含裂隙煤体瓦斯渗流规律的LBM数值模拟

通过模拟外力驱动渗流以及部分填充多孔介质的剪切渗流,验证了广义LBM模型可以对含有裂隙的煤体内瓦斯渗流规律进行模拟研究;裂隙内的流速明显高于在煤基质内的流速,定量研究了渗流速度和流量随着裂隙宽度增加的变化规律;而在裂隙宽度相等的条件下,煤体渗透率越低则流速和流量的提高越显著;与顺流向的裂隙相比,垂直流向裂隙的存在对提高渗流速度及流量的影响相对较为有限。模拟结果表明：裂隙的存在,尤其是在渗透性较差的煤层中,对提高瓦斯抽放的效果更为明显;而对于不同方向的裂隙,则应该重点关注与瓦斯流动方向相同或大体相同的裂隙分布。     

基于格子Boltzmann方法的裂隙介质渗流模拟研究

裂隙通道是影响介质渗流特性的重要因素。为了解裂隙基本参数对渗流的影响规律,首先通过四参数随机生成法,构造多组二维裂隙介质模型,然后基于格子Boltzmann理论编制Matlab程序对裂隙介质进行渗流模拟,并结合达西定理和立方定理进行理论求解。     

基于工业CT扫描和LBM方法的含瓦斯煤裂隙演化与渗流特性研究

煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素,分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义.开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验,测试结果表明:含瓦斯煤在加载条件下的变形过程大致分为初始裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏阶段和残余变形阶段;基于CT扫描技术的裂...     

单一裂隙渗流的格子Boltzmann数值模拟

基于格子Boltzmann方法在计算流体力学方面具有程序易于实现、边界条件处理简洁、计算效率高、可得到清晰物理图像等优点,将其与D2Q9模型结合,采用非平衡外推格式的分布函数边界,建立单一光滑平板裂隙渗流模型,并结合经典流体力学的泊肃叶流算例,验证了模型的有效性。最后,分析不同压力差、不同隙宽对单一裂隙渗流量及流量稳定所需计算时步的影响,得出:单一裂隙渗流过程中,压力差或隙宽越大则该时刻下的渗流量越大,而渗流量达到稳定的计算时步与压力差和隙宽呈相反关系,即压力差与隙宽越大则其渗流量达到稳定所需计算时步越长。     

基于X-ray μCT扫描的煤孔隙瓦斯微观渗流各向异性特征研究

煤微观孔隙空间结构如同煤体的DNA,对煤层瓦斯的赋存状态和渗流特性起决定性作用。为了从微观角度揭示瓦斯渗流的各向异性特征,以鄂尔多斯盆地低阶煤为研究对象,通过X-ray μCT扫描重建煤孔隙微观空间结构模型,对煤微观孔隙表征单元(REV)内瓦斯渗流进行数值模拟,研究单向和多向瓦斯微观渗流的各向异性特征。研究结果表明：低变质程度煤微观孔隙中,孔隙压力只在某一个方向或某一段渗流长度内发生波动;单向瓦斯渗流过程中,羊场湾褐煤z方向渗透率最高,其值为0.64×10^-3 μm²,而斜沟气煤y方向渗透率最高,其值为0.23×10^-3 μm²;多向瓦斯渗流过程中,羊场湾褐煤+y、+x、-y方向为优势渗流方向,流量占比分别为41.89%、44.22%、38.43%,而斜沟气煤-y、+x方向为优势渗流方向,流量占比分别为51.67%、66.66%、41.56%。     

基于LBM方法的裂隙煤体内瓦斯抽放的模拟分析

基于格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)建立了可模拟裂隙煤体内瓦斯抽放的二维动力学模型,对流场压力和流动速度的分布规律进行了模拟.模拟结果表明：抽放压力、钻孔位置对抽放效果有很大影响,抽放压力增大,瓦斯流动速度加快,瓦斯抽放率提高;但是当抽放压力达到某一值时,抽放率反而下降,这说明抽放压力存在一最佳值;改变钻孔的位置,在流场上、下侧偏心开孔时,抽放率低于在流场中心开孔,且流场中出现了涡流,流体在涡流处有较大的压力梯度.     

