基于稳态模型的井下抽采主管道泄漏检测方法研究*

为准确检测煤矿井下瓦斯抽采主管道泄漏位置,提出基于稳态模型的管道泄漏检测与定位方法,采用Comsol数值模拟及地面相似实验研究压力梯度法对煤矿井下抽采管道泄漏检测与定位的可行性及准确性。研究结果表明:管道未泄漏时,管内沿线压力呈均匀分布,当管道突发泄漏时,管内压力分布呈现明显弯折现象,弯折处即为管道漏点位置,并对管道阻力计算公式进行修正,提高了检测准确性;随着管道泄漏程度的加大,湍流效应显著增强,漏点处速度、压力产生明显突变,且当其他条件恒定时,随着管道泄漏孔径的扩大,管道的漏入量越大,定位的相对误差越小;在宏岩矿开展地面相似实验,实验结果绝对误差为4.5 m,相对误差为6%;在阳煤五矿井下8421抽采巷进行现场应用,绝对误差134 m,相对误差约7.95%。     

基于COMSOL的采空区埋管抽采参数优化数值研究

针对回采工作面上隅角瓦斯浓度超限问题,提出了回采工作面采空区埋管抽采的方法。以保德煤矿81307工作面为研究对象,运用数值模拟软件COMSOL模拟采空区无抽采和不同抽采参数条件下工作面内瓦斯分布规律,研究埋管抽采参数对上隅角瓦斯浓度的影响规律,确定最佳的采空区埋管抽采参数。同时进行现场抽采参数优化试验,对瓦斯浓度进行监测,研究结果表明:合适的布置间距、抽采负压和抽采流量能够有效解决上隅角瓦斯超限问题,试验期间内,上隅角瓦斯体积分数最大为0.74%,进风流中瓦斯体积分数最大为0.2%,工作面风流中瓦斯体积分数最大为0.45%,回风流中瓦斯体积分数最大为0.5%,均没有超过安全标准。     

钻孔抽采瓦斯量影响因素分析与工程实践

为了提高钻孔抽采瓦斯量,基于煤层瓦斯流动和层次分析法等理论,研究了钻孔抽采瓦斯量的影响因素及各影响因素重要度,同时现场考察了透气性系数变化对钻孔瓦斯抽采量的影响。结果表明:钻孔抽采瓦斯量影响因素有煤层透气性系数、煤层原始瓦斯压力、煤层厚度、抽采钻孔孔径和抽采时间等,其中煤层透气性系数是对其起决定影响作用的参数;重要度上煤层透气性系数对钻孔瓦斯抽采量的影响是抽采负压和钻孔半径的7.1倍;被保护层的透气性系数增大可大幅度提高了钻孔抽采瓦斯量。     

采动卸压瓦斯分区富集规律及协同抽采技术研究

为了提出合理的邻近层瓦斯治理技术,分析了上覆岩层采动裂隙场演化与瓦斯运移规律,并进一步得出了卸压瓦斯分区富集规律,提出了通过高抽巷抽采高位富集区瓦斯,通过走向低位钻孔抽采低位富集区瓦斯,并通过现场考察和数值模拟等手段确定了合理的高抽巷位置、抽采负压等参数。协同抽放技术在现场应用效果表明,工作面、上隅角以及轨道顺槽的瓦斯浓度都降到了0.4%以下,工作面的瓦斯超限问题得到了解决。研究结论对控制邻近层采动卸压瓦斯涌出,提高瓦斯抽采量和抽采率具有重要意义。     

基于灰关联分析的顺层钻孔瓦斯抽采有效半径主控因素研究

基于顺层抽采钻孔固气耦合模型,采用COMSOL对钻孔直径、煤层物性参数及抽采参数三类因素进行了模拟分析,并运用灰关联分析方法确定了顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的主控因素。研究表明:煤层初始瓦斯压力与煤体初始渗透率为有效半径的主控因素,抽采时间次之,钻孔直径与有效抽采负压的变化对有效半径的影响甚微;提高瓦斯抽采有效半径的首要任务是通过技术手段卸压、增透,其次要把握合理的预抽时间。     

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.     

