不同条件煤粒瓦斯瞬时扩散系数变化特征试验

为研究不同外界条件下瓦斯(甲烷)在煤体内部的扩散规律,根据相似理论和扩散方程建立瓦斯扩散系数计算方法,研制煤粒瓦斯扩散测定系统,并通过试验测定了不同煤体结构、不同压力、不同粒度条件下煤粒瓦斯瞬时扩散系数,分析不同条件下瞬时扩散系数的变化特征。研究结果表明:瞬时扩散系数与时间成幂函数递减关系;瓦斯在构造煤中的初期瞬时扩散系数远大于原生结构煤;随着粒度的增大,原生结构煤和构造煤中的瓦斯瞬时扩散系数明显增大,原生结构煤中的瓦斯瞬时有效扩散系数逐渐增大,但构造煤中瓦斯瞬时有效扩散系数却明显减小。     

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。     

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。     

铀尾矿库中核素U(Ⅵ)的扩散迁移试验

利用自制的设备,采用水平土柱吸渗法,测定了不同参数土壤中铀溶液的质量浓度,通过Fick扩散第二定律推导的公式计算其扩散系数。并对比氯离子迁移试验,探讨了时间、距离、土质、孔隙度等对铀扩散的影响,进而研究尾矿库中核素U(Ⅵ)的运移扩散规律。结果表明:铀和氯离子在砂质土壤中的扩散均比在黏质土壤中快,氯离子在黏土中的扩散系数D=0.354×10~(-3)m~3/d,在砂土中的扩散系数D=1.830×10~(-3)m~3/d,铀在黏土的扩散系数D=0.950×10~(-3)m~3/d,在砂土中的扩散系数D=1.623×10~(-3)m~3/d;铀在土壤中的质量浓度随扩散时间延长逐渐增大,且与扩散距离呈比例关系;铀在土壤中的扩散系数随土壤孔隙度增大而变大。     

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。     

巴雷尔法计算煤瓦斯扩散系数的局限性分析

为研究扩散模型近似解中巴雷尔法计算煤瓦斯扩散系数的局限性,采用数值计算与扩散系数理论近似求解方法,对比用平均浓度模型和瓦斯赋存特征模型计算扩散系数的数值解与理论解,分析巴雷尔法仅考虑瓦斯含量梯度,不考虑瓦斯赋存状态对计算扩散系数准确性的影响。研究表明:采用平均浓度模型巴雷尔法和时变系数法的扩散系数数值解与理论解基本一致;采用瓦斯赋存特征模型巴雷尔法和时变系数法计算结果呈先下降后稳定趋势;理论模型中瓦斯含量梯度是扩散动力的前提假设,造成扩散系数计算值小于实际扩散系数。     

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。     

不同冲煤量对有效抽采半径的影响规律研究

水力冲孔可通过高压水射流使钻孔孔洞周围煤体形成卸压区,增加煤层透气性,提高抽采效果。不同冲煤量将直接影响孔洞的形态大小和有效抽采半径。以中马村矿为例,通过现场试验、数值模拟等方法分析研究了不同冲煤量对有效抽采半径的影响规律。结果表明:抽采90 d,单位冲煤量为1,1.5,2 t/m的有效抽采半径分别为3.45,3.61,3.88 m与现场得到的结论基本一致。抽采时间一定时,有效抽采半径随着单位冲煤量的增加逐渐增大,但增大趋势逐渐减弱。单位冲煤量一定时,随着抽采时间增加,瓦斯压力逐渐降低,有效抽采半径不断增大。研究结论对优化钻孔布孔参数,提高瓦斯灾害防治效果具有重要意义。     

基于罐基础内油气检测的罐底探漏新方法

通常油罐底部铺有300~600 mm的砂垫层,渗漏油气则会在砂垫层中扩散和渗透,只需在罐基础上钻取数个深达砂垫层的探漏孔或预埋数个探漏管,就能用10-6级灵敏度油气体积比检测仪探测到油罐底板的渗漏。现场试验数据表明,该探漏法可比油库现行方法提前3个月以上发现油罐底板的渗漏。通过该方法的现场应用得到结论:若油罐渗漏油品,其罐基础内某个或某几个探测孔(或管)内的油气体积比会逐渐升高或急剧飙升,可达到该库无漏油罐基础内平均油气体积比的几十倍甚至上百倍,或者某个探漏孔(或管)内油气体积比是其余孔内平均油气体积比的近十倍,甚至几十倍。在试验数据分析的基础上提出了汽、煤和柴油油罐的判漏标准,即当某个汽油罐的1个探测孔(或管)或多个探测孔(管)的油气体积比达到该库无漏油罐基础内平均油气体积比的几十倍甚至上百倍,或某个探漏孔(或管)内油气体积比是其余孔内平均油气体积比的近十倍甚至几十倍时,可以判断该罐已经漏油了。     

爆破云团扩散数值模拟研究

为了进一步探索爆破烟尘扩散规律,以及环境评估与预测的需要,在宏观角度上,运用箱模型云团扩散理论,对爆破云团的模型适用性进行了探讨,建立了爆破云团扩散控制微分方程。对某次工程爆破进行数值模拟,得到了爆破云团半径、云团高度和空气卷吸量随时间的变化关系曲线图。针对数值模拟结果与试验实测值之间存在的偏差进行了分析,结果表明,采用该方法进行爆破云团瞬时扩散模拟是可行的。     

