多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

煤层瓦斯流固耦合渗流的二维数值模拟

将渗流力学与弹塑性力学相结合,考虑煤层瓦斯和煤体骨架之间的相互作用,建立了煤层瓦斯运移的数学模型,并给出其数值解。对煤层瓦斯渗流方程和煤体变形场方程分别进行离散,得到其相应的泛函方程,根据有限元法原理推导出其耦合求解方法,最后进行了实例计算。     

水库下伏采空区渗流场耦合模拟分析

基于扰动情况下岩体应力场与渗流场相互作用机理,确定了应力场环境下岩体渗流参数的计算公式以及耦合模型中渗透体积力的加载方程,采用有限元分析软件ANSYS,运用物理环境耦合方法,介绍了水库下伏扰动岩体渗流场模拟分析的方法及流程,并对某库区下伏岩体渗流场进行了模拟分析,通过对该库区下伏采空区渗流场进行分析,对库区及采空区提出了处理建议.     

非等温情况下煤层瓦斯流动规律的研究

论文较详细地论述了煤层瓦斯吸附解吸机理和在不同孔隙裂隙下,煤层瓦斯储运形态。通过实验得出了温度变化情况下煤层瓦斯吸附解吸规律。根据渗流力学、岩石力学、传热学等,建立起煤层温度场、瓦斯渗流场及煤岩变形场三场耦合的数学模型,并给出其数值解法。从而建立起较为完善的煤和瓦斯固流耦合理论,使瓦斯流动理论的研究更接进实际。分析了煤矿开采过程中煤层温度变化原因,并根据所建立的数学模型及其数值解法,对考虑温度情况下,煤体应力状态进行数值模拟,并与等温情况下的计算结果进行了比较,为利用温度梯度变化预测煤和瓦斯突出…     

尾矿坝渗流场三维有限元分析与安全评价

根据某尾矿坝的实际情况,建立尾矿坝三维有限元计算模型,计算并分析其渗流场,对尾矿坝进行渗流安全评价,将评价结果与工程地质勘测所得的资料进行对比分析,以验证尾矿坝渗流场数值模拟方法和计算模型的合理性.计算结果显示,数值模拟所得渗流场与工程地质勘测实测值吻合,计算方法和计算模型合理,可以为尾矿坝的加高工程提供参考.     

褐煤自然发火特性实验及数值模拟

 为研究褐煤的自然发火特性,采用恒温加热法,对不同尺寸的立方体网状容器内的煤样进行实验,得到煤样的升温曲线和临界自燃点温度。根据实验条件,应用Fluent软件建立煤样升温过程的温度场、空气渗流场和氧气浓度场三场耦合模型。实验与模拟结果表明：煤体体积越大,临界自燃温度越低;当环境温度高于临界自燃温度值,煤体能够自燃,反之煤体不能自燃;煤体升温过程中的温度场、空气渗流场和氧气浓度场是随着时间变化并且相互影响的。     

考虑解吸扩散过程的煤层气流固 耦合渗流研究

煤层甲烷运移包含解吸、扩散和渗流过程,同时又存在渗流场、变形场和应力场的动态耦合作用。本文建立考虑解吸、扩散过程的气、水两相渗流场与煤岩体变形场以及物性参数间耦合作用的多相流体流固耦合渗流模型并进行了数值模拟,通过试井资料的实际数据与流固耦合模型的数值模拟的结果比较表明流固耦合模型比较接近实际。     

电场作用下多孔介质中单相流体的渗流速度

研究了外电场对多孔介质中单相流体渗流速度的影响。根据渗流力学和电渗理论,推导了外电场作用下多孔介质中单相流体渗流方程,建立了有限元数值模型,采用有限元方法进行了数值模拟。计算结果与实验结果拟合很好,二者之间的相对误差在5%左右。在此基础上探讨了外电场对多孔介质中单相流体渗流速度的影响,结果表明:在压力保持不变情况下电场可以将流体渗流速度增大1~7.5倍;相同电位梯度情况下,压力梯度越大,渗流速度之比越小。     

