动扩散系数新模型下不同粒径构造煤的瓦斯扩散特征

为揭示不同粒径构造煤的瓦斯扩散特征,采用瓦斯解吸仪分别在井下现场和实验室内开展了原煤样和不同粒径的构造煤瓦斯扩散实验,并采用低温氮吸附法测定其孔径分布,采用动扩散系数新扩散模型计算各类扩散实验的初始扩散系数D0及其衰减系数β、有效初始扩散系数De0和有效动扩散系数De(t)。结果表明:各类粒径构造煤的瓦斯扩散率初期增长较快,但衰减迅速。同时刻下,粒径越大,D0越大,β越小,构造煤中孔隙由表及里孔径逐渐缩小,正是这种孔径特征控制了D0和β的大小。同时,粒径越大De0和De(t)越小。与之相反,井下构造煤原煤样具有更小的粒径,致使原煤样的瓦斯扩散速度更快,因此构造煤具有更严重的突出危险性。     

煤粒瓦斯瞬时扩散模型研究

为使扩散方程能够准确描述煤粒瓦斯涌出规律,首先依据相似理论和扩散第二定律建立瓦斯扩散系数计算方法,并结合试验数据得到扩散系数与时间的关系。然后基于此构建煤粒瓦斯瞬时扩散球状模型,运用分离变量法对模型进行求解,得到该模型的无穷级数解析解和模型系数的确定方法。最后通过计算值与试验值对比验证瞬时扩散模型的准确性,同时分析瞬时扩散模型与煤体复杂孔隙结构的关系。结果表明:扩散系数随时间的变化符合幂函数递减规律;构建的瞬时扩散模型能够准确描述煤粒瓦斯扩散规律,理论计算高度反映了试验结果;瞬时扩散模型可以从时空角度体现煤粒复杂的孔隙结构。因此该模型可用于计算瓦斯预测参数和研究瓦斯动力灾害形成过程。     

不同粒度煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究

为了证实和完善极限粒度理论,制备了煤粒度毫米级至厘米级(>10 mm)的5种粒度煤样,利用H-Sorb 2600T高温高压气体吸附分析仪对不同粒度的煤样进行等温吸附-解吸实验,并采用动扩散系数模型计算了煤粒瓦斯解吸扩散系数,分析不同粒度煤的扩散系数变化特征。研究结果表明:粒度毫米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大呈现逐渐减小的趋势;粒度厘米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大降幅较小;煤粒度在毫米级范围内,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大快速下降;煤粒度为厘米级时,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大基本保持不变;极限粒度理论正确可靠,煤的极限粒度小于10 mm。     

含水率对构造煤煤粒瓦斯扩散的影响研究

为了研究分析不同含水率对煤粒瓦斯扩散的影响，以平煤八矿构造煤为研究对象，利用瓦斯扩散试验装置，测定不同含水率条件下煤粒瓦斯解吸量，对比分析不同扩散模型，优选适合描述含水煤粒瓦斯解吸全过程的扩散模型，进而研究不同含水率对煤粒瓦斯扩散系数的影响。研究结果表明:相同时段下，干燥煤样的累计瓦斯解吸量最大，随着含水率增加煤样的累计瓦斯解吸量越来越小，水分的增加封堵了瓦斯扩散通道，在煤微孔隙内产生一定的蒸气压增大了瓦斯扩散的阻力使得单位时间内的瓦斯解吸量不断减小；通过3种扩散模型的对比发现幂函数模型在误差大小和稳定性方面都优于其他2种模型；利用该幂函数模型对扩散系数进行计算得出4种含水率对煤粒扩散系数的影响发现，扩散系数均经历前期快速下降和后期缓慢下降2个阶段，扩散系数随含水率的增大而减小且扩散速率趋于稳定。     

