煤层钻孔瓦斯流量的数值模拟

煤层瓦斯流动是一个复杂的非线性物理过程,为定量模拟钻孔瓦斯流量,在分析煤层瓦斯流动基本特征的基础上,把吸附瓦斯的解吸视为游离瓦斯渗流的连续分布源,建立了煤层瓦斯流动的数学模型。通过数学变换,确定了煤层瓦斯流动数学模型的基本方程和定解条件。运用有限元方法对煤层瓦斯流动方程进行了求解,编制了FORTRAN解算程序。介绍了煤层钻孔瓦斯流量数值模拟的工程实例,将数值模拟结果与实测结果进行了对比,分析了偏差产生的原因。研究结果表明,数值模拟准确反映了煤层瓦斯流动基本规律,能够定量预测煤层钻孔瓦斯流量。     

煤层巷道预排瓦斯带的流固耦合效应数值模拟

针对在研究本煤层瓦斯涌出规律时,没有准确方法确定煤层巷道预排瓦斯带宽度的问题,基于瓦斯渗流和煤岩变形理论,建立含瓦斯煤岩体瓦斯渗流方程和煤岩巷道变形场方程,确立了煤层巷道预排瓦斯带流固耦合数学模型,以沁水煤田综掘煤层巷道作为实例进行数值模拟计算,研究得出含瓦斯煤岩巷道损伤的时空演化规律.提出基于示踪原理的实测煤层巷道预排瓦斯带宽度的方法,实测考察与数值计算结果具有一致性.研究提出的方法能够解决煤矿工作面瓦斯涌出量预测精度问题.     

煤层瓦斯渗流过程中压力分布的滑脱效应

 气体在多孔介质中渗流时,不仅需克服启动压力梯度,而且受气体滑脱效应的影响。基于煤层瓦斯的渗流特性,建立考虑滑脱效应的煤层瓦斯渗流模型,并对煤层瓦斯渗流过程的压力分布进行数值模拟。计算结果表明,在一定煤层深度内,与不考虑滑脱效应时煤层瓦斯压力分布相比,考虑滑脱效应对其影响显著,且随着暴露时间增长和距煤壁距离增大,其差别更为明显。滑脱因子的变化将直接影响煤层内部气体压力的分布,随着滑脱因子的增大,气体压力减小,滑脱越明显。与不考虑滑脱效应(Darcy 解)瓦斯压力分布相比,考虑滑脱效应时煤层瓦斯压力分布曲线更接近实测数据,表明在研究煤层渗流过程中须考虑滑脱效应。     

变温条件下深部煤层瓦斯分布规律的数值模拟

深部煤层瓦斯运移过程及分布规律与温度场、瓦斯渗流场及应力场耦合密切相关.基于深部煤层瓦斯运移的热流固耦合模型,结合实际的煤层条件和实测数据,开展了煤层瓦斯赋存规律的数值模拟,研究了瓦斯压力和瓦斯含量分布规律的影响因素.结果表明:煤层渗透率是影响瓦斯压力分布的主要因素,其中煤体的有效应力系数、初始孔隙率、弹性模量以及吸附应变系数均对渗透率有着重要的影响;煤层瓦斯含量受瓦斯压力和煤层温度的共同影响,不考虑煤层温度预测得到的瓦斯含量结果偏大.     

受地应力、地温和地电效应影响的煤层瓦斯渗流方程

通过研究地应力、地温和地电效应对煤层瓦斯渗流特性的影响,获得了在地应力场、地温场和地电场中的煤层瓦斯渗透率k(σ,T,E);并通过建立煤层瓦斯运动方程、连续性方程、气体状态方程和含量方程,推导得到了受地应力、地温和地电效应影响的煤层瓦斯渗流方程.     

覆岩移动特性的数值模拟及其在煤矿安全中的应用

煤与瓦斯突出是煤矿生产中的主要事故之一，特别是在高瓦斯煤层群条件下，如何消除煤与瓦斯突出危险性对实现煤与瓦斯的安全高效共采是非常重要的。文中根据某矿具体地质条件，利用数值模拟方法，模拟了首采煤层的开采对远程卸压煤层的卸压作用，结合大量现场实测数据，论证了对远程卸压瓦斯进行抽放从而实现在高瓦斯煤层群开采条件下煤与瓦斯安全高效共采的可行性。     

基于SPH方法的非均质煤层瓦斯渗流模拟（英文）

基于煤层瓦斯渗流方程,通过虚粒子法处理边界条件,提出了一种对非均质煤层瓦斯瞬态渗流进行模拟的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法。煤层存在三个典型的非均质性:(a)沿煤层走向的非均质性,(b)Weibull随机分布的非均质性,(c)是(a)和(b)两种情况都存在的非均质性。结果表明:通过SPH方法得到的数值模拟解与解析解一致,三种非均质煤层都会导致瓦斯渗流的非线性行为。而瓦斯流动的非线性程度与煤层的非均质性参数m和n有关。该数值模拟提供了一种揭示煤层中瓦斯渗流和瓦斯灾害非线性行为机理的有效方法。     

低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题,利用数值模拟软件RFPA2D-Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后,瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律.研究结果表明,预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高,煤层透气性显著增加,但当裂隙圈之间不相交时,瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移,因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯.现场试验证实,低透气性煤层预裂后,有效导通裂隙增加,布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果,从而降低煤与瓦斯突出危险性.     

