煤粒瓦斯解吸放散规律研究新进展

总结了我国在煤中瓦斯解吸放散规律研究领域的进展,提出了研究过程中存在的问题。同时,基于达西定律和菲克定律,分别对球形和圆柱形煤粒瓦斯放散进行数值模拟,并将其与实验数据对比,给出了新的见解和看法。     

封闭空间内煤粒瓦斯解吸实验与数值模拟

为研究瓦斯在煤粒中流动的基本规律,设计了封闭空间内的煤粒瓦斯解吸实验,分别以菲克和达西定律为基础,建立了该条件下煤粒瓦斯放散的数学模型,通过有限差分的方法进行离散并编制程序进行解算,最终实验和数值模拟都得到了4种粒径的煤样在不同初始压力下累积解吸量随时间的变化关系。根据实验和模拟结果分别绘制ln\[1-(Qt/Q∞)2\]-t关系图进行对比,结果表明：在菲克模拟中,无论扩散参数B如何变化,其结果始终为一条直线;而达西模拟和实验结果有明显的曲线特征并且两者拟合度较高,说明在封闭空间内煤粒中的瓦斯流动更符合达西定律。结合以往研究可知,无论外部压力变化与否,瓦斯在煤粒内的流动都服从达西定律而不是菲克定律。     

煤粒瓦斯放散数学模型及数值解算

为了研究煤粒瓦斯的解吸和放散规律,设计了煤粒瓦斯解吸实验,得到不同粒径煤样在不同初始压力条件下累积解吸量随时间变化的实测曲线。根据达西定律,建立煤粒瓦斯放散的数学模型,运用有限差分法对数学模型进行处理,利用Visual Basic语言编制计算机程序对数学模型进行解算,得出煤粒内部瓦斯压力变化规律和煤粒内不同压力下的累积解吸量。通过对比模拟结果和实验结果,得出瓦斯从煤粒中放散出来符合达西定律。     

煤粒瓦斯变压吸附数学模型及数值解算

为了验证达西定律是煤粒瓦斯流动的普适性规律,在之前所做的不同形状煤粒的定压吸附解吸及变压解吸实验基础上,设计了封闭空间内煤粒瓦斯变压吸附实验,分别得到42.976,11.600~13.800,3.350~4.000和1.180~1.400 mm四种不同粒径的煤样在0.5,1,2和4 MPa四种初始压力下瓦斯累积吸附量随时间的变化情况。基于达西和菲克定律,分别建立封闭空间内煤粒瓦斯变压吸附数学模型。运用有限差分法计算模型,并编制Visual Basic计算机程序对方程进行解算,得到两种模型在不同时间不同初始瓦斯压力下的瓦斯累积吸附量。通过对比分析实验和数值模拟得到的ln[1-(Q_t/Q_∞)~2]与t关系图,发现封闭空间内煤粒瓦斯吸附过程同样遵循达西定律。这与之前所做的一系列研究所得结论一致,即无论是吸附还是解吸过程,煤粒外部压力变化与否,煤粒形状如何,均可得到达西定律是煤粒瓦斯流动基本规律。     

煤粒瓦斯吸附规律的实验研究及数值分析

为研究煤粒瓦斯流动规律,进行了煤粒瓦斯定压动态吸附实验,得到3种粒度煤样在不同瓦斯压力下累积吸附量随时间变化的实测曲线。基于达西定律和朗格缪尔方程,建立了煤粒瓦斯吸附数学模型,编制解算程序对煤粒瓦斯吸附过程进行数值分析,得到煤粒内部瓦斯压力的变化规律及累积吸附量与时间的关系曲线。通过将数值分析结果与实验结果进行对比,发现二者变化趋势吻合良好,由此验证了煤粒瓦斯吸附过程符合达西定律。     

基于有限体积法的煤粒瓦斯放散无因次分析

根据煤粒瓦斯解吸放散的特点,基于达西定律,建立了圆柱形煤粒瓦斯放散微分方程,并运用有限体积法对方程进行处理。引入无因次准数,对瓦斯放散微分方程及运用有限体积法进行离散处理后的方程进行无因次化。通过编写Visual Basic计算机程序对方程进行解算,得到不同时间不同节点处煤粒内部瓦斯压力变化曲线、瓦斯解吸速度变化曲线、瓦斯累积解吸量变化曲线和瓦斯含量变化曲线。通过分析无因次曲线图,并给出应用实例,进而得到煤粒瓦斯解吸放散规律。     

煤粒瓦斯放散模型对比分析

根据煤粒瓦斯放散的机理,将常见的几种放散模型分为扩散型、渗透型、实验型3类。通过放散模型和实验结果的对比,表明渗透模型中的新解吸式与实验结果的拟合度最高;然后绘制了4种煤样在不同初始瓦斯压力下新解吸式和实测结果的对比曲线,发现两者在各种条件下都比较吻合。因此,新解吸式可较准确地描述煤粒瓦斯的放散规律,有助于指导工程实践,进一步分析还得出煤粒中的瓦斯放散更符合达西定律。     