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。     

黔北地区页岩孔隙结构特征及水渗流演化规律研究

为探究页岩孔隙结构特征以及水渗流演化规律,以黔北地区牛蹄塘组页岩为研究对象,首先采用低温液氮吸附试验以及高压压汞试验分析页岩内部微观孔隙结构特征,然后在恒定围压、轴压条件下利用三轴渗流装置进行了不同有效应力条件下的三轴渗流试验,探讨页岩有效应力与渗透率之间的关系,建立了考虑孔隙结构和压缩特性联动影响的页岩渗透率模型,并通过与初始渗透率受应力状态下的页岩渗透率模型对比分析验证其合理性。结果表明:黔北地区牛蹄塘组页岩是一个从微孔到大孔的连续分布体系,5种页岩的吸附-脱附等温曲线其类型与IUPAC分类中的Ⅳ型最为接近而且进汞-退汞曲线形态近似,大孔的类型以一端封闭的不透气孔为主,中孔则以两端开放的毛细孔等开放型孔为主,微孔主要以细颈广体孔和墨水瓶孔为主;页岩孔径分布复杂,含有大量的微孔和中孔,其中微孔和中孔提供了大部分孔比表面积,而大孔则是孔体积的主要贡献者;在相同围压、轴压条件下,页岩渗透率随着有效应力的增大呈逐渐减小的趋势,且渗透率和有效应力呈指数函数关系;考虑孔隙结构和压缩特性联动影响的页岩渗透率模型计算曲线与渗透率试验所测的数据基本吻合,且能很好反映恒定围压、轴压条件下有效应力与渗透率之间的变化关系。     

基于micro-CT扫描的孔裂隙结构表征及渗流模拟

以羊场湾不粘煤为研究对象,基于micro-CT扫描实验和Avizo处理软件,对煤中孔裂隙、矿物质以及煤基质进行精确提取与分割,并通过三维重构技术,得到了连通孔裂隙模型;在此基础上,进一步建立了具有孔裂隙形态学拓扑结构的等效孔隙网络模型,统计分析了煤中孔喉结构参数,包括孔隙半径、孔隙体积、喉道半径、喉道长度以及配位数;基于孔隙尺度的渗流模拟,实现了孔裂隙空间单相水的可视化渗流过程,并计算了3个方向的绝对渗透率。研究结果表明:羊场湾不粘煤中以片状孔隙群和大尺度互相垂直的裂隙发育为主,平均孔隙半径和喉道半径分别为106、27.79μm,平均配位数为3.45;在单相水渗流过程中,孔裂隙空间内的渗流速度明显高于流入流出端,3个方向的渗透率表现出明显的各向异性,其中y方向的绝对渗透率数值最大,x方向的渗透率最小。     

采空区气体流动状态与渗流模型

20世纪80年代初,对采场自然发火问题的研究主要集中在发生火灾的治理技术上,到90年代,波兰学者Marian Branny等将采空区渗流、弥散、低温氧化以及热传导等过程联系起来进行研究,并初步形成了采空区自然发火数学模型的雏形。我国利用数学物理方法研究采空区风流状态是借鉴地下水渗流模型来研究采场空气流动规律。通过对方程的各种边值问题的数值方法求解得到气体流动状态,如风压、流线、流速的分布,为采场自燃趋势预测及位置判断提供了数学分析依据。     