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。     

内浮顶罐中油气扩散运移的数值模拟

内浮顶罐浮盘上气体空间的油气扩散运移规律对其安全隐患控制及损耗评估具有重要意义。基于单相扩散传质模型和RNGκ-ε湍流模型,采用UDF建立油气扩散模型,考察分析了通气孔分别位于罐壁和罐顶时罐内的油气扩散机理。结果表明:小型内浮顶罐的试验数据与模拟结果吻合良好;通气孔在不同位置时,气流对罐内油气的扰动规律不同,罐壁通气孔的开设使内浮顶油罐存在更大的安全隐患;外界风速引起的罐内泄漏点油品的有效扩散系数远大于无风时油品的分子扩散传质系数,建议API油气损耗评估公式考虑风速的影响。     

飞机库燃油泄漏扩散特性及影响因素分析

为有效预防飞机库燃油泄漏扩散导致的重大安全事故,基于国内某飞机库空间结构,建立了燃油泄漏扩散试验平台,通过模拟试验及数值模拟的方法,探究飞机库燃油泄漏扩散过程油气体积分数的分布规律及环境因素的影响。结果表明：飞机库水平方向上油气扩散速度较快,竖直方向上呈现明显的分层规律,经过初始稀释、障碍累积、重力沉降及被动扩散阶段后实现浓度平衡;温度、泄漏位置和泄漏量对飞机库内油气体积分数分布影响显著,随着温度的升高,模拟机库空间内最大油气体积分数增幅较大,泄漏位置主要影响空间内部油气扩散达到平衡体积分数的时间,泄漏量对空间内最大油气体积分数、油气的平衡体积分数及达到平衡体积分数的时间均有影响,对油气的产生速率影响不大;飞机库内障碍因子对油气扩散的扰动以及油气累积后的二次加速现象,使得飞机库内湍流强度急剧增大,导致危险油气体积分数区域不断扩大。     

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。     

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%。     

CO_2/CH_4在煤储层中扩散规律的分子动力学模拟

为明确CO_2与CH_4混合气体在煤中的扩散规律,建立不同宽度的石墨狭缝结构模型代替复杂的煤结构,运用分子动力学方法,研究CO_2与CH_4浓度比、温度、气体压力和储层孔径等因素对甲烷扩散性能的影响。研究结果表明:随着CO_2浓度的增大,甲烷的扩散系数降低;随着气体压力的增大,甲烷的扩散能力以及扩散系数均有明显的降低,但降低速率趋于平缓;较高的温度有助于甲烷的扩散,但作用效果并不明显;随着储层孔径的增大,甲烷的扩散系数越大。扩散系数与孔径呈现对数函数关系,与压力、CO_2浓度和温度呈指数函数关系。出现上述结果的主要原因是CH_4和CO_2的竞争吸附,以及甲烷分子和狭缝表面之间范德华力的不同造成的。     

相似准数法煤粒瓦斯扩散系数计算

为简单、准确地测定和计算煤粒瓦斯扩散系数,依据相似理论,从扩散方程中推导出相似准数,建立该相似准数与解吸率的回归关系式,以此代替扩散第二定律在第一边界条件下的解析解,进而提出煤粒瓦斯扩散系数的计算方法。在此基础上,设计煤粒瓦斯扩散系数测定系统,并测定不同时刻、压力条件下的煤粒瓦斯扩散系数。最后,结合试验数据将新方法与其他煤粒瓦斯扩散系数计算方法进行对比。结果表明,煤粒瓦斯扩散系数是时间的函数,初期迅速减小,随后趋于稳定,扩散系数与时间关系符合负幂指数变化规律。通过对比表明,新方法可以弥补简化计算对结果造成的影响,且简便、可靠。     

基于THM耦合冻结煤层温度场演化规律研究*

为研究冻结煤层温度场演化规律,针对煤层注液冷冻防治煤与瓦斯突出方法,建立热流固（THM）耦合方程,应用COMSOL软件分析冻结过程中渗透率、温度场、有效冻结半径等参数的时空演化规律,并对不同布孔方式冻结效果进行对比。研究结果表明:冻结过程中渗透率与有效冻结半径均先快速增加后缓慢增加,有效冻结半径随冻结时间增加呈幂函数关系;多孔布置冻结孔时,随冻结时间增加,有效冻结范围增大;同一冻结时间,距冻结孔越远,温度变化越缓慢,研究结果可为冻结煤层防治煤与瓦斯突出提供理论指导。     

大型罐区油气扩散规律的CFD数值模拟研究

本文详细介绍了利用ANSYS公司CFX5．7软件模拟罐区油气扩散过程及其浓度分布规律，发现了罐壁、防火堤对油气浓度分布和流动的影响特征，认为使用CFD方法能够数值模拟重气扩散过程中的传热、传质、湍流等复杂物理现象，并且能够考虑复杂地形、建构筑物对流动规律的影响，具有很好的应用前景。