急斜煤层综放开采中固-液-气耦合作用模拟试验

为了揭示急斜煤层综放开采围岩运动规律、注水弱化效果和气体迁移规律,保障急斜煤层综放安全开采。采用固-液-气三相介质物理相似模拟装置及声发射(Acoustic Emission,AE)测试系统,分析急斜煤层综放开采过程中煤-水-瓦斯三相介质耦合作用与AE之间的内在规律,揭示了急斜煤层综放开采中,煤-水-瓦斯三相介质运动规律和煤岩失稳3种判别模式,为现场安全开采提供理论依据。     

气—水两相流耦合模型及瓦斯抽采模拟研究

针对目前进行瓦斯抽采模拟时大多忽略煤层含水的问题,建立了考虑气—水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在瓦斯单相作用的基础上,考虑煤层水渗流及孔隙水压力所产生的影响,推导出相应的应力场方程和渗流场方程,并建立渗透率动态演化模型作为耦合模型,据此分析瓦斯—水运移规律。研究结果表明:考虑气—水两相流,产气速率具有峰值点;若不考虑水的影响,则将高估瓦斯抽采量;距钻孔越远,水对瓦斯运移的抑制作用越明显,且抑制作用大于因煤体自身有效应力减小、渗透率增大所带来的促进作用;煤层初始渗透率对瓦斯抽采具有决定性作用;煤层温度越高,瓦斯压力越不易降低,由温度增高引起的瓦斯解吸效应大于煤层自身的吸附应变效应。     

基于混合物理论的含瓦斯煤本构方程

以混合物理论的Truesdell公设为基础,认为含瓦斯煤是由固相煤、游离相瓦斯和吸附相瓦斯组成的饱和混合物,采用理论推导的方法构建含瓦斯煤的本构方程.方程表明,含瓦斯煤的力学变形特性由各组分特性、瓦斯吸附解吸作用和煤体的孔隙分布共同决定.不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤的应力-应变曲线表明：吸附瓦斯促使煤体产生膨胀变形,降低其弹性模量;围压也将对含瓦斯煤的弹性模量和变形产生重要影响.     

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。     

基于数字图像处理技术的煤层瓦斯渗流过程数值模拟

在考虑克林肯伯格（Klinkenberg）效应、瓦斯解吸效应以及煤层压缩性对于煤层渗透性影响的基础上，提出煤层瓦斯运移的气-固耦合方程.利用基于数字图像的技术进行煤体非均匀结构特征的数值表征，通过数值分析研究了煤层内部结构对于瓦斯运移规律的影响，探讨煤层孔隙结构的非均匀性对于瓦斯运移过程的控制机制.研究表明，基于数字图像的技术是进行煤体的非均匀性表征的一个手段;克林肯伯格（Klinkenberg）效应、瓦斯解吸效应和煤层的骨架受力变形都是控制瓦斯运移的重要因素.     

基于流固耦合模型的穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为研究钻孔瓦斯抽采渗流规律,为钻孔合理布置提供依据,提出了考虑气-水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在多孔介质的有效应力原理基础上,考虑瓦斯吸附/解吸产生的应力,推导出煤体应力-应变本构关系;分析水和瓦斯运移的气-水两相流过程,以相对渗透率为桥梁,给出水渗流方程和考虑Klinkenberg效应的瓦斯渗流方程;构建作为耦合项的煤层孔隙率和渗透率动态演化方程,结合成庄矿4321工作面进行数值模拟。结果表明:成庄矿4321底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采预抽期定为90 d是合理的,抽采过程中瓦斯渗流速度具有阶段性,增大抽采负压对抽采效果影响不明显;穿层钻孔布置方式为终孔间距9 m,钻场间距9 m。工程实践表明,测得的煤层瓦斯压力变化情况与数值模拟结果基本吻合,抽采后煤层瓦斯含量为6.46~7.67 m~3/t,43212巷瓦斯浓度降低了37%,抽采效果良好。     

基于Biot机制的孔隙介质地震波传播特征研究

实际油气储层的孔隙介质往往由固流两相构成,孔隙介质弹性波理论的研究对复杂油气储层有重要的理论与实际意义。地震波数值模拟是一种含有限元、有限差分、伪谱法等,用于研究地下复杂介质较有效的方法。对地震波数值模拟与波场特征分析进行研究,首先用有限差分法模拟Biot孔隙介质纵波方程,选择完全匹配层(PML)处理边界,并利用波场快照分析地震波在孔隙介质中是如何传播的;对Biot模型速度及衰减随频率的关系进行推导,对不同孔隙条件下地震波速度和衰减与频率的变化特征进行分析。     