CT三维重构煤体结构及瓦斯渗流数值模拟

通过CT扫描获得长焰煤切片数据图像,利用Image J将其xy平面切片编辑成60μm×80μm大小,选取其中120张连续切片作为目标区域导入Avizo中对其进行三维重构,使用CFX流体仿真模拟建模的方法,对其进行低压瓦斯渗流模拟,定量分析瓦斯在煤体中的渗流规律。结果表明:煤样孔隙的体积分形维数为2.56,煤样xy切面方向的分形维数在14.2～1.56之间;等价孔隙网络模型相比于球棒模型更为精确,测得煤样孔隙结构模型的孔隙数为1 760,吼道数为956。沿+z方向的压降速度远小于沿-z方向的压降速度;沿-z方向流动的渗流速度远大于+z方向,最大流速达到600 m/s,是沿+z方向的1.5倍;二者的xy切面的平均渗流质量流量的绝大多数数量级大约为10^-10kg/s;渗流过程表现为势能和动能之间的转化。     

基于3D打印透明微细孔隙模型的多孔介质渗流规律

多孔介质渗流规律研究是油、气、水资源开采及水害防治的基础性工作,物理模型试验是开展此研究的重要手段。基于真实砂层试样CT图片,经剪切、二值化处理、矢量边界提取、建模等步骤,构建了二维孔隙模型;采用高精度光固型3D打印机,选用刚性光敏材料,制备了透明微细孔隙试验模型。构建了包括注水系统、压力监测系统、观测系统、孔隙模型及管路的试验系统,开展了12个注水流量梯度、4个不同渗流方向的渗流模型试验,实现了对孔隙渗流过程的可视化观测及注水压力的高密度实时监测,从微观角度研究了多孔介质渗流规律。研究发现:①在多孔介质渗流过程中分流及汇流持续发生,试验模型不同位置孔隙渗流的活跃性差异较大;②随着水力梯度的增大,达西定律计算的渗透系数整体呈下降趋势,在低水力梯度条件下,同一模型平面90°改变注入方向时,渗透系数差异较大;水力梯度越大,水力梯度与渗透系数呈现相关性越强的幂函数关系;③渗流速度与水力梯度呈高度相关的二次函数关系,渗流速度越高相关性越强,符合Forchheimr型非线性渗流公式,同一模型平面90°改变注入方向时,水力梯度差异较大,呈现明显的各向异性特征;④孔隙试验模型渗流为"层流+紊流"的混...     

压力条件对煤体微观孔隙模型水渗流的影响

以大柳塔煤矿长焰煤为研究对象,采用X射线三维显微镜对矿芯煤样进行扫描,并应用三维重构技术及图像的灰度分割技术得到煤体的微观孔隙模型,在此模型的基础上构建了煤体的有限元网格模型,并利用Fluent有限元软件模拟了不同压力下微观孔隙模型的水渗流情况,得到了煤体微观孔隙内的速度及压力分布规律。结果表明:同一压力条件下,沿着水渗流方向,煤体孔隙受到的压力逐渐降低;沿孔隙中央-孔壁方向,速度呈现出由大变小直至为0的规律。不同压力条件下,同一方向通道的水渗流轨迹没有明显变化,但随着压力梯度不断增大,水渗流的整体速度明显增大,最大平均速度均出现在压力入口附近12~18μm之间。不同压力、通道条件对水渗流规律的影响明显。     

鄂尔多斯盆地低阶煤渗流孔隙拓扑结构非均质特征研究

煤微观连通孔隙团是煤体渗透性能的决定性因素,其特殊的拓扑结构非均质性是煤体渗透各向异性的根本原因。为了揭示煤微观连通孔隙团拓扑结构的非均质特征,针对鄂尔多斯盆地低阶煤进行X-ray μCT扫描,重建煤孔隙微观空间结构模型,采用AVIZO软件提取最大连通孔隙团,并构建其等效孔隙网络拓扑结构,分析孔隙形状因子与孔隙等小直径和表面积的关系,探讨连通特性和分形维数在空间中的变化规律。结果表明:孔隙形状因子与等效直径存在指数关系,与孔隙表面积存在线性关系;连通孔隙团内部渗流孔隙空间越大,其形状越不规则,非均质越强;低阶煤连通孔隙团各断面的欧拉数变化较大,连通性具有更强的非均质性,孔隙离散程度更高,但粗糙度较低。     

