碎软煤层空气定向钻进煤粉运移规律数值模拟研究北大核心

为研究粒径和风量对煤粉在钻杆与孔壁环空内沉积、运移和分布规律的的影响,以碎软煤层空气定向钻进成孔为背景,利用欧拉-欧拉模型,对压缩空气输送煤粉颗粒形成的气固两相流进行数值模拟。结果表明:风量越大,颗粒粒径越小,煤粉的沉积程度越小,对煤粉的输送能力越强,相应的孔底压强越大;在同一风量下,小粒径煤粉主要呈现螺旋线翻滚向孔口输送,大颗粒煤粉则主要位于中下部沿特定轨迹向孔口移动。     

煤炭粉尘颗粒起动风速影响因素及数学模型

通过风洞模拟实验及对影响煤炭颗粒起动过程主要因子的分析,推演了水分对粉尘起动的影响机理,并建立煤炭粉尘颗粒起动风速数学模型.结果表明,煤炭粉尘颗粒的起动风速不仅与粒径有关,也与水分有关.在水分较低条件下,粉尘颗粒的起动风速与粒径相关,符合Bagnold等的经典模型;在水分含量较高时,Bagnold等的经典模型不再适用于描述粉尘的起动风速规律,受水分的影响较大.水分对煤炭粉尘起动风速的影响主要有亲水效应和凝聚效应2个方面.凝聚效应的发生存在粒径阈值和含水率阈值2个临界.对煤炭粉尘颗粒,粒径阈值为180 μm,含水率阈值与粒径呈线性关系.根据煤炭粉尘颗粒的起动特征,基于经典模型和水分影响理论分析得出煤炭粉尘颗粒的起动风速的新模型.     

Shell煤气化飞灰粘附特性及沉积机理分析

针对飞灰在Shell干煤粉加压气化合成气冷却器段等处的粘附与沉积,利用X射线荧光光谱仪、显微颗粒图像分析仪和扫描电镜/能谱联合分析仪对L和Y两种入炉煤粉在煤气化过程中产生的飞灰样品进行了化学组成、粒度分布、表面形貌以及元素组成进行了研究.结果表明:CaO和Fe2O3在Y飞灰中的富集系数分别是L飞灰的1.72倍和0.28倍;飞灰微观形貌为球形颗粒,其粒径大部分集中在0～1.0 μm,粒径大的飞灰颗粒表面粘附的小颗粒中钙元素含量比大颗粒高.结合飞灰在气化过程中的物理化学特征,初步分析了飞灰颗粒的形成和沉积原因,并描述了飞灰颗粒之间以及飞灰颗粒与管壁之间的粘附过程.     

煤粉对支撑裂缝导流能力的影响特征及其防控

针对煤层气井的煤粉伤害问题,运用LD-1A导流能力测试系统模拟了煤层气井变排量、恒排量及间抽过程中煤粉在支撑裂缝中的运移沉积情况,分析了不同流速下煤粉对支撑裂缝导流能力的影响特征及伤害机理。实验表明:煤粉易滞留沉积在支撑裂缝底部严重影响导流能力,导流能力伤害率可达90%以上;在没有煤粉持续进入支撑裂缝的情况下,有效排出煤粉导流能力有增大的趋势;排采制度、煤粉质量含量、煤粉粒径对导流能力的影响特征存在明显差异;煤粉随水运移时对支撑剂窄口的疏通作用和聚集堵塞作用共同影响支撑裂缝导流能力。压裂前期使用小粒径支撑剂,尾追大粒径支撑剂,合理控制排采速度,使排采速度略小于煤粉运移的临界流速,并使用煤粉分散剂,有利于适量排出煤粉减小导流能力伤害。     

煤层气井煤粉颗粒表观机械运移规律

煤粉颗粒在煤层气井的排采过程中会随着流体运移至井筒,研究煤粉颗粒在井筒中的运移规律,对于优化排采参数、避免煤粉在井筒内沉积甚至埋泵非常必要。自行设计了煤粉颗粒运移实验装置,开展了煤粉颗粒静态沉降实验和动态运移实验,得到了煤粉颗粒静态沉降末速和最小携带速度。结合球形颗粒自由沉降末速的理论计算公式,建立了煤粉颗粒实际沉降末速的计算模型,并确定了不同目数煤粉颗粒的最小携带速度与实际沉降末速间的关系,最终建立了煤层气井最小日排水量的计算公式。研究表明,对于产水量较小的井,流体携带煤粉颗粒的能力与煤粉颗粒的粒径、井筒内流体流速间的关系敏感,本文提出的最小排水量计算公式对于煤层气井的排采参数设计具有一定的指导作用。     

