基于叠加原理的气体浓度场数值计算方法

以线性偏微分方程叠加原理为基础,介绍了一种数值计算具有复杂边界条件和源项的气体浓度场的新方法.忽略浓度场对速度场的影响,则已知速度场的组分输运方程为线性对流扩散方程,可以应用线性叠加原理.首先将具有复杂边界条件和源项的浓度场问题分解为若干具有简单边界条件和源项的浓度场问题,然后对每个简单浓度场问题做一次数值模拟,获得其数值解,最后通过叠加这些简单浓度场的数值解,就可以求出复杂浓度场问题的解.该方法的应用可以达到减少数值试验数量、节约计算时间的目的.     

类煤岩材料煤岩组合体力学及能量特征的煤厚效应分析

采用DYD-10电子万能试验机和PCI-8型声发射信号采集系统,对不同煤厚(11.11%,20.00%,33.33%,50.00%,62.50%)的试件开展了单轴载荷作用下变形破坏全过程的力学及能量特性实验。结果表明:随煤厚占比增加,试件压裂形态从拉伸破坏,经过拉伸剪切复合型破坏,逐步变为剪切破坏;试件抗压强度逐渐减小,压密阶段占比逐渐延长、弹性阶段占比逐渐缩短;随着载荷不断增大,声发射能量和振铃计数均出现与应力应变曲线相匹配的阶段性变化,单轴压缩破裂时AE峰值能量随煤厚占比增大而减小,平均减小率为13.32%;根据能量理论,试件全应力应变过程中弹性能、耗散能分别在弹、塑性阶段有明显增加,随煤厚占比增加,试件储能极限和耗散能转化率逐渐降低,能够有效表征煤层采动覆岩裂隙演化及煤层受载破坏时的剧烈程度。     

倾斜煤层卸压瓦斯导流抽采技术研究与工程实践

为了研究倾斜煤层条件下,采动覆岩裂隙分布规律与卸压瓦斯抽采技术,采用理论分析和数值模拟的方法,对采场覆岩应力、位移以及裂隙分布情况进行了分析,并依据研究结果,对试验工作面高位导流钻孔布置参数进行了优化设计。结果表明:工作面上端头顶板卸压区域范围大于下端头区域,关键层的卸压段靠近工作面上部,覆岩垮落破断后,工作面上部垮落岩体位移明显大于下部;裂隙网络中,下部冒落岩体裂隙处于相对闭合状态,沿工作面向上,裂隙开度逐渐增大;卸压瓦斯运移通道在倾斜方向上具有不对称性;沿工作面回风巷侧冒落带轮廓线布置高位导流钻孔,并配合相邻钻场之间的有效搭接抽采可使抽采效果保持稳定;单一钻孔全生命周期可分为远距离、有效和近距离抽采3个阶段,随着钻孔层位的增加,抽采效果逐渐变优,远距离抽采阶段长度减小,有效抽采阶段长度增加。实践结果表明,瓦斯抽采效果良好,验证了依据此方法布置高位导流钻孔的合理性。     

煤岩瓦斯“固-气”耦合物理模拟相似材料特性实验研究

在固体相似材料研究的基础上,利用“固-流”耦合相似理论,得出适用于煤岩瓦斯“固-气”耦合的相似条件。选用砂子为骨料,石蜡和油为胶结剂,研制出一种适用于开展“固-气”耦合模拟实验的材料。通过大量实验,对相似材料的抗压强度、脆性参数、渗透速率等物理力学进行了测试,并利用自行研制的渗透性测试装置,对不同含量胶结剂的相似材料试件渗透性进行了测试。结果表明,石蜡含量不断增大,材料抗压强度随之增大,渗透性逐渐减小;含油量的变化,消除了单纯使用石蜡时,材料抗压强度变化强烈的不足。合理调节二者之间的比例,可以模拟多种不同强度、不同渗透性的岩石。在力学参数满足模拟岩石的前提下,将研制出的新材料与原始的固相相似材料进行了渗流速度对比实验分析,得出所研制的材料能较大程度的降低气体在其中的渗流速度,并将该材料应用于煤层开采模型实验,有效的揭示了瓦斯渗透速率与上覆岩层运动之间的关系。     

顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔模式及工程实践

顺层钻孔预抽瓦斯技术是降低煤层瓦斯含量的有效方法之一,合理的布孔参数是提高煤层瓦斯预抽效果的关键。为提高顺层钻孔布孔精准性和科学性,建立了含瓦斯煤体流固耦合抽采模型,基于响应面法设计布孔参数优化方案,运用COMSOL Multiphysics模拟软件分析了地质因素（煤层瓦斯含量、透气性系数）和工程因素（抽采负压、钻孔直径、布孔间距）交互作用对钻孔预抽煤层瓦斯的影响规律,提出钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比(P_max/P_b)的布孔参数判定指标,创新了煤层“分时分区”式顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法,得到适用于不同煤层瓦斯赋存特征的最优钻孔布置参数,并进行现场试验。结果表明：预抽初期,相邻钻孔间抽采叠加效应不明显;随着预抽时间延长,抽采叠加效应越发显著,垂直钻孔方向的抽采达标区域逐渐由孤立向复合转变。不同预抽时间下,P_max/P_b对各因素的敏感性依次为：布孔间距>煤层瓦斯含量>透气性系数>钻孔直径>抽采负压。不同预抽时间下,煤层瓦斯含量和透气性系数的交互作用响应等值线分布密集,2...     