基于经典扩散模型不同粒径粒煤瓦斯扩散特征实验研究

为了获取多尺度粒煤在不同初始吸附平衡压力条件下的甲烷扩散特征，完成了0.25～1.00 mm，＞1.00～3.00 mm，＞3.00～6.00 mm和＞6.00～10.00 mm这4种粒径粒煤在1.0 和3.0 MPa初始吸附平衡压力下的甲烷扩散实验，并考察了经典扩散模型对各实验在0～10 min，0～60 min，0～180 min时间段的扩散拟合效果。研究结果表明:同实验时间，扩散率表现为随着粒径的减小呈增大趋势，0.25～1.00 mm相较＞6.00～10.00 mm粒径粒煤最大增大了73%；经典扩散模型不适用于描述甲烷在粒煤中的全阶段扩散，粒径越小拟合精度越低，仅对于初始扩散阶段（0～10 min）拟合效果较好；同初始吸附平衡压力，初始扩散系数D值随着粒径的增大呈递增趋势，＞6.00～10.00 mm相较0.25～1.00 mm粒煤扩散系数增大至7倍。不同尺度粒煤的瓦斯扩散特征，为煤层气达产、稳产、增产提供了储层改造方向。     

煤粒瓦斯扩散行为的气压依赖性研究北大核心CSCD

为了研究煤粒瓦斯扩散系数对气压的依赖性,应用自主搭建的煤岩吸附瓦斯实验系统进行不同气压条件下的煤粒瓦斯扩散实验,并通过模型拟合得到不同气压条件下的扩散系数,分析扩散系数对气压的依赖性。研究结果表明:实验煤样具有双重孔隙结构;由于煤粒对瓦斯具有吸附性,导致模型拟合得到的扩散系数是表观扩散系数而不是真实扩散系数;表观扩散系数与真实扩散系数呈正比例关系,与等温吸附线斜率呈反比例关系;在低压阶段,煤粒瓦斯扩散由努森扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈正比例关系;在高压阶段,煤粒瓦斯扩散由分子扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈反比例关系。     

煤粒瓦斯扩散行为的气压依赖性研究

为了研究煤粒瓦斯扩散系数对气压的依赖性,应用自主搭建的煤岩吸附瓦斯实验系统进行不同气压条件下的煤粒瓦斯扩散实验,并通过模型拟合得到不同气压条件下的扩散系数,分析扩散系数对气压的依赖性。研究结果表明:实验煤样具有双重孔隙结构;由于煤粒对瓦斯具有吸附性,导致模型拟合得到的扩散系数是表观扩散系数而不是真实扩散系数;表观扩散系数与真实扩散系数呈正比例关系,与等温吸附线斜率呈反比例关系;在低压阶段,煤粒瓦斯扩散由努森扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈正比例关系;在高压阶段,煤粒瓦斯扩散由分子扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈反比例关系。     

水分对煤粒瓦斯扩散动态过程的影响规律

水分是含瓦斯煤粒扩散规律的重要影响因素之一,运用自制设备,试验研究当水分小于等于平衡水时,3种变质程度煤样的瓦斯扩散量、扩散速度和扩散系数随水分、扩散时间的变化规律;基于气体在多孔介质内的吸附解吸理论和Fick扩散定律,分析水分对瓦斯在煤粒内扩散动力参数和动态过程的影响机理。结果表明,在不大于煤样平衡水分条件下,高、中、低变质程度煤样的瓦斯极限扩散量、解吸速度和瓦斯扩散系数随水分增加而显著降低,同一种变质程度干燥煤样的瓦斯扩散系数基本是平衡水分煤样的3~5倍;水分的增加降低了煤粒内的瓦斯初始质量浓度和扩散系数,进而大幅度降低了瓦斯扩散速度;水分子更容易占据煤基质表面吸附位,致使煤对瓦斯的吸附量减少,水分子在煤粒内表面发生多层吸附,而堵塞部分的瓦斯分子在煤粒内表面扩散,缩小了扩散通道,增大了瓦斯扩散阻力,导致含瓦斯煤粒的瓦斯扩散系数减小。     