基于COMSOL的煤层瓦斯渗透性数值分析

为了求解煤层瓦斯渗流关键参数以及瓦斯压力对于渗透性的影响，基于多孔介质理论，应用多物理场模拟技术对煤层瓦斯渗透性进行研究。首先，根据达西定律、N-S方程以及分形理论，利用COMSOL数值模拟软件建立多孔介质孔隙空间分布的随机分形模型，进行多相流耦合物理场数值模拟分析；然后，选用流固耦合蠕动流物理场接口并定义边界值，计算多孔介质孔隙率和渗透率；最后，模拟得出多孔介质煤层瓦斯压力及瓦斯流速云图，通过对入口施加不同瓦斯压力，模拟计算多孔介质煤层的渗透率和最大流速，以此分析瓦斯压力对于煤层瓦斯渗透性影响。结果表明：在单侧施加瓦斯压力(P=0.2 MPa)时，从多相流的流域应力与流速分析得到越是狭窄的模型流域瓦斯涌出流速越快、且越窄的区域煤层应力越大；计算得出该煤层模型孔隙率为55.349%,瓦斯压力P=0.2 MPa时渗透率为4.530 5×10^-13 m²;通过设置入口不同瓦斯压力，渗透率呈现非线性曲线变化规律。     

含瓦斯煤体弹性波传播规律研究

以Biot的饱和流体多孔隙介质弹性波传播理论为基础,考虑到游离态瓦斯和吸附态瓦斯对煤体的力学变形特性存在较大差异,将含瓦斯煤体分为无吸附相模型和吸附相模型,并对含瓦斯煤体的弹性波传播规律进行了研究。研究结果表明:无吸附相模型的弹性波速度随着瓦斯压力的增加略有下降,与单相介质煤相比相差不大;吸附相模型的弹性波速度随着瓦斯压力的增加下降趋势明显,表现出明显的双相介质特征。     

采动含瓦斯煤岩体固-气耦合数学模型及耦合效应分析

以弹塑性力学理论、渗流力学理论、气体扩散理论、固-气耦合理论等为研究基础,构建了采动含瓦斯煤岩体固-气耦合数学模型;以渝阳煤矿为研究背景,利用COMSOL Multiphysics数值分析软件开展了采动影响条件下固-气耦合效应数值模拟试验。试验结果表明,该耦合模型能全面地反应了采动含瓦斯煤岩体变形场中的骨架变形、应力变化和流动场中的瓦斯运移过程的耦合作用机制。     

The study of acoustic emission （AE） forecasting coal and rock disaster technique

Introduced the coal and rock AE propagation rule, wave guide fixing technics on AE sensors, and AE forecasting coal and rock disaster on the scene and so on. The coal and rock AE propagation rule that follows the exponent attenuation function on different AE frequencies, different quality factors and different propagation distances were analyzed and deduced by theory, numerical simulation, and by actual experiment. Consequently, it was deduced that the coal and rock AE propagation rule follows the exponent attenuation function. Based on the correlative theory of wave dynamics and AE sensor, the AE wave guide propagation mechanical model on the sensor fixing manner is found, and the relations of displacement and speed and acceleration between the AE signal source and the AE signal receiving terminal are presented. The effect of the AE sensor fixing manners on coal and rock surfaces, coal and rock bottoms and wave guides were studied by actual experiment. For the results, the effect of the AE sensor fixing manner on wave guides is better than on coal and rock surfaces, and was equivalent to the fixing manner on coal and rock bottoms. Based on the above study results, actual coal and rock dynamistic disasters were successfully forecasted. Supported by the Project of National Basic Research Program of China (973 Program) (2005CB221505); the Significant Project of National Natural Science Fund (50534080/E041503); the Project of Coal Mine Gas and Fire Hazard Prevention Major Lab in Henan Province (HKLGF200508)     

矿井煤岩动力灾害声发射监测适用条件初探

基于应力波传播理论、品质因子 Q 理论，建立了煤岩体声发射传播理论模型，并结合大量现场试验，得出了声发射在不同普氏坚固性系数的煤岩介质中的传播规律；基于此规律及现场实际监测工艺，初步确定了声发射监测煤岩动力灾害的适用条件:当煤的普氏坚固性系数f _p ＜0.2时，声发射传感器宜安装在顶板岩层内；当煤的普氏坚固性系数 f _p ≥0.2时，声发射传感器可安装在岩体内，也可安装在煤体内。     

煤岩瓦斯“固-气”耦合物理模拟相似材料特性实验研究

在固体相似材料研究的基础上,利用“固-流”耦合相似理论,得出适用于煤岩瓦斯“固-气”耦合的相似条件。选用砂子为骨料,石蜡和油为胶结剂,研制出一种适用于开展“固-气”耦合模拟实验的材料。通过大量实验,对相似材料的抗压强度、脆性参数、渗透速率等物理力学进行了测试,并利用自行研制的渗透性测试装置,对不同含量胶结剂的相似材料试件渗透性进行了测试。结果表明,石蜡含量不断增大,材料抗压强度随之增大,渗透性逐渐减小;含油量的变化,消除了单纯使用石蜡时,材料抗压强度变化强烈的不足。合理调节二者之间的比例,可以模拟多种不同强度、不同渗透性的岩石。在力学参数满足模拟岩石的前提下,将研制出的新材料与原始的固相相似材料进行了渗流速度对比实验分析,得出所研制的材料能较大程度的降低气体在其中的渗流速度,并将该材料应用于煤层开采模型实验,有效的揭示了瓦斯渗透速率与上覆岩层运动之间的关系。     