不同粒径与压力下煤粒瓦斯吸附数学模型研究北大核心

采用煤粒进行瓦斯吸附实验是研究煤基质瓦斯流动机理的基本手段。为探究煤粒形状对煤体瓦斯吸附规律的影响,设计煤粒瓦斯恒温定压吸附实验,得到4种粒度的煤样在不同瓦斯压力下的吸附特征。基于煤基质游离瓦斯密度梯度扩散理论,分别建立圆柱形和球形煤粒瓦斯定压吸附数学模型,并通过有限差分法进行编程解算,后用实验数据来验证模拟结果。发现将煤粒视作球形和圆柱形得到的模拟结果均与实验结果匹配程度较高,证明了煤基质游离瓦斯密度梯度扩散理论的准确性和可靠性;煤样粒径增加时,微孔道扩散系数增大;瓦斯吸附压力对微孔道扩散系数的影响较小,微孔道扩散系数摆脱对瓦斯吸附压力和吸附时间的依赖;相对来说,煤粒的形状对瓦斯吸附数学模型的预测精度影响不大,但2种模型的微孔道扩散系数存在显著差异;当瓦斯吸附压力与煤样粒径固定时,圆柱形煤粒的微孔道扩散系数大于球形煤粒的微孔道扩散系数,约为2倍,主要是由于2种形状有效扩散截面积的差异性。     

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。     

定压条件下的煤粒瓦斯放散规律研究

为了验证煤粒瓦斯流动规律是否受外部压力变化的影响,研究了在定压条件下,ln[1-(Q_t/Q_∞)~2]与t的关系。首先建立了以菲克和达西定律为基础的理论模型,然后利用有限差分法对模型进行求解,最终将2种模拟曲线与实验曲线进行对比。     

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。     

温度对煤粒瓦斯扩散动态过程的影响规律与机理

根据气体在多孔介质的运移理论,推导出了含瓦斯煤粒的扩散通量、扩散系数与温度分别呈指数函数、幂函数关系。运用自制设备,实验研究了吸附平衡压力为(0.74±0.01) MPa,吸附温度为303 K,解吸环境温度为283~313 K条件下,不同煤阶含瓦斯煤粒的扩散通量与温度的量化关系,确定了3种煤阶煤粒瓦斯放散量随温度变化的修正方法和回归系数,查明了不同煤阶煤粒的瓦斯扩散系数随温度升高的量化变化规律。实验结果表明,前60 min的温度影响回归系数a可在0.011 0~0.012 0之间取值,无烟煤取0.011 0,高变质烟煤可取0.011 5,低变质烟煤可取0.012 0。揭示了温度对含瓦斯煤粒扩散动态过程的影响机理,温度升高增强了甲烷分子的活性、促使孔隙扩张,特别是小孔隙的扩张,大大提高了瓦斯在煤粒中的扩散能力。     

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。     

基于密度差驱动流的非线性瓦斯吸附研究:实验与数值解算

煤瓦斯吸附规律及其数学表征是进行煤层瓦斯含量评估、煤层气产出预测、突出危险性判别的理论基础。在理论描述煤瓦斯吸附时,经典菲克扩散模型仅考虑了吸附瓦斯量的变化,忽略了煤基质孔隙空间内的游离瓦斯,并且煤的孔隙尺度分布广泛,不同尺度孔隙中气体流动机制应有差异,因此仅采用菲克扩散解释瓦斯吸附行为可能不够有效。为对煤瓦斯非线性吸附过程进行精确表征,首先进行了不同尺度煤块在不同初始压力下的瓦斯变压吸附实验,得到瓦斯吸附量随时间的变化曲线;根据菲克模型的推导过程,将吸附瓦斯与游离瓦斯一并计为瓦斯密度,提出基于密度差驱动流的瓦斯非线性吸附数学模型(密度模型);其次,利用有限差分法编制了求解代码分别对菲克模型与密度模型进行了数值解算;最后将两种模型的解算结果与实验结果进行对比,发现:菲克模型计算的瓦斯吸附曲线一定程度上偏离实验曲线,而密度模型的计算曲线与实验曲线吻合良好。结果表明密度模型能更加精确的描述瓦斯非线性吸附。     

煤粒瓦斯定压吸附数学模型及数值解算

为了研究瓦斯在煤粒中的流动机理,开展了4组不同初始压力下的煤粒瓦斯定压吸附实验,提取了累计瓦斯吸附量随时间变化的实验数据.基于压力梯度驱动的达西理论和游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型,建立2种煤粒瓦斯定压吸附数学模型,并利用有限差分法对数学模型进行了数值解算,得到了煤粒内部累计吸附量的模拟数据.将2种模拟结果与实验数据...