基于离散元法的煤矿井下护孔筛管防堵性颗粒流分析

基于离散单元法,用PFC3D软件建立了煤粉颗粒通过筛管的颗粒流模型,通过对煤粉颗粒穿过筛眼体积量的模拟,研究了护孔筛管的防煤粉堵塞性能,分析了筛眼直径、粒径比和围压等参数对煤粉颗粒通过筛管性能的影响规律。结果表明:穿过筛眼的颗粒体积随着筛眼和粒径比的增大而增大,且随着筛眼直径的增大其趋势逐步加大,总体上讲,穿过筛眼的颗粒体积整体上随着围压的增大而增大,但存在着"激变"区间,即围压增长到某一范围时,煤粉颗粒通过筛眼的体积量突然增大。     

沁水盆地柿庄地区煤粉发育特征及其对产出的影响

煤粉发育和产出特征对指导煤层气勘探开发具有重要的意义。以沁水盆地柿庄地区为研究对象，收集了钻井取心、测井信息、排采数据和煤层气井产煤粉样品等，基于测井解释、激光粒度测试和煤粉质量分数监测等方法，系统分析了煤粉发育特征及其对产出的影响。研究结果表明：研究区原生煤粉可划分为煤粉发育复杂区、煤层底部发育煤粉区、煤粉不发育区、煤粉较少发育区和煤层顶底发育煤粉区5类地区，产出煤粉粒径分布在0.4～3 300μm，质量分数集中在0～0.5；煤粉发育特征影响着煤层气井初次产粉时间，其中原生煤粉发育复杂区一般在见气之前初次产煤粉，原生煤粉底部发育区和原生煤粉顶底发育区初次产粉时间规律性较差，原生煤粉不发育区和原生煤粉较少发育区一般在见气之后初次产煤粉；排水降压阶段受井筒附近煤粉发育特征的影响，产出煤粉以中、粗颗粒煤粉为主，煤粉颗粒大，质量分数不高；提产放气阶段受排采强度和煤粉发育特征的影响，以中、细颗粒煤粉为主，煤粉颗粒较小，煤粉质量分数高且波动较大；稳定产气阶段主要产出远端裂缝中的原生煤粉或压裂工程产生的次生煤粉，煤粉颗粒更小，质量分数相对较小且波动小；产气衰减阶段的煤粉颗粒最小，煤粉产出量少。     

单相流煤层气井裂隙煤粉受力分析及启动条件

为了准确地计算煤层气井出煤粉条件,基于煤层骨架煤颗粒受力,建立了煤层颗粒启动的力学模型。依据韩城煤田的资料,分析了煤层气井单相流阶段煤层骨架脱落颗粒大小与液体渗流速度、排液量以及压力差的关系。结果表明:在单相水流阶段,煤层气井煤粉产生与流体的渗流速度呈正向二次关系,当液体渗流速度大于该煤粉粒径的临界速度时,小于该颗粒粒径的煤粉将会脱落。从统计学观点,渗流速度越大,产生煤粉越多;排采中排液量越大,对煤层骨架拖拽作用越大,煤粉颗粒越容易脱落,当排液量在17m3/d以上时,大部分煤粉颗粒就会脱落。合理控制排液量在17m3/d以下有利于减少煤粉的产生。     

煤液化热高压分离器煤粉漂移特性数值模拟与优化

为揭示煤液化热高压分离器（简称“热高分”）内的煤粉漂移规律,基于热高分的结构特性和多相流物性参数,建立物理模型,并采用VOF(volume of fluid)模型和DPM(discrete phase model)模型,数值分析进口液固两相中固相质量分数、颗粒粒径对煤粉漂移特性的影响。研究发现：在气液交界面处,煤粉颗粒平均质量浓度最大,并随进口固相质量分数的增加而增大;小颗粒对气流的跟随性好,故气相出口的煤粉漂移率与颗粒粒径呈负相关关系;当进口固相质量分数增大到7%以上时,对应同一颗粒粒径下煤粉漂移率基本不变。通过在热高分上部增加45°倾斜挡板,发现气相出口处煤粉漂移率从2.03%下降到0.88%。     

