松软煤层壁式密封瓦斯抽采技术研究

高瓦斯低透气性松软顺层瓦斯抽采过程中,由于钻孔极易发生缩径、塌孔等工程问题,钻孔周围漏风严重,钻孔服务时间短,瓦斯抽采难度大且周期较长等成为瓦斯抽采的主要技术难题。通过分析松软煤层瓦斯抽采存在的关键问题,应用多孔介质渗流力学、流体平衡等理论及钻孔护孔原理,提出了松软煤层的固液耦合壁式密封技术。现场研究表明,应用固液耦合壁式密封技术抽采松软煤层瓦斯有效地阻止了巷道风流的漏入,极大地提高了瓦斯抽采效率,使得单孔瓦斯抽采浓度达90%以上,与煤矿所使用的聚氨酯袋配合密封液封孔技术相比,单孔纯瓦斯流量提高2~3倍,且抽采过程浓度稳定,对松软煤层瓦斯的高效抽采及实现煤与瓦斯共采和煤层气绿色开发理念具有重要意义。     

煤层注水钻孔周围水压衰减规律的研究

为了获得煤层注水过程中不同注水压力影响下的煤体内水压分布特征,对煤层注水的过程进行了数值模拟试验研究,分别模拟了注水压力为2、4、6、8、10、12、14 MPa时,煤体内水压的分布特征。试验结果表明:注水一定时间,煤体内水压分布近似呈圆形分布;注水压力一定时,随着距注水钻孔距离的增加,水压逐渐减小;随着注水压力的增大,注水的有效范围逐渐扩大。最后采用逐步回归分析方法在SPSS软件中进行回归分析,得到了煤层注水过程中钻孔周围水压的分布函数,为煤层注水技术在矿井应用过程中注水参数的选择提供参考。     

多分支水平井技术提高煤层透气性机理分析及数值模拟

本文研究了煤层瓦斯解吸-扩散-渗流的运移规律;分析了多分支水平井技术的增透机理：增大瓦斯解吸影响面积,沟通煤层裂隙并促进裂隙发育,降低瓦斯流动阻力。以山西晋城煤层气田为例,通过分支井产量模型研究分析得出分支数目和分支段长对产能的影响关系：分支井数目越大,抽采效果越好;分支井长度越长,抽采效果越好。     

露天矿土-岩复合边坡形态优化及失稳机理研究

针对露天矿土-岩复合边坡构成及失稳破坏模式的复杂多样性,以依兰露天矿为研究背景,应用极限平衡分析法和强度折减法分别对采场、排土场及二者构成的土-岩复合边坡稳定性进行了分析,优化边坡最终形态,研究其滑坡模式与机制。结果表明：当采场边坡角41°,与排土场相距80m时,复合边坡达最优形态,边坡破坏模式为在自重力作用下,坡面向外蠕变引发的圆弧滑动;极限平衡法简单、可靠,其与强度折减法相结合可弥补各自的不足,结果可靠,便于复合边坡的优化设计。     

复杂渠道工程三维渗流应力耦合分析与研究

渗流是导致渠道下沉、倾斜、断裂等诸多不良后果的重要因素,对渠道安全稳定运行危害较大．基于NURBS．TIN．BRep混合数据结构,构建南水北调中线工程某渠段的工程地质信息三维可视化模型,运用耦合VOF（volumeoffluid,流体体积函数）法的N—S（Navier．Stokes）方程,对研究区域进行渗流模拟,并采用流固耦合进行渠道稳定性计算,全面分析渠道在渗漏、下伏采空区等多种因素影响下的应力及位移状态．结果表明：渠道渗流对其稳定性影响较大,特别是对位移场的影响较为明显,渠道渗流将导致其自身产生相对较大的沉降,因此建议在实际施工过程中进行渠道的局部加固,并采取有效地渗流控制措施．     

