声波作用下煤层瓦斯解吸效应的物理试验装置

为了研究煤层瓦斯的吸附和解吸规律以及声波动力作用下的煤层瓦斯渗透能力与瓦斯的解吸、扩散、渗流等特征,研制了大型物理模拟试验装置,该装置容积为85 L,所装煤样量可达70kg,作用于煤体的压力可达25 MPa,注气压力可达3 MPa,可以模拟地面以下1 000 m以浅的煤体压力状态和3 MPa以内的瓦斯压力状态;辅以声波激振器等配套装置,可以模拟煤体在声波作用下的渗透性变化和瓦斯解吸、扩散、渗流等过程,为研究煤层瓦斯的解吸、扩散、渗流在声波动力作用下的响应特征提供了新的试验平台.     

煤层甲烷吸附与解吸的MC模拟可行性分析

国内外对煤的甲烷吸附与解吸研究主要停留于吸附、解吸机理的研究和对吸附、解吸可逆性试验研究阶段。从分子微观角度,介绍了分子MC(Monte Carlo)模拟方法用于甲烷分子吸附、解吸模拟的模拟原理和主要步骤(进行系综选择;建立吸附、解吸模型;初始条件与周期边界处理;启动模拟;模拟中的随机过程;计算系综热力学平均值;实验室验证)[1],探讨了将分子MC模拟方法应用于甲烷吸附与解吸所要解决的问题,从而证明MC模拟研究方法的可行性。     

基于Lattice Boltzmann方法的瓦斯渗流模拟研究

为了更好地处理瓦斯渗流中的吸附-解吸问题和复杂边界条件,Lattice Boltzmann方法(LBM)被引入到瓦斯渗流模拟研究中。给出了考虑Klinkenberg效应和吸附-解吸特性的LBM瓦斯渗流方程和建模方法,得到了2种因素对渗流的影响,模拟研究获得了煤体中瓦斯压力在时间上的演化和空间上的分布规律、不同裂隙分布对瓦斯流动的影响,对比分析了抽放压力及抽放孔布置对瓦斯抽放效果的影响等,并初步探索了煤体细观结构图像处理与LBM相结合的瓦斯渗流模拟研究新思路。     

煤中瓦斯流动MD模拟的细节问题研究

采用MD模拟研究瓦斯在煤中的流动,需要对以下几个细节进行描述:一是构建系统模型;二是初始设定;三是建立分子运动模型。文章从以上三方面对研究内容进行了探讨,构建了与真实煤层系统相容的系统模型;确定了类似煤层中瓦斯的分子初始位型;从势能函数选取及分子间作用力计算、运动积分算法、周期性边界条件及积分步程选择四个方面对分子运动模型建立进行了详细论述;并对流动模拟过程进行了"真实化"处理,使模拟过程更接近现实情况下瓦斯在煤中的流动情况;最后,建立了瓦斯流动的流量计算方法。     

瓦斯突出及渗流物理试验研究进展

系统综述了前人研究煤与瓦斯突出的物理试验方法及理论成果,得出突出物理模拟试验分为瓦斯压力破膜突出模拟试验、人工缓慢干扰突出模拟试验、点火爆炸气压突增模拟试验、瞬间卸压突出模拟试验、间接突出试验5种方案;渗流试验由单一影响因素向多影响因素综合分析,并得到各因素影响渗流变化量的规律。认为目前该类试验研究为静态-突出模拟而非动态-突出模拟;没有研究机械振动作用下含瓦斯煤体渗流特性;没有研究突出前后瓦斯渗流规律;未系统分析煤体力学性质、瓦斯解吸吸附、渗流、煤体变形特征与突出破坏特性间的关系,以及机械振动对煤体强度、瓦斯解吸吸附、渗流、突出的影响。     

顺层钻孔抽采煤层瓦斯固气耦合模型的建立与应用

将煤体看作双重孔隙单渗透率的特殊多孔介质,考虑煤层变形引起的孔隙率及渗透率变化,瓦斯的渗流扩散及吸附瓦斯解吸过程,建立了煤层瓦斯抽采固气耦合数学物理模型。利用COMSOL软件,模拟研究了钻孔抽采过程中煤层瓦斯的运移规律。研究结果表明:煤层中某一位置的渗流速度变化曲线会随着其与钻孔距离的变化而变化,距离钻孔越远渗流速度达到最大值所用的时间越长,渗流速度最大值也越小。研究结果对治理煤层瓦斯具有重要意义。     

煤层内甲烷流动的微观机理研究的可行性探讨

采用分子动力学的相关理论,利用计算机模拟的方法,研究煤层内甲烷的解吸-扩散-渗流过程。介绍了煤层内甲烷流动的微观研究现状,说明了微观机理研究方法,指出了工作重点,证明研究方法可行。     

含瓦斯煤渗流模型的研究现状及发展方向

针对含瓦斯煤渗流模型的研究,是科学制订矿井瓦斯抽采作业规划或煤层气开发部署方案的理论依据。对含瓦斯煤渗流模型的研究成果进行了系统的梳理,并就相关理论的适用性进行了详细的分析。结合当前我国煤炭行业的发展趋势,指出了含瓦斯煤渗流模型研究的发展方向:(1)考虑"吸附解吸迟滞现象"的瓦斯扩散模型研究;(2)煤自身孔隙、裂隙结构与非线性渗流模型中各关键参数之间关联的微观作用机制研究;(3)基于非线性渗流—扩散与多物理场耦合作用影响的含瓦斯煤渗流模型研究。     

