煤层瓦斯流动的数值模拟及在煤壁的应用

研究煤层中瓦斯流动规律对于预防瓦斯突出,改善煤层瓦斯抽放率和煤层气开发利用具有现实意义。根据基本假设,对煤层瓦斯流动规律进行了研究,运用瓦斯运动方程—达西定律(DarcyLaw)、煤层瓦斯含量方程—抛物线方程、理想气体状态方程以及气体流动的连续性方程,建立了煤层单向瓦斯流动的动力学模型,并根据边界条件和初始条件,对动力学模型进行了求解,推导出煤壁单位面积的瓦斯涌出量的计算公式,分析了瓦斯涌出量的影响因素,利用测得的数据,进行了实例计算,并用vc编制了计算机程序。     

初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯含量关系研究

基于初始释放瓦斯膨胀能理论,根据突出模拟实验中发生突出时初始释放瓦斯膨胀能的临界值以及初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系,结合朗格缪尔方程,得出初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯含量的关系.该方法只需通过少量实验,就可以快速、准确得出煤样的初始释放瓦斯膨胀能,解决了通过瓦斯压力实验得出煤样初始释放瓦斯膨胀能测压周期长,特别是在地质破碎,裂隙发育的矿区很难准确测出瓦斯压力的难题.这一研究成果对石门揭煤和煤巷掘进中的突出预测具有重大意义.     

本煤层瓦斯抽采渗流模型及数值模拟

在研究煤层瓦斯抽采时,假定煤岩为具有孔隙裂隙的双重介质,在运动方程、连续性方程和辅助方程基础上,以煤岩体应变为耦合媒介建立了考虑裂隙瓦斯渗流、微孔隙吸附瓦斯解吸扩散和煤岩变形的渗流模型.借助多物理场分析软件COMSOL Multiphysics,将模型转化为偏微分方程组,结合沙曲矿24305工作面瓦斯赋存条件进行分析求解.结果表明,进行煤层瓦斯预抽时,抽采初期瓦斯压力下降较快,抽采孔间距对抽采效果影响比较显著,距离抽采孔越远瓦斯压力下降越慢,抽采时瓦斯渗流速度变化可分3个阶段.参考模拟结果现场布置孔距为6m的顺层钻孔,抽采稳定时瓦斯纯量达5～7 m3/min,抽采效果比较理想.     

基于时空分布特征的煤层瓦斯测压准确性研究

为获得真实可靠的现场实测煤层瓦斯压力,实现煤层突出灾害等级科学评价和精准防治,通过理论分析、数值模拟和现场验证相结合的方法,以双重孔隙介质为基础,根据煤层瓦斯流动模型和瓦斯压力恢复曲线,分析煤层瓦斯压力测定的时空分布及准确性,并以桃园煤矿Ⅱ1采区10煤层为例,开展工程验证.研究结果表明:当基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力处于...     

不同机制条件下的煤层瓦斯流动方程研究

气体流动可分为连续流、滑流、过渡流、自由分子流,为研究不同流动机制下的煤层瓦斯流动规律,在充分考虑了不同扩散机制和滑移边界条件后,建立了适用于不同流动机制的煤层瓦斯流动方程,深入分析了视渗透率和达西渗透率的比值随Knudsen数的变化关系。研究结果表明:所提出的煤层瓦斯流动方程能准确描述包括达西流、滑流、自由分子流、过渡流在内的气体流动行为。瓦斯气体在煤层孔隙、裂隙中流动过程中浓度扩散和粘性流同时存在,当Kn<0.01时,粘性流起主导作用,瓦斯流动满足渗流方程;当Kn>10时,浓度扩散起主导作用,瓦斯流动符合扩散方程;在Kn的其他范围内,煤层孔隙裂隙中瓦斯流动以滑流、过渡流为主,在对之进行评价时应同时考虑扩散项和渗流项。研究结果可为揭示煤层瓦斯流动机理、提高煤层瓦斯抽采率和煤层气的产量预测准确度提供新方法和新途径。     

基于地层条件下煤层瓦斯流动模拟研究

为了研究地层条件下瓦斯流动特点,通过建立瓦斯吸附-解吸、扩散和渗流综合流动数学模型,分析不同埋深条件下瓦斯流动机制,并模拟吸附层和滑脱效应对瓦斯流动的影响。结果表明:随煤层埋深增加,部分纳米孔隙内瓦斯流动机制由扩散过渡到渗流,这有利于瓦斯运移;在煤层深部,瓦斯吸附层和滑脱效应对瓦斯渗流作用影响不大;随埋深增加,瓦斯吸附层对瓦斯运移影响逐步增大,而滑脱效应则逐步弱化;在埋深相同时,两者对瓦斯运移的影响都随孔隙直径增大而减小。研究有助于深入了解瓦斯在深部煤层流动的机制,提高深部煤层瓦斯抽采效果。     

煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用研究

为了研究煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用,采用煤体中瓦斯总量守恒的原理研究瓦斯含量与瓦斯积聚内能的基本方程和影响因素;分析煤与瓦斯突出产生的力学条件和机理,建立了煤与瓦斯突出危险程度的矩阵图。结果表明:瓦斯含量是煤体瓦斯内能最直接的反应,其值大小决定瓦斯内能的大小;瓦斯压力梯度、煤体的断裂韧性及煤体内的裂隙发育程度决定着瓦斯突出的危险性,低渗透性构造煤对瓦斯运移阻力较大,容易形成较大的瓦斯压力梯度,从而更容易发生煤与瓦斯突出。煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力、地应力越大,煤体的强度、渗透率越小,越容易发生突出。煤层瓦斯情况、力学性能、地质构造和煤层的应力状态是决定煤与瓦斯突出的主要因素。     

可压密煤层瓦斯运移方程与数值模拟研究

建立了非均质可压密煤层瓦斯运移方程和数值模拟方程,通过计算机数值模拟解,并运用相似理论,得到了煤层瓦斯压力分布曲线和煤（孔）壁瓦斯涌出衰减曲线方程。采掘面围岩中的集中应力峰值点存在高瓦斯压力和压力梯度,克林伯格效应和煤体排放瓦斯后的应力释放对钻孔瓦斯流量有明显的增长作用     

煤层瓦斯压力测定中的钻孔注浆新技术研究

为简化复杂地质条件下测定煤层瓦斯压力的工序并提高高压注浆的成功率和可靠性,以达到准确、快速测量瓦斯压力的效果,基于胶囊注水封孔器的原理和特性及高压注浆的现场情况,提出了一种新型的注浆方法。通过钻孔注浆模型的建立和数值分析、模拟,发现新式注浆工艺可满足10 MPa的注浆压力,能有效封堵钻孔中的裂隙。现场对比实验证明新式注浆方法较传统注浆方法减少了工序,提高了安全性和可操作性,节省时间约35 h。新型注浆方法在复杂地质条件下可提高测压工作整体的效率。     

分层充填开采煤层瓦斯运移方式及涌出规律研究*

为了探究使用分层充填法采煤过程中煤层瓦斯的运移方式及涌出规律,以高河煤矿E1302工作面为研究对象,采用实验室试验、理论分析、数值模拟相结合的方法建立数学模型,利用数值模拟软件对煤层瓦斯的运移方式及涌出规律进行求解。研究结果表明:使用分层充填法采煤时,充填体渗透率远大于煤体,下分层煤体中的瓦斯会以充填体为媒介向工作面涌入;开采过程中,工作面瓦斯压力随开采时间逐渐降低,开采30 d后,煤层最大瓦斯压力下降18.75％,最大瓦斯渗流速度始终位于充填体、工作面、下分层煤体交界处;工作面绝对瓦斯涌出量随着开采时间的推移呈波动式下降。     

密闭受限空间可燃气体爆炸特性数值模拟研究

密闭受限空间中可燃气体的爆炸研究对于石油及天然气工业的安全生产具有重要意义.以RNG湍流模型及EBU-Arrehnius燃烧模型为基础,建立了可燃气体单步化学反应湍流爆炸模型,以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程,从而对二维受限空间中可燃气体爆炸的过程及规律进行了数值模拟,模拟结果与实验数据有着较好的吻合性.所做的工作为受限空间中可燃气体爆炸特性及规律的进一步研究及工业防爆抑爆技术的工艺实施、系统设计和关键参数计算提供了理论依据.     

煤与瓦斯突出的物理模拟和数值模拟研究

利用自行设计的实验装置,通过现场采集具有突出倾向的煤样,分别向实验装置煤样中充入吸附能力较大的CO2和吸附能力较小的N2来模拟不同级别的煤与瓦斯突出现象,物理试验结果表明:瓦斯压力越大,突出强度越大;当瓦斯压力相近时,吸附和解吸能力大的瓦斯突出强度大。通过数值模拟对煤与瓦斯突出进行研究,数值模拟再现了煤矿开采过程中诱发的煤与瓦斯突出全过程,同时验证了煤与瓦斯突出是瓦斯压力、地应力及煤岩体的力学性质综合作用的结果,该验证对进一步深入理解认识煤与瓦斯突出的机理具有重要的理论和实践意义。     