覆岩采动裂隙带动态演化模型的实验分析

为研究采动覆岩裂隙演化规律及其形态,基于采动裂隙"O"形圈理论,结合物理相似材料模拟实验,提出了"采动裂隙圆角矩形梯台带"工程简化模型,分析了动态演化过程.得到采动裂隙带的演化高度、沿走向与倾向的带宽距及断裂角等参数,即切眼侧带宽大约1倍初次来压步距,工作面侧带宽在2～3倍周期来压步距间变化,进风巷、回风巷附近带宽约0...     

温度及含水量对煤吸附甲烷特性影响的实验研究

利用瓦斯吸附常数测定仪,对高瓦斯煤样进行了温度及含水量影响吸附甲烷特性的实验研究。研究结果表明:温度与吸附常数a及温度校正系数之间呈负指数关系,与吸附常数b呈正指数变化;煤样含水量与吸附常数a、水分校正系数倒数之间呈一次线性关系,而与吸附常数b之间没有固定的关系式;最后得到煤层瓦斯含量与温度校正系数及水分校正系数之间的关系式。研究结果对于进一步研究煤对甲烷吸附特性、完善间接法测定瓦斯含量具有一定的理论指导意义。     

液氮作用下冻结态与融化态煤体力学特征及劣化机理研究

液氮可通过改变煤层内部结构从而影响煤体力学性能。为研究液氮作用下煤体劣化机理,以冻结态和融化态煤样为研究对象,采用扫描电镜观测煤体内部裂隙形态,通过开展巴西劈裂试验、单轴抗压试验测得其力学特征变化。研究结果表明：单次冻结50 min以上,煤体抗拉、单轴抗压强度增加,随着冻结时间增长,煤体强度、弹性模量呈先增后减趋势;冻融循环次数增加,煤体力学性能降低,初期(0～10循环)降幅较大,后趋于平缓;冻融循环造成的煤体损伤更严重,融化态煤样更易形成致密裂隙网格;为评价不同状态煤体冻融损伤,计算相对弹性模量E,拟合冻融次数和相对抗拉强度σ_s、相对抗压强度σ_u的关系,随着冻融次数增加,E、σ_s和σ_u均在冻融初期大幅下降,后趋于平缓,且融化态煤体后期降低幅度大于冻结态煤体。     

综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析

为研究综采工作面采动覆岩压实区演化综合因素影响效应,运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法,开展不同采高(2,4,6 m)、不同推进速度(3,5,7 m/d)以及不同煤层倾角(0°,15°,30°)条件下的采动覆岩压实区裂隙演化规律研究,得到了压实整体形态随工作面采高、推进速度以及煤层倾角变化的演化规律.结果表...     

液氮循环冻结煤体融化过程未冻水含量特征及其对孔隙的影响机制

孔隙未冻水含量和分布特征可以反映煤体融化程度,融化程度影响冰孔隙大小,直接决定孔隙渗透性,影响煤层气开采效率。研究冻结条件下煤体冰水相变过程特征,对精准评价煤层低温致裂效率具有重要意义。实验以冻结态饱水烟煤为研究对象,使用核磁共振技术研究煤样融化过程孔隙特征,综合测量T₂曲线、累计孔隙度以及累计孔喉分布,定量分析煤样融化过程孔隙结构。实验结果表明,液氮循环冻结煤体融化过程中,首先融化出小孔结构,后融化出中大孔结构,且融化前期孔隙连通性较差。通过计算T₂曲线面积,验证了融化过程未冻水含量与温度呈指数关系,并建立拟合函数。同时,根据煤样累计孔隙度与累计孔喉分布将融化过程划分为3个阶段,分别为加速融化阶段(-196～-30℃)、稳定融化阶段(-30～-5℃)以及快速融化阶段(-5～10℃)。热力学分析表明,低温下煤样未冻水含量同时受到孔隙压力与孔径分布影响,孔隙压力越大、小孔结构越丰富的煤样未冻水含量越多。总结了基于液氮循环冻融孔隙扩张收缩以及局部导热特性分析体系,涉及T₂图谱分析、导热组分划分、融化速度计算等关键问题,进而分...