基于采动覆岩三维裂隙场演化规律的地面L型钻井瓦斯抽采技术*

为了解决目前采用的直立型地面钻井抽采范围小、工作面所需钻井数量多及瓦斯流量和浓度偏低的问题,基于屯兰矿12507工作面Ⅱ段工程地质情况,提出地面“L”型钻井提高瓦斯抽采效率的理论和实践研究。通过PFC3D颗粒流离散元数值模拟软件对工作面覆岩采动影响进行模拟,得到采动影响下的覆岩结构、裂隙和孔隙率变化。研究结果表明:屯兰矿12507工作面Ⅱ段的垮落带高度为15.87 m,裂隙带高度为49.46 m,采空区上方15~50 m、沿倾向方向距离采空区边界20~100 m的范围内裂隙较发育,孔隙率高且稳定。在屯兰矿12507工作面Ⅱ段进行工程实践,得到地面“L”型钻井在抽采效率、工作面上隅角瓦斯治理及采空区瓦斯有效利用方面优于普通地面钻井抽采,抽采系统工作149 d瓦斯抽采浓度平均为52.52%,抽采纯量平均为9.48 m3/min,上隅角瓦斯浓度平均为0.21%,降低了矿井瓦斯灾害出现的风险并提高了煤层气的利用。     

煤层钻孔密封液径向渗流模型及工程应用

针对顺层瓦斯抽采过程中,因钻孔形变较大、封孔长度不足及封孔方法不合理等因素造成抽采钻孔及其周围煤体漏风严重、抽采瓦斯浓度偏低、流量衰减速度较快及稳定性差等技术难题,基于多孔介质渗流理论、流体平衡理论、"固封液-液封气"钻孔密封技术原理,研究了承压密封液在煤层钻孔内的径向渗流规律,建立了不可压缩流体径向驱气稳定渗流物理模型、密封液径向渗流运动数学方程及相关参数计算公式,进而提出了固液耦合壁式密封顺层瓦斯抽采技术。结果表明,采用固液耦合壁式密封技术可对抽采钻孔及周围煤体裂隙实施动态密封,使得瓦斯抽采过程浓度稳定,单孔平均浓度提高4~5倍,平均抽采瓦斯体积分数达到89%以上,显著提高了本煤层瓦斯的抽采效率。     

采空区不同瓦斯抽采方法与自燃合理平衡的数值模拟

为了研究和解决西铭矿在生产中由于瓦斯抽采方法的不同可能引起采空区自燃以及瓦斯爆炸等重大安全隐患问题,构建了高位巷、埋管和高低位钻孔瓦斯抽采方法下的非均质多孔介质三维模型。利用非线性渗流定律、通用控制方程和自定义的函数进行解算,结果表明:高位巷、高低位钻孔抽采流量与抽采氧气浓度近似呈正比函数关系,埋管抽采流量与氧化带宽度呈指数函数关系;高位巷、高低位钻孔随着抽采流量的增加抽采效率反而降低,抽采总量增加,埋管抽采位置在距工作面35m处、抽采流量为20m3/min能很好解决上隅角瓦斯超限问题。根据模拟结论:采用立体联合瓦斯抽采方法既能满足抽采要求又能有效控制采空区自燃现象。     

回采工作面高位钻孔抽采瓦斯效果数值模拟及方案优化

以提高瓦斯抽采效果为目标, 某矿Ⅲ4423工作面为研究对象,采用理论分析、 数值模拟、现场试验等研究方法,研究了顶板高位钻孔条件下瓦斯抽采的主要技术参数 ,数值模拟出高位钻孔抽采瓦斯前采空区的瓦斯分布情况与运移规律,以及负压分别为 8、10 kPa时的高位钻孔瓦斯抽采效果。依据瓦斯流动“O”型圈理论与FLUENT数值模拟 分析,优化设计高位钻孔抽采瓦斯工艺参数并进行现场试验。结果表明:当高位钻孔抽 采负压为8 kPa、终孔位置调整到采空区裂隙带回风巷侧15~35 m范围内时,高位钻孔抽 采瓦斯效果最佳,采空区内瓦斯最高浓度明显降低,单个钻场最大抽采瓦斯量为19 821.74 m3,钻孔瓦斯浓度稳定在 20%~30％之间,最大值达到50％,实现了工作面有效 治理瓦斯和安全生产的目标。     