基于格子Boltzmann的煤岩渗透率研究方法

为了快速准确的得到不同应力状态下煤岩的渗透率,提出一种基于格子Boltzmann方法和单轴压缩试验相结合的煤岩渗透率研究方法。首先对煤岩进行压缩破坏试验,获取应力应变曲线,并记录受压破坏过程中不同应力等级的煤岩裂纹图片,编制了孔隙尺度格子Boltzmann模拟程序,利用Grenoble试验对程序进行了验证。然后由程序读取裂纹图片,模拟流体在裂纹中的流动,获取流场压力和流体速度,基于达西方程计算出不同裂纹图片的渗透率数值,得到应力应变与煤岩渗透率的关系曲线,通过数据拟合,给出了应力-渗透率关系。最后与文献中的应力-渗透率关系进行了对比。     

基于孔隙结构的页岩渗透率研究

页岩渗透率对勘探开发至关重要,微观孔隙结构是影响页岩渗透率的主要因素。测定了龙马溪组与牛蹄塘组页岩的TOC含量与矿物组分,开展了高压压汞试验和低温液氮试验,测定了页岩的孔隙分布特征 及渗透率,研究了地质参数、孔隙结构对页岩渗透率的影响。研究结果表明：①页岩样品TOC含量越大,有机质孔隙的数量及孔隙度越高。黏土矿物含量的增加提高了页岩的渗透率,而脆性矿物中的孔隙发育较差,且 与渗透率和孔隙度呈负相关。②龙马溪组和牛蹄塘组页岩样品内分布着墨水瓶形孔隙结构,这类孔隙孔喉狭窄、孔隙之间连通性差。两组页岩孔径为4~40 nm,中孔在流体的赋存和运移方面承担着主要任务。③龙马溪 组岩样在孔径为4 nm左右呈单峰分布,牛蹄塘组岩样在孔径为4 nm和7 nm左右呈双峰分布。相对于孔隙表面积和孔隙体积,孔隙形态与连通程度对页岩渗透率有着更为重要的影响。     

相间力对微孔通道内两相驱替渗流影响规律的LBM研究

为研究了相间力对微孔通道内水-气两相渗流规律的影响,利用格子-Boltzmann方法建立了孔隙尺度下微孔通道内的水-气两相渗流驱替的数学模型。采用C++语言编制的程序对微孔通道内水-气两相渗流驱替过程进行了数值模拟。通过对模拟结果的分析发现:两相驱替的总体效果与相间力有较大关系,流固作用力越大,多孔骨架的亲水性越强,两相渗流的总体驱替效果就越好,驱替速度越大,反之亦然。     

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律,构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明：(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构,级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大,降低破碎岩体的压缩性,增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变,降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用,束缚孔隙率对渗透率的影响较小,增大应力会降低破碎岩体渗透性,大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述,应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反,小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型,通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献,可显著提高...     

原煤与型煤的孔隙结构与气体渗透特性的关系

为了研究煤的渗透特性与孔隙特征之间的关系,分别对原煤与型煤的渗透特性进行实验测定,分析了Klinkenberg修正系数、平均孔隙半径、有效表面孔隙率、平均表面孔隙数、Knudsen扩散系数等反映孔隙结构的特征参数与渗透率之间的关系,同时比较了型煤与原煤在相同渗透率下的各孔隙参数之间的差异。结果表明:与接近于各向同性的型煤相比,原煤中的表面孔隙率低,孔隙数量少,但孔隙直径较大。通过比较原煤与型煤的孔隙结构系数,得到原煤层理方向气体渗透率的修正系数,建立各向异性原煤的渗透率与孔隙结构之间的经验关系,为煤层内瓦斯运移规律分析提供更准确的参数关系。