瓦斯压力测定时间及其受控因素分析

提前掌握瓦斯压力测定所需时间,对准确高效地测定煤层瓦斯压力非常重要。以被动式岩巷测压为例,在初步分析测压钻孔周围煤体初始瓦斯压力分布规律、游离瓦斯与吸附瓦斯的关系、瓦斯流量衰减规律及瓦斯流场平衡条件的基础上,从理论上推导出瓦斯压力测定时间计算公式。将该公式与现场瓦斯压力测定监测数据进行对比分析,并研究瓦斯压力测定时间的影响因素。结果表明,理论分析结果与现场瓦斯压力测定情况基本一致,测压时间的误差仅为6%;改变测压钻孔初始气体压力(主动式测压)是唯一有实用价值的方法。     

煤与瓦斯突出冲击波及瓦斯气流所致伤害研究

为揭示煤与瓦斯突出过程中冲击波及瓦斯气流传播特性,针对这种突出做功随瓦斯压力、煤的普氏系数和煤的放散初速度变化的特征,运用气体动力学理论,建立冲击波超压、冲击瓦斯流速度与传播距离以及煤层瓦斯压力等参数的关系,计算不同超压下瓦斯气流传播伤害的范围。理论计算与现场测试结果表明,突出冲击波属惰性弱冲击波;波阵面上的超压传播伤害距离与突出时瓦斯膨胀的强度、巷道断面及巷道壁面的摩擦力和局部阻力等因素有关;冲击产生的高压瓦斯气流是造成巷道内大量人员窒息伤亡的主要诱因;突出能量瞬间释放没有补给,冲击波及瓦斯气流会在巷道阻力等因素作用下迅速衰减。     

封闭空间火焰自熄灭时间数值模拟研究

利用CFD数值模拟研究封闭空间内甲烷燃烧火焰在常重力和微重力两种环境中自熄灭时间的不同,分析火焰自熄灭时间与火源热释放速率、封闭空间体积、重力之间的关系。结果表明:当火源热释放速率一定时,微重力环境中火焰自熄灭时间数倍于常重力环境中的情况。当封闭空间体积一定时,小火源功率在微重力环境中的自熄灭时间远大于常重力环境中的情况。因此,微重力环境中不宜采用窒息灭火法。     

矿井瓦斯煤尘爆炸传播数值模拟研究

基于连续相、燃烧、颗粒相数理方程建立瓦斯煤尘爆炸传播数理模型,并应用连续相、颗粒相计算方法,依据大型巷道瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸传播实验数据,借助普遍应用的流场模拟平台,成功开发瓦斯、煤尘爆炸数值模拟系统。该系统可有效地模拟煤矿瓦斯、煤尘的爆炸事故过程,对瓦斯爆炸的爆燃转爆轰、煤尘是否参与爆炸、爆炸冲击传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围都能进行较准确的模拟。     

狭长空间不同间距挡烟垂壁阻滞火灾烟气蔓延数值模拟

为了研究狭长空间防火挡烟设施的效果,通过数值模拟方法,研究了狭长空间中两挡烟垂壁间距对烟气阻滞作用的影响规律。研究结果发现,烟气越过前挡烟垂壁后,根据烟气流动状态可分为3个流动区域,即涡旋区、涌波区和定常流动区。当后挡烟垂壁位于涌波区,挡烟垂壁间距3～6m时,阻烟效果最佳。     

基于心态指标的煤矿瓦斯爆炸区间数模糊评价

为了评估煤矿瓦斯爆炸的安全性,根据瓦斯爆炸的形成条件和事故致因理论,建立了评价体系。然后采用一种新的区间数模糊评价方法,建立数学模型。传统的区间数模糊评价方法是根据最大隶属度原则判断该对象的优劣,不能进行多个对象之间的评价。该方法综合考虑了最大隶属度和评语集,提出区间数的内积公式,进而得到每个对象的综合分数,通过比较其大小进行多个对象之间的评价。考虑到决策者不同心态时对决策方案的影响,引入心态指标,通过调节心态指标来比较综合分数,从而得出煤矿之间的安全性大小。最后,将该方法应用到3所煤矿,运用基于中点值的区间数排序方法对综合评判向量进行分析,所得结果与该方法的结果基本一致,从而验证该方法的正确性。     

瓦斯浓度区间预测的灰色聚类与高斯过程模型

为有效分析矿井瓦斯监测数据,以实现准确、可靠的瓦斯浓度预测,基于灰色关联聚类分析与高斯过程回归模型,研究瓦斯浓度时间序列分析与预测的方法。以预测有效度为预测精度的评估指标来动态确定重构瓦斯浓度时间序列样本空间的维数;应用灰色关联分析方法将瓦斯浓度时间序列划分成若干样本集,将其中具有关联特征的样本作为虚拟变量进行预测以消除因随机、不确定因素干扰而引起的预测误差;应用高斯过程回归模型实现瓦斯浓度区间预测,将预测结果表示成一个具有较高可信度的取值区间,以此表达对未来一段时间内瓦斯浓度动态变化情况的预测。实例分析表明:预测结果准确、可靠,能够较好地反映瓦斯浓度的实际变化状况。