不同温度下煤粒瓦斯扩散特性试验研究与数值模拟

为探索温度对煤粒瓦斯扩散特性的影响,利用瓦斯吸附/扩散仪分别对不同温度下的等温吸附,同温同压初始条件下的煤粒升温瓦斯扩散,同压不同温初始条件下的恒温煤粒瓦斯扩散进行试验研究。试验结果表明:同温同压初始条件下的等效扩散系数随温度升高呈指数关系增大。同压不同温初始条件下的恒温综合扩散系数随温度升高呈先增大后降低的变化趋势。温度升高时,温度与初始吸附量对综合扩散系数具有相反的影响作用趋势。不同温度下,相同时间内的扩散量取决于二者的配比关系。建立温度影响下的理论扩散方程,数值模拟不同温度下的全过程扩散特征。计算结果表明:随着时间延长,各温度下的恒温扩散曲线呈多点交叉状态,符合试验关系。     

水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响

为了研究水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响,利用自制设备,对不同煤阶的干燥煤、原煤、湿煤和平衡水煤样进行瓦斯吸附-解吸-扩散实验,分析扩散过程中不同时间段内水分与变质程度两个因素对扩散系数的影响。结果表明:水分的增加,导致瓦斯扩散系数随时间衰减程度变小。寺河矿干燥煤粒和平衡水煤粒在前120min内扩散系数较前5min分别减小了58.75%和53.2%;随着水分的增大,各变质程度煤样的瓦斯扩散系数比值增大。120min内干燥无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.04和2.37倍,平衡水无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.15和2.44倍;随着水分的增加,各煤阶瓦斯扩散系数减小幅度不同,且随着变质程度的减小,扩散系数的减小程度有变大趋势,前5min内随着水分从干燥煤增加到平衡水煤样,扩散系数减小幅度从无烟煤的72.77%增大到了气肥煤的83.49%。     

颗粒煤的多扩散系数瓦斯解吸模型及扩散参数反演研究

为研究颗粒煤瓦斯解吸规律,基于Fick定律建立了颗粒煤的多扩散系数瓦斯解吸 模型,完成了颗粒煤瓦斯解吸模型的数值试验。引入了非负约束最小二乘法反演算法（ NNLS）,通过试验数据反演得出颗粒煤的扩散参数的B谱,从而确定出颗粒煤瓦斯扩散 系数D的准确范围。研究结果表明:颗粒煤瓦斯解吸符合Fick扩散定律,颗粒煤的多扩 散系数瓦斯解吸模型能很好地解决单一扩散系数模型的扩散系数随时间衰减的问题,准 确反映了颗粒煤瓦斯解吸规律,单一扩散系数瓦斯解吸模型只是多扩散系数瓦斯解吸模 型的一个特例;NNLS是一种有效的反演算法,利用NNLS方法可以准确反演出颗粒煤瓦斯 解吸过程中的扩散参数的B谱,通过B谱可方便计算出颗粒煤的瓦斯扩散系数。     

不同温压下柱状煤芯瓦斯吸附饱和度和进扩散时间的确定

为研究温度压力对吸附饱和度和进扩散时间的影响,以确定实验室内不同温压下原煤煤芯可接受的吸附饱和度和进扩散时间,建立了柱状煤芯瓦斯扩散模型,采用φ50mm×100mm的柱状煤芯开展了不同温压下的瓦斯扩散实验。经实验检验,模型能很好描述原煤柱状煤芯的瓦斯扩散过程。计算了不同温压下柱状原煤煤芯达到不同吸附饱和度所需的吸附进扩散时间和不同时间的瓦斯质量浓度分布。结果表明:温度越高,扩散系数越大,吸附平衡时间越短;压力越高,扩散系数越小,吸附平衡时间越长。考虑实验精度要求和可接受时间,在30~40℃,瓦斯压力0.5~3MPa的范围内,建议渗流实验吸附饱和度为80%,吸附时间为6~8 d;精度要求较高的扩散实验,吸附饱和度为90%,吸附时间为10~12 d。     