岩体温度对地下水性质的影响

地下水的物理，力学及热学性质岩体温度的变化而变化，本文根据相关文献中可靠的试验数据，对一个大气压下地下水储性质与温度之间的关系进行了比较系统的研究，给出了地下水储性质与岩体工之间计算精度较高的数学关系式，为定量研究岩土体温度场对渗流场的影响奠定了基础。     

水-气两相流在煤层中运移规律

在考虑煤层气溶于水的情况下，探讨了水—气两相流在煤层中的运移规律，建立了煤岩体为弹塑性小变形时煤岩变形场的数学模型，并应用多相渗流力学理论，建立了两相流渗流场模型：通过煤体骨架变形对流体渗流的影响和流体渗流对煤体变形的影响，将有效应力、孔隙流体压力分别引入到渗流物性参数中，实现了流固耦合的相互作用。     

煤炭地下气化“三带”特征及影响变量的研究

阐述了煤炭地下气化的原理,根据气化煤层的温度、主要化学反应及煤气成份的不同,将气化过程沿气通道划分为3个带,即氧化带、还原带和干馏干燥带。分析了“三带”的物理化学特征,并讨论了主要变量－－温度、水涌入速率、鼓风的量与质、煤层厚度、操作压力以及气化通道的长度和断面对煤气质量的影响及各变量之间的相互关系。为进一步探讨煤炭地下气化过程和影响因素、预测产品煤气的组成、选择最佳控制参数以及确定适宜的气化工艺,提供了必要的依据。     

煤炭地下气化过程的变化规律和提高煤气热值问题

为改进有井式煤炭地下气化技术，提高产气量和煤气热值，根据煤炭地下气化原理，通过现场试验研究了地下气化过程的各种变化规律。系统地分析了气化过程中物理化学特征和影响因素，揭示了在急倾斜中厚煤层条件下，气化炉温度场和浓度场的分布状态和发展趋势，以及煤气热值与气化通道长度的相关性。试验证明：延长气化通道长度，受干馏干燥带的影响，煤气热值不能提高，将会逐渐降低。     

电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响

为了探讨地电场对包含在煤层中的瓦斯气体的储存、运移的作用以及如何利用电场采促进煤层气的渗流从而达到提高中国低压低渗煤层的煤层气抽放率等问题,研究了电场对煤瓦斯吸附渗流特性的影响．研究表明：静电场对煤瓦斯吸附特性的影响关键在于静电场的焦耳热效应使煤瓦斯系统温度升高和静电场增加煤表面吸附势阱的深度2种因素竞争的结果,当静电场增加煤表面吸附势阱深度占主导地位时,静电场使煤对瓦斯的吸附量增加,当静电场的焦耳热效应逐渐占主导地位时,静电场使煤对瓦斯的吸附量减少;外加静电场促使煤中瓦斯的渗流;交变电场作用使煤对瓦斯的吸附量减少;交变电场作用促使煤中瓦斯的渗流．     

本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的渗流场数值模拟

针对本煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置问题,通过建立钻孔抽采瓦斯的渗流场控制方程和煤层变形场控制方程,结合钻孔抽采瓦斯的初始及边界条件,推导出钻孔抽采瓦斯渗流的固气耦合数学模型.以石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔瓦斯抽采为工程实例,基于研究区域的煤层瓦斯赋存特征,采用数值模拟计算方法,获得了本煤层单一顺层钻孔周围煤层瓦斯压力、煤层瓦斯渗透率、煤层瓦斯渗流速度和煤层变形的分布规律.确定了本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效影响半径,从而为本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的优化布置提供了依据.研究结果表明,石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径分别为4 m左右;在延长钻孔抽放时间不到20%的情况下,减少了钻孔工程量50%左右,抽采效果良好.     

