注热条件下煤体渗透率演化模型及其数值分析

煤层注热是近几年提出的一种新型的煤层气抽采方法,为了得到煤层注热对煤层气产出的影响规律,需要对注热条件下煤体渗透率变化规律进行研究。基于Warren-Root几何模型,结合弹性力学等理论建立了煤体渗透率模型并对其进行了数值分析。最终得出在注热条件下,注热钻孔周围煤体渗透率的变化规律,为煤层注热多场耦合模型的分析奠定了基础。     

注热井周围煤体蠕变过程的渗透率变化规律模拟研究

本文通过使用COMSOL软件的数值模拟方法,进行了注热煤体在蠕变过程中渗透率变化规律的研究,结合物理实验得到温度对于煤体相关力学参数的影响关系,分析了温度对于煤体蠕变及其渗透率变化的作用。认为如果煤体的温度高于阈值383K时,温度升高会使煤体骨架向外膨胀,其初始渗透率增大;煤体温度低于该阈值时,温度升高会使其初始渗透率降低。在注热20d后,注热井周围的煤体蠕变变形加剧,其渗透率受蠕变影响呈下降趋势。     

含湿度效应的煤层注热多物理场耦合模型

煤层注热是近几年提出的一种新型的瓦斯强化抽采方法,在煤层注热过程中,水蒸气湿度的增加会影响煤层瓦斯的抽采效果。为了了解水蒸气的湿度效应对煤层注热过程的影响,在前人研究成果的基础上,运用传热学、渗流力学、弹性力学等相关理论,加入了水蒸气湿度的影响并建立了含湿度效应的煤层注热多物理场耦合模型。模型的建立有助于今后进行数值分析及相关实验室实验。     

煤体吸附瓦斯与煤体强度的关系研究

采用自主研制的由放置试样的装置、压力加载装置和强度测定装置组成MDS-200型煤岩三轴应力渗透试验台,针对取自象山井田、燎原井田和桑树坪井田的3号、5号和11号煤层的试验样品进行煤体吸附瓦斯与强度关系的试验。结果表明:①煤体的杨氏模量和单轴抗压强度均随着吸附瓦斯压力的增加而逐渐呈线性衰减;②不同的煤种在同等吸附瓦斯压力下,杨氏模量和单轴抗压强度也是不相同的;③试验结果表明,含较高压力瓦斯的煤体更容易破坏。     

煤体吸附变形对3种气体渗透率演化的影响

为了深入认识气体吸附对煤体渗透率的控制机制,以渗流试验为基础,采用三轴渗流仪器研究了氦气、氮气和二氧化碳3种气体在不同气压和不同有效应力条件下煤体渗透率的变化规律。研究结果表明:在相同条件下,3种气体的渗透率呈现氦气>氮气>二氧化碳,其中二氧化碳气体的渗透率受吸附变形影响最为显著;在外界应力恒定的条件下,气体吸附和有效应力对煤体渗透率变化呈现竞争态势,低气压阶段气体吸附强于有效应力,而高气压阶段则相反,煤体渗透率呈现先下降后上升的趋势;气压恒定时,随着有效应力的增大,3种气体的渗透率呈现下降趋势;受吸附变形的影响,相同有效应力下,氮气和二氧化碳的渗透率损害率均大于氦气;同时,压力为2 MPa时渗透率较压力为1 MPa时渗透率下降程度最高可达30.98%,平均压缩系数下降约为15%。     

瓦斯吸附对煤体的影响分析

利用自行研制的实验装置研究了在瓦斯压力变化过程中煤体吸附瓦斯后发生的变形,并在已有研究的基础上讨论了瓦斯对煤体的影响。研究结果表明：煤样吸附瓦斯气体后发生膨胀变形;游离和吸附瓦斯的存在会削弱煤体的强度,使煤体脆性度增大,其失稳破坏更易发生,煤体失稳破坏进程加快;煤体吸附的瓦斯气体中吸附性越强的气体所占比例越大,煤体发生的膨胀变形将越大;在现场受限条件下,煤体产生的膨胀应力越大,煤体的强度降低得越多。     