静电场对煤体瓦斯扩散特性影响研究

为探究静电场对煤体瓦斯扩散变化特性的影响,自主设计并构建瓦斯解吸-扩散试验系统,选取古汉山矿、鹤壁六矿、平顶山八矿和义马耿村矿4个矿区不同变质程度煤样,用以测定电场强度为0、40、120、240 kV/m下的解吸-扩散量,并利用经典单孔扩散模型计算各煤样在4种场强作用下的扩散系数。结果表明:静电场下,随着施加场强的增大,煤样扩散系数具有先增大后减小的变化特征,且呈抛物线状;特征优势场强为40 kV/m时各煤样扩散系数达到最大,而其他场强作用下扩散系数都有所减小;对比不同变质程度煤样电场下扩散特性,结果显示,平顶山八矿肥煤在电场下扩散系数最大,义马矿褐煤扩散系数最小。静电场下扩散特性变化原因为:煤体和瓦斯分子发生激发极化改变了煤体表面吸附势阱深度;电场能引起煤体内微小孔的体积和比表面积增加(减小)。     

扩散时间对经典模型扩散系数影响研究

为研究时间因素对扩散系数拟合计算的影响,基于经典扩散模型分析其拟合过程中的理论误差,并选用不同时间段及时间间隔的颗粒煤瓦斯扩散动力学试验数据,通过常规及定截距2种线性拟合方式分析扩散系数及确定系数R~2随时间的变化趋势。结果表明:拟合理论误差随着扩散时间延长而降低,常规拟合和定截距拟合计算得到的扩散系数随着扩散时间的延长而趋于相同,但两者得到的扩散系数随时间段、时间间隔增大呈现不同变化特征,并受到0点数据的影响。     

基于MIKE11的堰塞坝溃决过程数值模拟

堰塞坝溃决过程数值模拟结果主要取决于水流模型、溃口展宽和溃口泥沙侵蚀。阐述了堰塞坝溃决的基本原理,依托于资料完整的唐家山堰塞坝溃决过程,使用MIKE 11模拟了其溃决洪水流量过程、溃口展宽、侵蚀流速及溃口底高程的冲刷过程,模拟结果均与实测资料接近。通过参数敏感性分析发现,溃口初始宽度和筑坝材料孔隙比对结果影响较大,坝体上下游坡比对结果影响较小,验证了基于物理机制模型的MIKE11在溃坝洪水过程数值模拟中的合理性和稳定性。模拟结果表明,Englund-Hansen泥沙侵蚀方程适用于孔隙比约为0.4、粒径2~8 mm的砂砾石。     

西北黄土对克百威的吸附特征

采用批量试验的方法研究了西北地区黄土对克百威的吸附动力学和热力学行为,并对相关影响因素进行了分析。结果表明:黄土对克百威吸附的最优动力学方程为准二级动力学方程;克百威在黄土中的吸附较好地符合Freundlich等温吸附方程;黄土吸附克百威过程中的吉布斯自由能ΔG■、焓变ΔH■及熵变ΔS■都小于0,表明黄土对克百威的吸附为自发进行的放热过程,并且吸附过程中体系混乱度减小,黄土吸附克百威的主要作用力为氢键力;pH值为4~10时,随pH值增大克百威的吸附容量减小,且pH值为4~8时减小趋势较平缓,p H值为8~10时减小趋势很大;随供试土样粒径减小,克百威在黄土中的吸附容量增大,当土壤粒径从0.45 mm减小到0.075 mm时,吸附容量由0.009 mg/g增加到0.049 mg/g;克百威在黄土中的吸附容量受其初始质量浓度影响很大,随克百威初始质量浓度增大,黄土对其的吸附容量相应增加,克百威初始质量浓度从20 mg/L增至110mg/L时,其在黄土中的吸附容量从0.080 mg/g增加至0.206 mg/g。     

不同阶煤孔隙结构与流体特性的核磁共振试验研究

为探究煤储层结构及内部流体分布的特征,以不同区域的10组煤样为研究对象,基于饱水、离心及低场核磁共振系统,开展煤在不同状态下的低场核磁共振试验,在常规的单T2截止值基础上,提出利用双T2截止值,区分煤中流体的不可采出流体、毛管束缚流体及可动流体;搭建流体饱和度的模型,研究不同阶煤的孔隙结构特征与流体特性。结果表明:随着煤阶的升高,微小孔比例逐渐增大、吸附孔孔吼占比由51.77%增至90.19%,中大孔比例逐渐减小、渗流孔孔吼占比由48.23%降为9.81%;随着煤阶的降低,孔隙之间的连通性变好,渗透率由0.03 m D增至1.88 m D。煤样的孔隙度范围为0.73%～11.50%,T2CI与T2 CII的主要分布在0.17～2.31、0.97～15.70 ms,相应的饱和度分布在4.21%～53.33%、34.67%～66.60%、6.19%～37.84%。     