铁矿粉流态化还原过程黏结机理分析

为探究常压下铁矿粉颗粒在流化床中进行还原时的颗粒间黏结失流情况,指导用流化床还原铁矿粉的工业化应用,以澳大利亚某铁品位为61.42%、颗粒粒径为0.63~1.0 mm的铁矿粉为原料,添加与铁矿粉质量比为2%的MgO粉末,在还原温度为923～1 023 K、H²与CO体积比为4∶1的混合气体为还原气体、还原气体线速度为0.6 m/s、还原时间为60 min条件下,考察铁矿颗粒在流化床中还原时的受力情况。结果表明：颗粒在流化床中的存在状态主要受气体对颗粒的曳力、颗粒间的黏结力以及颗粒自身重力作用的影响。颗粒在竖直方向上所受向上的合外力大于零时,处于流化状态;合外力等于零时,铁矿粉处于临界黏结状态;合外力小于零时,处于黏结失流状态。温度相同时,颗粒间黏结力随着固体桥半径增大而增大;当固体桥半径相同时,高温条件下颗粒间的黏结力比低温条件下要大,黏结失流的临界固体桥半径范围为82~106 nm。     

矿尘凝聚机理及实验研究

通过尘粒起动风速与尘粒粒径的关系的研究,认为可以通过使粉尘颗粒牢固凝聚,生成大尘粒的办法来减少矿井扬尘。通过对尘粒间作用力的比较和分析,肯定了洒水降低井下扬尘的科学性;同时认为用化学方法增大尘粒间的凝聚力,减少矿井扬尘是可行的。     

煤粉分级浮沉试验方法的探索

分析了煤粉在离心力场或重力场中直接分级浮沉存在的问题,介绍了煤粉掺泥分级浮沉试验的原理。通过对单个煤粉颗粒在离心力场和重力场中的受力分析,提出了离心力场中煤粉掺泥分级浮沉试验的方法,并通过试验和t检验验证了试验的可行性,成功地解决了细粒煤粉分级浮沉周期长、成本高和各密度级物料混杂的问题。     

煤层气水平井钻井工程因素对煤粉产出影响的数值模拟——以柳林区块为例

煤粉产出是制约煤层气开发的关键因素。影响煤粉产出的因素包括静态和动态因素,钻井工程是动态因素中影响煤粉产出的重要因素之一。以柳林煤层气区块为例,从井壁稳定性角度出发,运用ANSYS软件建立了二维、三维模型,分别模拟了不同钻井方位、钻井液密度、井眼半径、井斜情况下井壁的受力和变形,分析了煤层气水平井钻井工程因素对煤粉产出的影响。研究表明,井眼大小和井斜对煤粉产出的影响较大,而井眼方位和钻井液密度对煤粉产出的影响较小;井眼方位沿最大水平地应力方向时,井周等效应力差值最大,应力集中最明显;钻井液密度过大会导致井壁拉伸破坏;水平井钻进过程中,井眼半径越大、井斜越大,越易产生煤粉。为了减少钻井因素导致的煤粉产生,建议研究区水平井钻进时,井眼方位选择沿最小水平地应力方向,水平段选用清水钻进,水平段井眼倾角尽量与煤层倾角保持一致。研究成果为煤粉管控措施提供参考。     

突出煤-瓦斯在巷道内的运移规律

以煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流为研究对象,利用自主研发的煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置进行了巷道中突出煤-瓦斯两相流试验研究,通过试验观察将煤颗粒的运动过程分为加速、平衡减速及沉降等运动阶段,并综合运用固体颗粒在气流中的悬浮运动机理和能量守恒定律,建立了一维情况下突出煤在巷道中的运移数学模型。通过模型计算分析得到,突出煤颗粒运移距离随初始气流速度的增大呈增大趋势,随颗粒粒径的分布规律由于其符合的流动状态不同而不同。     