煤层温度和应力梯度变化对煤层瓦斯压力计算的影响

针对煤层在地表有露头或出口的情况,根据煤层瓦斯渗流方程,提出了考虑煤层温度和地应力梯度变化的煤层瓦斯压力的计算方法。对某矿井煤层瓦斯的理论计算和实例结果表明：煤层温度和地应力梯度变化对煤层瓦斯压力有较大影响,对于深部开采煤层和高温矿井,考虑地温和地应力梯度的影响,将使所确定的煤层瓦斯压力值更准确。     

钻孔瓦斯涌出的有限差分模型及数值模拟

为研究抽放钻孔中的瓦斯涌出规律,通过分析煤层瓦斯流动的机理和过程,利用达西定律和连续性方程,建立煤层瓦斯非稳定流动模型;利用有限差分法离散解算区域,建立抽放钻孔瓦斯涌出的有限差分方程组;利用Visual Basic语言编制解算软件,对钻孔瓦斯涌出的过程进行数值模拟.研究结果表明:模拟结果与实测数据的变化趋势基本吻合;所建立的瓦斯流动方程符合实际钻孔瓦斯渗流规律.该研究成果为矿井瓦斯抽采提供理论依据.     

软、硬煤残余瓦斯含量差异性研究

针对具有软煤分层的突出煤体,为了更加准确地检验瓦斯抽采效果,必须研究瓦斯抽采后软、硬煤残余瓦斯含量之间的差异性.基于抽采条件下的瓦斯渗流场分析,考虑了煤层中存在软煤条件下对瓦斯流动及煤层的综合影响,通过建立瓦斯流固耦合方程,并结合钻孔抽采瓦斯的初始条件和边界条件,运用多物理场耦合分析软件模拟了抽采条件下软、硬煤的残余瓦斯含量的差异性.数值模拟结果表明:在相同的抽采时间内,软煤的残余瓦斯含量始终高于硬煤,软煤瓦斯含量降到8 m3/t需要180 d,硬煤瓦斯含量降到8 m3/t需要162 d.     

煤巷瓦斯预排深度数值模拟分析

利用有限元法对非均质煤层煤巷周围煤体瓦斯运移进行数值模拟分析 ,得出煤巷预排瓦斯带深度不仅与煤的变质程度有关 ,而且与煤层原始瓦斯压力、煤壁暴露时间和煤层赋存地质条件等因素有密切关系 ,最后针对淮南 C1 3煤层的实际情况给出煤巷瓦斯预排深度的计算公式     

褐煤储层含气量计算

因我国褐煤中煤层气赋存特征认知程度较低,影响了较低煤级煤层气的开发,褐煤中含气量的研究显得尤为关键。基于此,文中对采自内蒙古海拉尔盆地4个褐煤H1,H2,H3,H4样品进行煤岩煤质分析,25℃平衡水等温吸附实验。计算埋深在400～2 000 m吸附气含量;模拟在储层温度、压力、矿化度、密度条件进行甲烷溶解度的测定结果表明甲烷溶解度随压力、温度的同时增加而增大(低于80℃),基于实验结果,计算了不同埋深(温度、压力)下褐煤储层的水溶气含量;测定4个褐煤样品孔隙度,根据马略特定律计算游离气含量。由吸附气、水溶气及游离气含量计算褐煤含气量。结果表明,埋深小于1 000 m的褐煤含气量随埋深增加而增大;埋深大于1 000m随埋深增加而减少。H1含气量较低,H2,H3,H4含气量较高,400～2 000 m埋深的褐煤含气量介于2.57～6.99 m3/t之间,且均随埋深增加而增大。含气量中吸附气、水溶气、游离气含量比例分别为78.7%,9.3%,12.0%.     

回采工作面瓦斯运移规律的数值模拟

基于异重流原理,从紊流状态下的守恒原理出发,导出描述回采工作面风流中瓦斯紊流运移的微分方程,并采用ＳＩＭＰＬＥ方法求解。通过数值模拟,得到工作面采煤机地瓦斯浓度分布结果,采煤机附近高浓度区瓦斯浓度随风速增加呈幂指数降低,随瓦其涌出量增加而线性增加。     

注入增产法提高煤层气采收率的理论探讨

美国Amoco公司开发的注入增产法是一项很有前途的提高煤层气采收率的方法,为此笔者在研究煤对二元气体吸附特征的基础上,探讨了注入增产法的基本原理。结果表明,煤对常见气体的吸附能力由强到弱为：二氧化碳、甲烷、氮气、氢气;煤对二元混合气体总的吸附及对甲烷的吸附均符合Langmiur方程,但在ＣＨ４＋Ｈ２或ＣＨ４＋Ｎ２的吸附系统中,对Ｈ２或Ｎ２吸附时吸附量与压力之间不遵从此关系式,而在ＣＨ４＋ＣＯ２吸附系统中,煤对ＣＯ２的吸附量和压力之间的关系仍可用Langmuir方程定量描述;注入增产法提高煤层瓦斯抽放率是通过注入其它气体使煤对甲烷的吸附量减小来实现的,且注入Ｎ２优于ＣＯ２。     

Comprehensive study on genetic pathways and parent materialsof secondary biogenic gas in coalbeds

The types of substances in coal rock used by microbes,the specific ways in which microbes produce secondary biogenic gas(SBG)and whether substances exist in the coal seam for the formation of a large amount of SBG are important basic scientific issues.This paper conducts a systematic and comprehensive research study on the above issues using methods such as the isotopic tracing of gas,the analysis of coal organic geochemistry,and gas-producing simulation experiments of coal.Results show that the formation of SBG is by the microbial reduction of CO2and the SBG-producing coal seam undergoes microbial degradation.The thermogenic heavy gaseous hydrocarbons have also been degraded by microorganisms and possibly transformed into microbialoriginated CO2.A large amount of CO2,a relatively large amount of H2and a certain amount of heavy gaseous hydrocarbons may form in the thermal evolution of coal.These substances and the microbial-originated CO2and coal seam water can finally become parent materials of SBG.These components are rich in coal seams of medium–low thermal evolution,which should be the main coal seams for SBG formation and exploration.