苯系物在红壤不同粒径组分上的吸附-解吸行为

根据粒径将红壤组分分为4种(0.002 mm、0.002~0.05mm、0.05~0.25 mm、0.25~2 mm),研究了苯系物(邻二甲苯、对二甲苯和乙苯混合物,BTEX)在不同粒径组分上的吸附-解吸行为。结果表明,两区非平衡模型可以很好地拟合红壤不同粒径组分对BTEX的吸附动力学,吸附量随红壤粒径减小而增大。红壤不同粒径组分对BTEX的吸附-解吸过程接近于线性(R20.98),Kd随粒径减小而增大,表明红壤粒径的差异极大地影响了BTEX的吸附行为。同时,BTEX在红壤不同粒径组分上的解吸存在不同程度的滞后现象,滞后系数HI随粒径减小而增大。BTEX的解吸滞后现象比多环芳烃和石油烃明显,可能是由于BTEX的分子较小,易进入颗粒孔隙内部成为不可逆吸附部分而不容易解吸。通过XRD及FTIR分析了红壤不同粒径组分吸附BTEX前后的特征。XRD的分析结果表明,BTEX主要吸附于高岭石和伊利石表面;FTIR的结果表明,BTEX主要与羧酸酯、酚式羟基等官能团相结合而吸附于土壤颗粒上。     

爆破冲击波在台阶法隧道内的传播特性研究*

为了解决目前隧道施工过程中掌子面开挖爆破产生的冲击波容易造成工程灾害的问题,基于宁攀高速胜利隧道台阶法开挖的实际情况,采用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA及现场测试的方法研究冲击波在隧道上下台阶区段的传播规律。研究结果表明:初始冲击波传播至下台阶断面时先扩散至中上区域,与拱顶及侧壁碰撞反射后再传播至下部区域;冲击波在下台阶段0~10 m范围内,经多次反射叠加形成提升幅度约30%的第2次超压峰值;冲击波由上台阶较小断面进入下台阶较大断面传播时,超压衰减速度相对加快,过渡界面前后10 m范围内衰减系数由1.01%最高提升至1.05%。现场实测数据与数值模拟结果在上下台阶段得到的波形传播规律基本一致,验证数值模拟的可靠性。研究结果可为实际工程中爆破冲击波在变截面隧道中的控制措施提供参考。     

西北黄土对五氯酚钠的吸附及影响因素研究

以西北地区天然黄土为供试土样,通过吸附热力学和动力学试验研究了五氯酚钠(PCP-Na)在黄土上的吸附行为,并对可能的影响因素如溶液pH值、初始质量浓度及土壤粒径对PCP-Na在供试土样上吸附的影响进行了探讨。结果表明:PCP-Na在西北黄土上的动力学吸附过程符合准二级吸附动力学模型,其平衡吸附时间为16 h;西北地区黄土对PCP-Na的等温吸附较好地符合Freundlich吸附模型;黄土对PCP-Na的吸附自由能变(ΔG)、吸附焓变(ΔH)及吸附熵变(ΔS)均为负值,表明吸附是一个自发的放热过程,并且吸附过程中体系混乱度减小。溶液pH值和初始质量浓度对PCP-Na在黄土上的吸附影响较大。溶液pH值在4~10之间升高,PCP Na平衡吸附容量呈先减小后增大的趋势,当溶液pH值为6时吸附容量最小;PCP-Na初始质量浓度从6 mg/L增至40 mg/L,其在黄土上的吸附容量从33.43 mg/kg增至100.93 mg/kg。黄土颗粒粒径越小,PCP-Na在土样上的吸附容量越大,黄土粒径由0.075 mm增至0.425 mm,吸附容量由134.26 mg/kg降至28.71 mg/kg。