考虑水分影响的煤层气吸附及渗透机理

为定量分析水分含量和孔隙压力变化对煤层气渗流特征的影响,采用ASAP2020型比表面微孔分析仪进行低温液氮吸附试验,并通过等温吸附装置和三轴伺服渗流装置进行不同含水率条件下的煤岩吸附和渗流试验.在此基础上,建立考虑煤岩水分含量影响的吸附模型和煤层气渗透率模型,采用试验数据验证其合理性.结果 表明:在液氮吸附试验中,当相对压力较小时,煤岩吸附作用主要依靠范德华力;当相对压力较大时,其吸附作用则主要为毛细凝聚.在相对压力变化过程中,氮吸附量随相对压力的增大呈增大趋势,同时在相对压力较小时液氮脱附曲线与吸附曲线重合,且存在显著的吸附滞后现象.当煤岩中水分含量相同时,煤层气吸附量随孔隙压力的增大先增大后趋向于平缓,而当孔隙压力恒定时,煤层气吸附量随水分含量的增大呈减小趋势.在吸附作用的影响下,煤岩表面吸附变形量与煤层气吸附量的变化趋势一致.在水分与吸附作用综合作用下,煤岩渗透率随孔隙压力的增大呈先减小后趋于平缓的趋势.当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率随水分含量的增大显著减小.基于吸附理论,建立考虑水分影响的煤岩吸附模型及吸附变形表达式.综合考虑水膜及其分离压的影响,进一步构建考虑煤层气吸附-水分耦合作用的煤岩渗透率模型.模型计算值与试验数据具有一致性,可较好地表征煤岩在不同含水量条件下的渗流规律.     

基于动态质量平衡的室内颗粒物沉降规律研究

目前室内颗粒物污染问题已经受到广泛关注.越来越多的流行病学研究表明,大气悬浮颗粒物浓度对人体健康存在显著的负影响.由于个人在室内滞留的时间可能超过全天时间的90％,因此剖析室外颗粒物向室内的传输渗透机理,对掌握室内微环境下的颗粒浓度水平至关重要.本实验以青岛一办公室为研究对象,使用具有4个尺寸间隔的光学计数器同时测量室内和室外的颗粒物浓度,粒径分布范围在0.3~2.5μm,采集时间为2016年4月~9月.根据实验数据,采用基于时间的动态质量平衡模型,估算了换气次数在0.03~0.25h^-1范围内的室内颗粒物渗透率和沉降速率分别为0.45~0.82h^-1和0.94~2.82m/h,并分析了这些参数随粒径大小的变化规律.其结论为进一步研究颗粒物在室内的传输机理和运动轨迹提供参数.     

寺河矿正断层附近瓦斯涌出量变化规律研究

查明不同倾角正断层附近瓦斯涌出量变化规律对及时进行风量调整,保障煤矿安全生产有重要意义.以寺河矿煤田勘探开发资料为基础,在系统分析断层附近煤层顶、底板岩性、力学性质、原始状态下应力分布状况等的基础上,借助Ansys软件分别构建了倾角13°和65.正断层的地质模型;根据该区应力测试结果,应用Flac3D数值模拟软件,模拟了两种倾角下断层附近应力场分布规律;采集煤样,模拟现场围压,进行了不同应力下煤岩渗透性试验,得出应力-应变-渗透率之间的关系;根据应力模拟结果,结合渗透率测试试验,得出研究区正断层附近渗透率分布规律;根据瓦斯含量、渗透率和瓦斯涌出量之间的关系,最终得出断层附近瓦斯涌出量变化规律.结果表明:应力-应变-渗透率具有较好的一致性,从断层附近到远处,渗透率表现为“减小—过渡—增大—正常”的变化规律,瓦斯涌出量表现为“增大—减小—正常”的变化规律.预测结果与现场实测数据对比显示,该预测结果具有一定的准确性.     

超声机械效应致裂煤岩增渗规律研究

超声机械效应致裂煤岩过程中裂纹的萌生、扩展过程及增渗规律仅凭借物理实验无法得到,煤岩破裂能量变化、煤岩应力-应变关系及储层渗透特性变化缺乏深入的研究。结合CT观测及渗透率的气测实验对煤岩破裂声发射、有效声压及声波对煤岩体裂纹扩展规律进行了深入探讨;开展了超声机械效应致裂煤岩的数值试验研究。结果表明:煤岩破裂过程应力变化率和煤岩声发射现象具有一致性;有效声压的增大有利于裂纹扩展和贯穿,使煤岩体内部原本互不相通的裂纹裂隙形成了相互贯通的网络,从而提高了煤岩的渗透率。     

蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔周围煤体渗透率时空演化规律

为了研究水力冲孔周围煤体瓦斯运移规律,研究了水力冲孔周围煤体的应力、体积应变和孔径变化规律,建立了蠕变-渗流耦合作用下的水力冲孔周围煤体渗透率动态演化模型,揭示了水力冲孔周围煤体渗透率的时空演化规律,阐明了蠕变变形和基质收缩对渗透率的控制作用机理。研究结果表明:水力冲孔措施可以大幅度提高钻孔周围煤体的渗透率,在空间上煤体渗透率随距离呈负幂函数关系迅速降低（K=2×10-16 r -2.4）;在时间上煤体渗透率随抽采时间的延长而逐渐增大,但是增加梯度会逐渐降低;水力冲孔周围煤体渗透率的增加主要受到煤的蠕变变形控制,基质收缩效应虽然有利于渗透率的增加,但对渗透率的贡献远小于煤体的蠕变变形;钻孔由于蠕变变形会产生缩孔现象,很容易堵塞抽采通道,此时即使渗透率大幅度的提高,也很难保证抽采效果,因此迫切需要制定相应的防堵孔措施。     