基于改进BP神经网络的煤体瓦斯渗透率预测模型

分析总结了煤体渗透率的3个主要影响因素--有效应力、温度和瓦斯压力,并结合煤体的力学特性建立了一个预测煤层瓦斯渗透率的BP神经网络模型。根据不同有效应力、不同温度和不同瓦斯压力条件下大量具有代表性的煤样渗透率数据来建立学习样本,并对该模型的精度进行了检验。该BP神经网络经过11 986次学习后精度满足要求,训练后BP神经网络模型所得预测结果的最大绝对误差为0.049×10-15 m2,最大相对误差为4.298%。根据所建立的BP神经网络模型得到的预测值与实测值吻合较好。     

煤体吸附性能对煤体瓦斯放散特性的影响研究

煤体的吸附性能代表了煤体储存瓦斯能的能力,而煤体的放散特性表明了煤体释放瓦斯能的能力,两者均是造成煤与瓦斯突出的必要条件。为了研究煤体的吸附性能与煤体的瓦斯放散特性之间的内在联系,结合现有的实验条件,以煤样的极限吸附量与瓦斯放散初速度的关系为切入点,实验研究了不同吸附性能煤体的瓦斯放散特性变化规律,结果表明,煤体的瓦斯放散初速度ΔP随煤体的吸附常数a值的增大而增大,且二者之间存在一定的线性关系。     

三向应力条件下煤体渗透率演化模型研究

为了掌握三向应力条件下煤体渗透率的变化规律,基于捆绑的火柴棍模型,采用弹性理论分析了煤体基质和裂隙变形对渗透率的影响,建立了两种三向应力条件下煤体渗透率的动态演化模型——指数型和立方型,两种模型均突破以往较多模型采用的单轴应变假设,考虑了三向受力条件下煤体的横向应变不为0以及轴向荷载增加的情况。在分别改变轴压围压组合值、气体压力条件下,将理论模型与室内试验结果进行对比分析,结果表明:煤体渗透率随着载荷水平的升高而减小、随着气体压力的升高而增大;两种条件下指数型渗透率模型对煤体渗透率演化过程的定量描述均优于立方型。     

吸附条件下瓦斯压力对煤体强度影响的实验研究

煤体强度的测定一般在实验室非吸附条件下完成,为了揭示吸附条件下煤体强度随瓦斯压力的变化规律,基于瓦斯防治理论和现场实践,研制了可实现封闭充气环境下煤坚固性系数的自动化测试装置,研究了吸附条件下瓦斯压力对煤体强度的影响规律。实验表明:煤的坚固性系数受煤样瓦斯压力的影响明显,瓦斯压力越大,煤体强度越小,用以抵抗外力破碎的能力越差。     

煤与瓦斯突出矿井低透气性极软煤层深孔注水技术研究

通过对义安煤矿低透气性煤层深孔注水技术的实践和研究,逐渐摸索出适合该矿的煤层注水技术和措施,从而达到了在地质条件复杂、瓦斯涌出量大、煤质极为松软等条件下降尘固帮、消减瓦斯、安全回采和掘进的目的,为职工的身心健康和矿井安全生产打下坚实基础。     

注水煤样力学及渗透特性试验研究

为研究注水煤样吸水率与时间的关系,以及煤样的力学性能、渗透特性,首先对高家堡煤样进行了自然吸水率测定试验,然后在MTS815.03电液伺服试验机上进行了自然煤样与饱和水煤样单轴压缩试验,最后进行了水渗透试验。试验结果表明：在煤样吸水饱和前,煤样试件吸水率是浸泡时间的二次函数,浸水3.5 d后自然吸水率为3.37%,达到饱和水状态;与自然状态煤样相比,饱和水状态煤样出现轴向应力峰值时的轴向应变增大,出现“滞后”现象,泊松比和普氏系数分别降低了3.36%和9.07%,单轴抗压强度和弹性模量分别降低了20.97%和17.05%;渗透率曲线表明,应力应变过程中煤样渗透率变化可分为压实降低、缓慢增加、峰值出现和残余降低4个阶段,应力峰值超前于渗透率峰值。     

