分为5个阶段,分别为缓慢下降阶段、加速下降阶段、减速下降阶段、二次加速下降阶段、平缓阶段;温度T=25~80℃的范围内,煤样渗透率随温度变化的幅度是随着轴压围压的增大而升高的;利用数值模型可以很好的对热力耦合情况下的煤岩的渗流特性进行计算模拟,其数值模拟结果与物理实验结果的吻合度较高。     

煤与瓦斯突出多物理场分布特征的数值模拟研究

为揭示煤与瓦斯突出过程煤体多物理场耦合灾变机制,在含瓦斯煤气固耦合方程基础上,利用COMSOL软件中的固体力学与PDE模块,模拟了突出前后煤体应力场、变形场、气体流动场分布规律。与前期开展的突出物理模拟试验结果进行对比验证,证实了数值分析方法的可行性。模拟结果表明：突出后孔洞壁附近煤体发生塑性变形,导致此处煤体渗透率增大,且随着应力增大,突出孔洞壁处煤体渗透率可比原始渗透率增加2～3个数量级;突出后气体压力从突出孔洞壁面到煤体深部呈现先急剧上升后降低至原始气压的变化趋势,在孔洞壁处形成较高压力梯度,是突出持续发生的必要条件。