基于声发射的含瓦斯煤试件失稳破坏预测研究

基于岩石破裂损伤理论和气固耦合方法．利用RFPA2D数值模拟系统．对含瓦斯煤试件在破裂过程中声发射（AE）的分布特征进行了研究,并结合AE在时间和空间上的分布特征对失稳破坏区域进行预测。研究表明：含瓦斯煤试件在形成宏观破坏发生失稳前都有明显的声发射前兆,利用声发射在时间上的分布特征可对失稳破坏做出提前预警,利用由拉应力作用产生的声发射前兆信息在空间上的分布特征,可对裂纹的起裂区域做出较准确预测;能为含瓦斯煤体失稳破坏的防治及声发射监测技术在煤矿的应用提供理论基础,具有一定的理论和现实意义。     

高压气体射流破煤应力波效应分析

针对松软低透煤层中水力化增透措施存在的塌孔、抑制瓦斯解析及运移等缺点,提出采用高压气体射流破煤卸压增透的技术方法。根据热力学相关理论,计算分析了气体射流破煤应力波产生的临界当地声速及压力;并进行了高压气体射流破煤实验,高压气体射流冲击煤体时,以准静态载荷和动态载荷作用于煤体,在煤体表面形成冲蚀坑,并以应力波加载的方式在煤体内形成贯穿裂纹导致煤体破裂。通过建立应力波在煤体内传播的弥散方程,分析了孔隙率和渗透率对应力波在煤体内传播的影响。结果表明孔隙率对波速有明显的影响,应力波的衰减随孔隙率增大呈增大趋势,且在高频时应力波衰减变化更为明显;低频时渗透率对波速的影响不大,高频时,在渗透率较低时波速随着渗透率的增大逐渐增大,且波速衰减呈现先增大后减小的趋势;当渗透率大于10-11时,波速不受渗透率的影响,同时应力波也未出现衰减。     

突出和冲击地压中层裂现象的机理研究

针对突出和冲击地压中常出现的岩壁应力突然卸载的力学条件,建立简化的层裂发生及发展数学模型。利用动力学理论,分析了岩壁应力突然卸载时应力在岩体中的传播规律,得出了层裂破坏的原因,并通过数值模拟方法再现了层裂过程。结果表明,冲击地压中层裂现象产生的主要原因是由于地应力突然卸载而形成卸载波,该卸载波向深部传播过程中发生部分反射,反射波和入射波叠加使岩石受拉应力而破坏。煤与瓦斯突出中层裂现象的产生不仅受到卸载波反射叠加的影响,还受到瓦斯的影响,分别表现为高压游离瓦斯参与了煤中裂隙的扩展,以及伴随着层裂的间断性出现,瓦斯压力的间断性释放又会产生向深部传播的卸载波。     

垂直管粗颗粒水力提升不稳定流数值模拟

根据垂直管固液两相流的特征，考虑固液两相流密度、浓度、弹模、阻力等特点，对粗颗粒水力提升不稳定流进行数值模拟。推导出含粗颗粒固液两相流波速方程，水击计算的连续方程及运动方程。可用于解决深海采矿、水力采煤和河道清淤工程等领域的粗颗粒水力提升问题。     

基于逾渗机理的含瓦斯煤体变形破坏机制及试验研究

针对含瓦斯煤岩在高应力环境下易发生松散破坏的问题,考虑煤体的多孔介质特征,研究了含瓦斯煤岩受应力扰动影响下的变形破坏规律。首先,基于逾渗理论提出了含瓦斯煤体的逾渗破坏概念,它的实质是含瓦斯煤岩发生逾渗行为后导致瓦斯突出使煤体失稳破坏过程中发生的一种动力破坏现象。然后通过理论分析了逾渗破坏分布区域并给出了逾渗破坏概率P_∞的计算公式,推导出了含瓦斯煤体的Biot型本构方程,表明含瓦斯煤体孔隙率与渗透系数和有效应力密切相关。结合含瓦斯煤体本构方程并在逾渗破坏区进行了应用,得到了逾渗破坏区半径R_p的计算公式。最后,对拟制备的含气类岩石试件进行了三轴压缩试验,试验结果表明:随着试件孔隙、裂隙增多,弹性模量和脆-延性破坏临界拐点应力值随之减小;同时,黏聚力和内摩擦角值随试件内部气体孔隙增加均不同程度的降低,导致逾渗破坏区半径增大,并且其影响程度会随内摩擦角和黏聚力的减小而增强。随着应力增加,试件内部孔隙、裂隙逐渐贯通,最终呈松散破坏即逾渗破坏。     

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。