低透气性高瓦斯薄煤层高压注水治理瓦斯

低透气性高瓦斯薄煤层回采时,利用煤层高压注水压裂,增加煤层透气性,使煤体中的瓦斯得到充分释放;并配以充足的风量,解决采煤工作面上隅角及回风瓦斯超限问题,以保证采煤工作面的安全回采。     

煤层气注热开采的热-流-固耦合作用分析

如何提高煤层气产量是目前煤层气开采研究中的重要课题。煤层气在煤层孔隙中主要以吸附状态存在,提高煤层温度可以促使气体由吸附态转变为游离态,增加其渗流扩散能力。根据热弹性力学、非线性达西渗流理论和多孔介质热力学原理,对在煤层中注热提高煤层气产量的机理进行了系统研究,建立了包含煤的变形方程、气体渗流方程、热传导方程的热流固多物理场耦合数学模型。在此基础上利用COMSOL Multiphysics数值软件,对耦合模型进行了数值求解,结果表明:注热后煤层温度升高可以促进煤层气解吸、提高煤层渗透率,增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论基础。     

含瓦斯煤的渗透率演化模型及其影响因素研究

为了研究瓦斯抽采过程中煤体渗透率的变化规律,推导建立了考虑吸附膨胀应力的含瓦斯煤的孔隙率模型和含瓦斯煤的渗透率演化模型,通过三轴应力条件下的含瓦斯煤渗透率实验对该模型进行了验证,两者吻合度较高。基于该模型研究了在孔隙压力卸载状态下煤的弹性模量、初始孔隙率、吸附性常数、吸附膨胀应力系数等对渗透率的影响规律。结果表明：在气体卸压过程中,煤的弹性模量越小,其渗透率的变化率波动就相对越大;煤的初始孔隙率越小,其孔隙率的变化率越大,进而渗透率的变化率也就越大;煤的吸附膨胀应力系数对渗透率的影响作用与Langmuir吸附常数类似,其值越大则气体解吸所引起的渗透率增大就越强,渗透率下降就越缓慢。     

不同吸附气体对煤的渗透率的影响

对电容器的内外部故障及对应的保护方式进行了分析,明确了现行电容器保护的整定原则,从一、二次设备协调一致的角度对电容器不平衡型继电保护进行了分析比较,给出了该类保护的选型技术原则。文章分别以CH4,CO2及He为吸附气体,进行了相同实验条件下煤的三轴渗流实验,分析和探讨了上述气体对煤的渗透率的影响规律,实验结果对研究煤矿瓦斯抽放与瓦斯突出具有一定的现实意义。     

煤的吸附作用对瓦斯渗流特性影响的实验研究

为研究煤的吸附作用对瓦斯渗流特性的影响,以贵州六盘水矿区的煤样为研究对象,进行了瓦斯吸附平衡前后和不同吸附气体的三轴渗流试验。试验表明,相同煤样在瓦斯吸附平衡后渗透率明显低于吸附平衡前的渗透率;相同煤样通过不同气体的渗透率具有KHe>KCH4>KCO2的规律,不同吸附气体煤样的渗透率与气体压力服从指数分布;煤体渗透率与煤的变质程度具有一定的相关性。     

煤体温度对瓦斯渗透性影响的实验研究

运用实验室自制研究的煤层瓦斯动力模拟系统,进行了煤体在不同温度作用下对瓦斯渗透性影响的实验研究。阐述了温度作用下煤渗透性实验的方法与过程,得到考虑温度变化情况下煤层瓦斯渗流规律。试验结果表明:在不同温度条件下,煤的渗透率随气压的增大而呈指数形式减小;在一定的气体压力下,煤体的渗透率随温度的增加而减少。     

含瓦斯原煤样的渗透特性试验研究

 为了解井下煤层受采动作用的影响,原岩应力升高与降低的过程中引起的煤体瓦斯渗透特性变化规律,利用MYS-Ⅰ型煤岩样渗透率测试系统,对原煤煤样通过改变围压和瓦斯压力的方法,研究了渗透率与围压和瓦斯压力之间的关系。试验结果表明：围压对煤体渗透率的影响很大;瓦斯压力保持不变时,随着围压的增加,渗透率开始下降很快,降到一定程度之后变化缓慢;在围压保持不变时,瓦斯压力与煤样渗透率之间的关系呈先减小后增大的趋势变化。