煤焦-CO_2高温气化反应特性的实验研究

利用STA409PC综合热分析仪以等温法研究煤焦-CO2高温气化反应,考察了煤种、气化温度及气流速度对煤焦气化反应的影响,并对其动力学参数进行了求算.实验结果表明:当气化温度低于煤焦灰熔点温度时,煤焦的碳转化率和反应速率峰值随气化温度的升高而增大,当气化温度高于煤焦的灰熔点温度时,煤焦的碳转化率和反应速率变化十分缓慢,甚至有下降的趋势;不同煤种的气化反应动力学参数有很大的差异,鞍钢煤焦和本钢煤焦的活化能均为140kJ/mol,阜新煤焦的活化能为70kJ/mol.当煤焦的气化反应温度高于煤焦的灰熔点温度时,扩散成为煤焦气化反应的主要限制环节,提高气流速度有利于煤焦气化反应的进行.     

基于ANSYS温度场的煤层瓦斯压力模拟可行性

煤矿采掘施工会破坏瓦斯在煤层中的平衡状态。为研究瓦斯在煤层中的流动规律，采用ANSYS有限元软件对煤层钻孔抽采瓦斯进行数值模拟，研究一定时间内钻孔周围的瓦斯压力分布，以及测点随时间变化的压力变化趋势。结合桃山煤矿42035工作面的实测数据与模拟结果进行对比。结果表明：钻孔周围测点的实测数值与模拟结果基本吻合，说明利用ANSYS温度场进行瓦斯渗流模拟可行。     

艾维尔沟矿区碎软难解吸煤层瓦斯运移规律

为了掌握艾维尔沟矿区主采煤层的瓦斯运移规律、指导瓦斯抽采工作,实测了煤层多元物性参数、建立了含瓦斯煤体多场耦合模型,通过数值模拟分析了瓦斯运移特性。研究表明：矿区主采的4号、5号和6号煤层存在煤层碎软、瓦斯含量高、透气性差等不利因素,抽采难度大。随着抽采时间增加,钻孔周围基质瓦斯压力和裂隙瓦斯压力均按照一元二次函数关系规律性减小。基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力在抽采初期降低速度基本一致,但随抽采时间增加,裂隙瓦斯压力下降速度明显快于基质瓦斯压力,二者之间的压力差也越来越大。5号煤层裂隙瓦斯压力和基质瓦斯压力的降低速度、裂隙中渗流速度及基质中瓦斯解吸扩散速度较4号和6号煤层慢。为提高矿区抽采效果,应采取强化瓦斯抽采措施改善煤层透气性等物理性质,以提高煤层裂隙瓦斯渗流速度,促进基质瓦斯解吸扩散,5号煤层应采取相对更加有效的增透措施。     

钻孔抽放瓦斯流固耦合分析及数值模拟

钻孔抽放瓦斯是中国利用和治理煤层瓦斯最主要的方法。随着开采深度的加深,地应力场等因素对瓦斯渗流的影响越来越明显。基于对煤层瓦斯一系列的假设的基础上,考虑了地应力、煤层瓦斯压力变化对煤体骨架产生的变形的影响,推导出了孔隙率、渗透率的表达式。运用多孔介质渗流的基本定理和流固耦合的基本理论得出了瓦斯流固耦合控制方程。运用多物理场耦合分析软件对钻孔抽放下的瓦斯渗流场进行了模拟分析。得到了钻孔抽放条件下瓦斯压力的分布、不同的埋藏深度下以及不同的钻孔参数（抽放负压、钻孔半径）对瓦斯渗流场的影响。分析模拟结果可以对现场     

干气密封气膜流场数值分析

基于计算流体动力学(CFD)中的动压效应基本理论,建立了T型槽干气密封气膜流场控制微分方程,采用CFD软件包Fluent工具对气膜压力场进行求解,得到了计算区域径向压力的分布,由此得出T型槽干气密封能产生较好的流体动压效应的结论,并就部分槽型几何参数对密封性能中的无量纲开启力和气膜刚度的影响进行分析,得到了部分参数的最佳值.