水平管分层流下微孔泄漏特性数值模拟和实验分析

在油气田开发过程中,通常采用气液相混输模式,管道受腐蚀等因素影响容易出现穿孔而发生两相流泄漏。为分析两相流泄漏特性,对管内常见流型分层流下的微孔泄漏特性进行数值和实验分析;采用VOF耦合Level set算法分析了不同影响因素下的气液两相泄漏特性,设计了1种管道泄漏收集装置,进行室内两相流泄漏实验,并验证了数值预测模型的准确性。研究结果表明:气液两相流经过管壁泄漏口时会发生相分离,泄漏特性受小孔方位、管路内外压差、气液相流速影响较大;泄漏口位于管路侧壁时的泄漏特性与其他角度下的泄漏特性有所不同,可用泄漏影响区内的气液分布进行解释;当泄漏口位于管路底部时,存在临界液相分流系数,当液相分流比小于此临界值时,泄漏流体为单相液体。VOF耦合Level set算法的数值方法可为管路泄漏量预测和相分离特性分析提供参考。     

穿越城市生活区的天然气管道泄漏连锁爆燃后果评估研究

为评估城市天然气管道泄漏连锁爆燃事故后果,基于计算流体力学(CFD)方法构建穿越城市区域的天然气管道泄漏连锁爆燃后果预测与评估模型,以某城市生活区域为例,在城市生活区域建筑物内风场流动计算的基础上,模拟风场作用下可燃气体在城市建筑物空间内的运移规律,预测可燃气云的积聚区域;考虑意外点火的情况,计算城市生活区域内可燃气云爆燃灾害特征,预测爆燃超压、热辐射和高温的影响。研究结果表明：由于建筑物之间的阻挡与反射作用,建筑物下风向有明显的低风速区域,并在一定时间段后扩散过程趋于稳定;在爆燃火焰作用下,高温和热辐射会造成建筑物部分钢结构发生失效变形。     

基于时序片段的油气管道运行工况识别方法*

为准确识别管道系统运行工况,提高对油气管道突发事故的响应速度,综合提升管网安全管理水平,提出1种基于时序片段的油气管道运行工况识别方法。首先,构建基于概率分布的状态变化识别模型,提取油气管道中不同运行状态点;其次,建立基于时间序列片段的工况识别模型,快速识别不同时间长度内油气管道运行工况;最后,以国内某成品油管道为例进行方法验证。研究结果表明:该方法可有效识别成品油管道阀门开关状态、泵异常停机和阀门内漏3种运行工况。对比传统的识别方法,该方法可降低状态变化点的漏报率,提升管道运行工况识别的准确率。研究结果可为油气管道系统运行工况识别提供新的借鉴方法。     

基于UHBs的输气管道高后果区泄漏燃爆事故分析

为探究输气管道高后果区中人的不安全行为（Unsafe Human Behaviors,UHBs）对输气管道泄漏燃爆事故发生的影响,结合模糊Bow-tie模型和贝叶斯网络对输气管道泄漏燃爆事故进行分析。构建基于T-S模糊故障树的输气管道泄漏燃爆模糊Bow-tie模型,并转化为贝叶斯网络;从人的不安全行为发生的可能性出发,将不同等级高后果区划分为不同等级人口敏感区;利用专家经验评判法得到不同等级人口敏感区基本事件的先验概率和中间事件的条件概率表;运用贝叶斯网络双向推理算法求解模糊Bow-tie模型。结果表明:随着地区人口敏感等级的提高,输气管道泄漏燃爆事故发生的概率随之增大,发现导致输气管道失效泄漏事故发生的最主要原因为施工破坏,失效原因与EGIG分析的结果基本相符,验证该方法在高后果区输气管道泄漏燃爆事故分析上的可行性,可为输气管道高后果区的安全管理提供决策依据。     

基于特征提取的输油管道泄漏系数预测*

为准确预测管道泄漏系数,估计管道泄漏量,以基于瞬变流方法的模拟数据为例,建立多个管道泄漏系数预测模型(多层感知机、长短期记忆网络、随机森林、支持向量机以及K近邻回归),综合考虑管道流量和压力数据特点,提出序列提取法和均值提取法2种管道时序数据预处理方法,模型评价指标为相关系数（R2）和平均绝对百分比误差（MAPE）。研究结果表明:随机森林和多层感知机的抗噪性较强,在5%的噪声影响下,模型准确度下降幅度较小;均值提取法去噪功能较好,可在一定程度上降低噪声影响;基于均值提取法的多层感知机模型效果相对较好,R2为0.997 5,MAPE为1.599%,研究结果可为准确预测管道泄漏系数、估计泄漏量提供指导。     