超临界CO2气爆致裂规律实验研究

针对我国低渗透性煤层增透困难的现状,研发了可控超临界二氧化碳气爆发生装 置,对不同强度的模拟煤体进行了不同温压条件下的超临界CO2气爆实验,结合孔内窥 镜观测和外观测量手段,对爆后宏观裂隙数目和长度等爆破响应信息进行统计分析。结 果表明:气爆裂纹起裂所需的最小爆破压力与介质的抗拉强度呈指数式增长的关系,主 要是固体材料在动力载荷作用下强度增大引起的;超临界二氧化碳气爆后产生宏观裂隙 的数目和累计长度与爆破压力满足Logistic函数关系,是裂隙面积超线性增加所消耗能 量也超线性增加的结果;超临界CO2对温压条件敏感,爆破有降温作用,是良好的物理 爆破原料,使用超临界二氧化碳作为爆破原料的爆破效果优于空气爆破效果。     

型煤峰后渗透特性试验研究

煤层瓦斯渗透率是瓦斯（煤层气）抽采的重要指标之一,通过渗流模拟-吸附解吸试验装置,研究了型煤煤样在不同围压作用下破碎后卸载轴压围压过程中,以及加载至二次破坏过程中煤样渗透率随应力的变化情况。试验表明:型煤峰值强度后的渗透率较初始状态有所增大,峰值强度后卸载围压和轴压,其渗透率均增大。其后,给煤样固定一个围压加载轴压使煤样发生二次破坏,渗透率先减后增,整体呈U型趋势,且煤样发生二次破坏过程中的渗透率整体上要大于初次破坏过程中的渗透率,通过试验研究为矿井瓦斯抽放和煤层气开采提供了一定理论基础。     

基于MABC-SVM的含瓦斯煤体渗透率预测模型

对含瓦斯煤体的渗透率的有效预测,可为瓦斯抽采和瓦斯灾害的防治提供理论指导,采用改进的人工蜂群算法(MABC)和支持向量机(SVM)相结合对其进行预测。应用改进的人工蜂群算法优化支持向量机的核函数参数C和g,提高了支持向量机的预测准确性。选取有效应力、瓦斯压力、温度和煤的抗压强度作为影响含煤瓦斯渗透率的主要影响指标,结合实验室测试数据,建立MABC-SVM含煤瓦斯渗透率预测模型。研究结果表明:该模型具有较强的泛化能力,可以相对准确有效的对含煤瓦斯渗透率进行预测,为瓦斯渗透率的研究提供了新的研究思路。     

考虑气体传输和应力耦合作用的页岩表观渗透率演化机理

为模拟页岩气抽采过程中孔隙压力对其吸附特性和渗透特性的影响,通过吸附及多孔弹性理论,建立考虑过剩吸附量的吸附模型,并进一步建立考虑气体传输影响的页岩表观渗透率模型,通过试验数据验证其合理性。结果表明,1)随孔隙压力逐渐升高,页岩过剩吸附量呈先快速增加后趋于平缓的变化趋势;随温度升高,其吸附量呈降低趋势。考虑过剩吸附量和温度修正的吸附模型计算结果与试验所测结果吻合较好,且能较好地反映不同温度下页岩过剩吸附量与孔隙压力的关系。2)页岩气体吸附过程中产生的基质膨胀变形量随孔隙压力升高而升高,且温度较低时的气体吸附变形量大于温度较高时的变形量。3)在有效应力恒定的条件下,CH₄和He的表观渗透率随努森数增大而减小。相同孔隙压力条件下,随有效应力升高CH4和He的表观渗透率均呈降低的趋势,且页岩表观渗透率对有效应力的敏感程度随孔隙压力升高而降低。相同有效应力条件下,充入He的页岩表观渗透率均大于充入CH4的页岩表观渗透率。4)构建考虑气体传输和应力耦合作用的页岩表观渗透率模型,模型计算的渗透率与实测值具有良好的一致性,能较好地表征不同外应力条件下的页岩表观渗透率演化规律。     

应用XCT断层扫描技术和GAN深度学习模型的多孔介质微观结构定量研究

物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技术,结合前沿的机器学习算法重建和定量分析多孔介质微观结构,可快速、批量创建高分辨率的复杂多孔介质研究样本。首先采用XCT技术,提取石英砂和散装土壤两类典型多孔介质的微观孔隙结构;而后基于生成对抗神经网络(GAN)模型重构复杂多孔介质的微观空间结构,与XCT扫描图像进行交叉验证;最后,计算获取Minkowski形态学参数,并基于多孔介质微观结构开展计算流体力学（CFD）数值模拟,计算石英砂和土壤多孔介质内的流动特征和渗透率。结果表明：1)GAN生成的合成数据与原始数据符合KS同分布,说明GAN能够成功合成与原始图像结构空间分布模式一致的图像;2)Minkowski宏观参数评价误差的较小,KS同分布结果表明,多孔介质样本的结构异质性会在一定程度上影响GAN模型的计算精度和效率;3)Open FOAM模拟计算得到的渗透率结果表明,GAN模型生成的多孔介质图像与原始图像具有...