倾斜煤层底板破坏深度计算方法及主控因素敏感性分析

为研究倾斜煤层底板破坏主控因素对底板破坏深度的敏感性,根据弹性力学中的半无限体理论建立了沿煤层倾斜方向底板破坏深度求解力学模型,计算了倾斜煤层底板采动最大破坏深度。以阳城煤矿的采场条件为工程背景,基于FLAC3D数值仿真软件,按照正交试验设计方案对3306工作面底板破坏特征进行数值模拟。运用矩阵分析法以及方差分析法对模拟结果进行分析计算,确定各主控因素对底板破坏深度的敏感性。研究表明:(1)随着工作面推进距离的增大,底板最小主应力值与承压水压值越来越接近,且最小水平主应力与底板承压水压相等的区域不断扩大,底板突水危险性增加。(2)各主控因素对底板破坏深度影响的主次顺序为:工作面斜长采深黏聚力采厚煤层倾角水压内摩擦角,方差分析结果显示,各主控因素中工作面斜长对底板破坏深度的敏感度为高度显著;采深较为显著;黏聚力显著;采厚、煤层倾角、水压以及内摩擦角不显著。(3)运用矩阵分析法确定了正交模拟试验的最优方案,即按照此方案实施后底板破坏深度最小,可有效降低矿井底板突水的危险性。     

螺旋滚筒输煤特性的分析

建立了叶片作用于煤粒的力学和速度方程,分析了滚筒结构与运动参数对轴向输煤力和输煤速度的影响,并根据螺旋滚筒的装煤要求,导出了滚筒的临界转速和极限转速的表达式,指出了滚筒转速的控制范围和选择原则。     

模压成型煤柱的强度研究和实验分析

基于散体煤颗粒模压成型的物理过程,研究煤柱模压成型时的压力、壁面摩擦、压头位移、煤柱强度、煤柱密度和孔隙率等,建立了压力分布、模压力、成型摩擦力、煤柱强度和煤柱密度的理论表达式.针对影响成型煤柱强度的诸因素设计了一系列实验,分析结果表明,模压力、黏结材料、颗粒级配、压模内壁润滑和成型坯料含水量对成型煤柱的抗压强度有显著影响.     

煤尘抑尘剂的润湿性能研究

选取3种煤粉作为研究对象,分别对7种不同抑尘剂的润湿性能进行了测试。基于煤粉成分、粒径分析结果,结合抑尘剂电动电位、表面张力性能,通过抑尘剂在煤粉表面的接触角和正向渗透实验研究了抑尘剂对煤粉润湿性的影响。结果表明,抑尘剂在煤粉表面的接触角与煤粉的灰分成反比;抑尘剂溶液的表面张力、液—固之间的界面张力共同影响抑尘剂在煤粉表面的润湿能力;抑尘剂对不同粒径煤粉的渗透性能提升有较大差异,电动电位较小的抑尘剂能够有效改善较小粒径煤尘的表面润湿性。     

低阶煤颗粒-气/油泡间的疏水力常数研究

浮选实验表明油泡对低阶煤颗粒的捕收能力要远强于传统浮选过程的起泡。这主要是由于油泡表面被捕收剂覆盖,其表面疏水性要远高于气泡表面的疏水性。因此,在油泡浮选矿化过程中,低阶煤颗粒-油泡间水化膜的薄化速度要远快于煤颗粒-气泡间的薄化速度。诱导时间测试发现,随着DAH溶液浓度从10~(-7) mol/L增加到5×10~(-5) mol/L时,低阶煤颗粒-气泡间的诱导时间从93 ms下降到12 ms。随着DAH溶液浓度从5×10~(-5) mol/L增加到10~(-3) mol/L时,低阶煤颗粒-气泡间的诱导时间从12 ms增加到35 ms。当DAH浓度由10~(-7) mol/L(纯去离子水溶液)增加到5×10~(-5) mol/L,低阶煤颗粒-油泡间的诱导时间由35 ms降低到10 ms。随着DAH浓度的进一步增加到10~(-3) mol/L时,低阶煤颗粒-油泡间的诱导时间由10 ms增加到25 ms。为了从微观尺度下去表征油泡表面较气泡表面所具有的强疏水性,本文通过低阶煤颗粒-油/气泡间的诱导时间,利用non-DLVO理论及Stefan-Reynolds水化膜薄化模型,拟合出初始水化膜厚度h与疏水性常数K_(132)之间的关系,进而得到了低阶煤颗粒-油/气泡间的疏水力常数K_(132)与十二烷胺盐酸盐DAH溶液浓度的关系。疏水力常数K_(132)拟合结果表明,当DAH溶液的浓度为5×10~(-5) mol/L时,低阶煤颗粒-油泡间的疏水力常数K_(132)约为低阶煤颗粒-气泡间的疏水力常数K_(132)的3倍;当DAH溶液的浓度为10~(-6) mol/L时,前者是后者的15倍。因此,油泡表面较气泡具有更强的疏水性质。从而解释了低阶煤-油泡浮选矿化过程优于传统浮选过程的本质特征。