考虑启动压力梯度的低渗透煤层瓦斯渗流耦合模型及应用

低透气性煤层瓦斯低速渗流时具有非Darcy渗流的特征,为揭示非Darcy渗流现象的渗流机理,开展了包含非Darcy渗流现象的瓦斯渗流与煤岩变形耦合作用规律研究。根据低透气性煤层瓦斯渗流特征,考虑启动压力梯度作用下的非Darcy渗流规律,研究游离瓦斯渗流、吸附瓦斯扩散流动机理和煤岩变形等过程,建立含启动压力梯度的渗流耦合模型,并利用该模型开展本煤层预抽钻孔数值模拟研究,结果表明,考虑启动压力梯度的模拟结果更符合低渗透煤层瓦斯运移规律,依据模拟结果布置井下钻孔,工作面预抽钻孔抽采瓦斯量为1.09 m3/t,抽采效果理想。     

低温条件下瓦斯解吸规律数值模拟

为了能够研究低温条件下瓦斯在煤粒中的解吸过程,以瓦斯流动理论为基础,根据菲克定律,以煤粒中瓦斯流动为研究对象,建立了煤粒的瓦斯流动方程,并以低温环境条件下等温解吸实验为例,利用COMOSOL软件对煤粒中的瓦斯流动进行了数值模拟,确定不同温度、不同时间的解吸量。     

边坡岩体裂隙水渗流的计算机模拟

本文在现场节理测绘的基础上，利用蒙特卡洛法建立起了与现场岩体节理分布等效的节理网络图，分析了边坡岩体中节理网络图内裂隙水的运动规律，计算出了水头水压等值线图。     

甲烷在黏土矿物狭缝孔中吸附的分子模拟研究

利用巨正则蒙特卡罗模拟方法和分子动力学方法研究甲烷分子在4类黏土矿物(蒙脱石、高岭石、伊利石和绿泥石)中赋存微观结构和微观吸附机理,并研究不同孔径和不同压力对甲烷在4类黏土矿物中吸附行为的影响。研究结果表明:甲烷的平均等量吸附热随着孔径增大而下降,且小于42 k J/mol,证明甲烷在黏土矿物中的吸附属于物理吸附;甲烷分子受到黏土矿物孔壁面势能作用影响,在孔壁面附近区域聚集从而形成吸附层,其为吸附相,而远离孔壁区域,受到孔壁面势能较弱或未受到孔壁面势能作用影响,甲烷分子分散于孔中,其为游离相;甲烷分子在不同类型黏土矿物不同尺度的孔隙中赋存状态存在差异;黏土矿物微孔中,甲烷吸附量随着孔径增大而增大,而中孔中,甲烷吸附量随着孔径增大而减小;从微观角度来看相同孔径中,不同类型黏土矿物对甲烷近似有相同的吸附能力,但是宏观角度来看不同类型黏土矿物样品对甲烷的吸附能力差异较大,说明不同类型黏土矿物样品对甲烷吸附能力主要通过比表面积因素来影响;甲烷分子在孔中吸附气量所占比例随着压力增大或孔径增大而呈下降趋势。     

注气驱替煤层甲烷的有效影响半径研究

为了确定井下煤层注气有效影响半径,以煤层瓦斯渗流理论、瓦斯扩散理论、多元气体竞争吸附、能量守恒以及理想气体状态方程为基础,以钻孔周围煤体瓦斯流动场为研究对象,建立了井下注气驱替煤层甲烷的数学模型,并以石港煤矿的实测参数为计算依据,利用Comsol软件对抽采钻孔在不同注气时间、不同注气压力下瓦斯流动进行了数值模拟,发现注气有效影响半径随注气时间和注气压力的增大而增大,为现场注气提供依据。     

基于分子模拟的煤中甲烷吸附扩散行为研究现状及展望

煤层中甲烷既是一种优质清洁能源,又是一种矿井灾害源.由于煤分子结构复杂,实验方法难以表征煤中分子微小尺度的吸附扩散行为.随着现代计算机信息科学和统计力学理论的发展,分子模拟方法突破了传统实验宏观的理论研究路线,使得从分子尺度研究煤中甲烷吸附扩散行为成为可能.目前更多科研学者从煤结构特征、孔径分布特性和气体吸附扩散特性等...     

采空垮落区瓦斯非线性渗流-扩散模型及其求解

根据高强度快速推进条件下大空间采空垮落区瓦斯运移的特点,按照渗流力学理论,将采空区视为连续的渗流空间,瓦斯在采空区实际是机械弥散和分子扩散引起的散布过程,通风风流流动状态是由工作面湍流向采空区深部层流的过渡状态.运用质量守恒定律和非线性渗流方程,提出基于Fick扩散定律和Brinkman方程的瓦斯扩散-通风对流运移模型,综合考虑了流体压力梯度和动能作用,比较适合采空垮落区的风流运动和瓦斯对流扩散规律.通过数值求解,研究采煤工作面采空垮落区内瓦斯运移的作用机理.     

岩体裂隙网络渗流模型的数值解法

阐述了岩体裂隙调查的方法、步骤，说明蒙特卡罗方法的基本思想，介绍了随机数的产生方法和几个分布函数，并利用蒙特卡罗方法模拟岩体裂隙网络、图论法建立岩体裂隙网络渗流模型，推导出渗流方程，并求解出裂隙段渗流速度。     

突出矿井掘进工作面瓦斯渗流模型及数值模拟

为了掌握挂耳钻场抽采影响下掘进巷道瓦斯涌出情况,指导矿井的巷道掘进工作,建立了综合考虑解吸、渗流、扩散、Klinkenberg效应的瓦斯运移数学模型,利用数值模拟软件对挂耳钻场瓦斯流动规律进行了数值分析。结果表明,随着抽采时间的增加,钻孔影响范围逐渐增大,钻场周围煤体瓦斯压力的变化与钻孔间距有直接关系,采用挂耳钻场的瓦斯抽采方式能够有效降低巷道暴露煤壁的瓦斯涌出量。