基于实验与仿真的三维水下气体泄漏预测与安全评估研究

水下气体羽流特性是海底气体泄漏风险评估的重要基础。为准确预测水下气体羽流行为,基于计算流体动力学(CFD)方法,建立1种考虑气体卷吸湍流特性的三维水下气体羽流数值预测模型;采用欧拉-欧拉流体体积模型捕捉气液作用界面,以大涡模拟(LES)方式预测羽流上浮及卷吸过程中的湍流特性,从而实现对水下气体羽流行为的预测;搭建小尺度实验平台,对比仿真与实验条件下的气体羽流形态,验证数值模型的可行性及预测精度;应用建立的数值模型对工程条件下的水下气体泄漏事故进行预测和评估,以某浅层气井喷事故为例,评估水下气体羽流上浮时间、海面影响范围和涌流高度。结果表明:基于欧拉多相流与大涡模拟的数值模型对水下气体羽流预测结果与实验具有较好的吻合度,该模型能够较好捕捉羽流的湍流特性,可为水下气体泄漏羽流行为评估提供参考。     

深埋管道中泄漏孔对燃气泄漏影响的数值模拟*

为研究泄漏孔的各种因素对深埋土体中燃气管道泄漏的具体影响,采用1个包含燃气管道的三维模型,研究单个泄漏孔的大小、位置、形状对于埋地燃气管道泄漏的影响,并建立大小相等的双泄漏孔的燃气管道,确定双泄漏孔间距对于燃气泄漏扩散的影响。结果表明:泄漏孔越大,燃气在土壤中的扩散速度越快,且泄漏孔的大小对深埋燃气管道泄漏的影响最大;泄漏孔位置的影响次之,顶部与侧壁的泄漏孔扩散速度相差无几,底部泄漏孔的扩散速度远低于前2者;双泄漏孔间距的影响较小,双泄漏孔的距离越小,甲烷的扩散速度越快;泄漏孔形状对于深埋燃气管道泄漏扩散的影响非常小。     

海底管道泄漏原油扩散漂移规律数值模拟

针对浅海输油管道泄漏原油扩散漂移问题,依据计算流体动力学理论,采用VOF模型和k－ε湍流模型来模拟多相流动,采用速度边界造波法和阻尼消波法来模拟波浪,建立洋流波浪环境下海底管道原油泄漏扩散漂移模型,对不同海洋环境、原油密度和泄漏量工况下的原油扩散漂移行为进行模拟,预测水下原油扩散上升路径、上浮到水面时间、溢油扩散范围以及水面溢油漂移速率等关键数据。研究结果表明:相对于静水、洋流和波浪等单一环境条件,在洋流波浪环境下泄漏原油的水下扩散范围更广、扩散上升速率更小、水面原油漂移速率更大;海洋环境对原油在水面的漂移速率影响较大,泄漏速率对原油的水下上升扩散速率影响较大;原油密度主要影响水下原油上升扩散过程,对水面原油漂移过程影响较小。     

城市综合管廊燃气舱室输气管道泄漏扩散规律研究

为了掌握输气管道在城市综合管廊舱室泄漏扩散的基本规律,采用FLUENT软件,针对管廊正常通风—泄漏报警—事故通风—警报解除的全过程进行动态分析。首先在正常通风速度建立的稳态风场中,模拟天然气在不同管输压力下发生小孔泄漏后的报警时间,根据首个响应的报警器的位置判断泄漏源位置。结果表明,当泄漏孔径为20 mm,通风速度为1.92 m/s,且泄漏源处于2个报警器中间时,管输压力为200,400,800 kPa时对应的报警时间分别为10.4,6.7,4.5 s。事故通风速度下,对不同管输压力的天然气扩散进行分析,当天然气朝逆风侧扩散时,随动量逐渐减小而到达不同的边界坐标。同时,环境大气压的降低不仅会缩短报警器的首次报警时间,还能延长总扩散距离。预测所得的天然气爆炸上下限浓度区移动速度有助于动态了解处于爆炸上下限浓度之间气体的实时位置。解除报警时间与进风口风速呈近似线性关系,可为现场救援队伍选择经济通风量提供理论指导。