被保护煤层底板穿层抽采钻孔合理布置方式研究

为了保障穿层抽采钻孔施工安全和提高被保护层卸压瓦斯抽采效果,通过上保护层开采邻近煤层瓦斯涌出情况的分析和上保护层开采底板煤岩体卸压特征的数值模拟分析,对不同层间距被保护层穿层抽采钻孔的合理布孔方式进行了研究。现场试验表明：下伏不同层间距被保护层底板穿层抽采钻孔不同的布置方式能保障钻孔的安全施工和被保护层卸压瓦斯高效抽粟。     

急倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理及支护研究

急倾斜煤层巷道大多采用单一的支护体系,变形破坏极为严重.为了找出适合急倾斜煤层巷道的支护体系,对急倾斜巷道围岩变形破坏特征进行了深入的分析.以赵家坝煤矿3964运输平巷作为研究对象,借助岩石点荷载试验、围岩松动圈测试和数值模拟软件,对该巷道围岩力学性质、围岩松动范围、应力分布、变形情况分别进行研究,得出急倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理,提出了锚网索钢带+注浆的支护体系.工程实践表明,该支护体系大大增强了急倾斜煤层巷道的稳定性,为急倾斜煤层巷道支护提供了科学依据以及实践经验.     

Fe基合金应力退火感生磁各向异性机理的AFM研究

用原子力显微镜（AFM）观测不同外加张应力下540℃退火的Fe基合金薄（Fe73.5Cu1Nb3Si13．5B9）断口形貌,结合X射线衍射谱和纵向驱动巨磁阻抗效应曲线,研究Fe基合金薄带张应力退火感生横向磁各向异性场过程中的应力作用机制．建立了包裹晶粒方向优势团聚模型,揭示了包裹晶粒方向优势团聚与磁各向异性场的关系．     

混凝土多轴应力状态下的徐变研究

在搜集国内外有关资料的基础上，通过对混凝土在多轴应力作用下的徐变与强度关系分析，说明在多轴应力状态下不能简单地采用叠加原理。展示了新的三轴徐变量测仪器及其徐变试验成果以及2组多轴与单轴应力状态下的徐变恢复试验成果，并对试验数据进行比较分析，得到多轴应力状态下徐变恢复与应力大小以及持荷时间之间的规律，证实了多轴应力状态下的徐变恢复与已经产生的压缩徐变有密切的关系。     

顺层交叉钻孔预抽瓦斯技术在高瓦斯低透煤层的试验研究

针对高瓦斯低透煤层瓦斯预抽效果不佳、抽采工艺参数设置不够合理的问题,通过对交叉钻孔围岩塑性区应力叠加效应的理论分析,阐述了其增透利抽、提高本煤层瓦斯预抽效果的机理,罗列了交叉钻孔施工参数要求;结合某矿12103工作面交叉钻孔预抽瓦斯技术的试验应用,量化对比分析了两种钻孔瓦斯预抽效果。结果表明:在不增加工程量的条件下,与传统的平行钻孔相比,交叉布孔方式可将本煤层瓦斯预抽率提高0.77倍左右,有效改善了高瓦斯低透煤层瓦斯预抽效果,降低了工作面回采时瓦斯事故发生的概率,为矿井安全生产增添了保障。     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

聚合物纳米复合电介质电热耦合分子断裂击穿特性与机理研究

薄膜介电电容器是电力系统、新能源汽车及电磁能装备中广泛使用的高功率储能设备.但面对越来越高的工作温度,电介质的击穿强度急剧下降,导致电容器的储能密度大幅减小.为了明确电介质击穿特性和温度间的定量关系,本文制备了聚丙烯/氧化铝和聚醚酰亚胺/氧化铝纳米复合电介质,研究其击穿强度的温度依赖性.结果表明,电介质的击穿场强随温度升高下降幅度增大,两者间为凸函数关系.但传统击穿模型均得到击穿强度与温度的变化为凹函数关系,与实验结果不符.本文建立了电热耦合分子断裂击穿模型,模型解析值与实验数据的最大误差仅为3.57%;从分子定向运动导致局部分子链相互作用强度下降的角度揭示了聚合物的击穿机理;纳米填料掺杂会导致复合电介质中的分子链受到束缚,界面区分子链间相互作用增强,并减少弱束缚分子链段,提升电介质的击穿场强及其温度稳定性.该研究为开发耐高温储能电容器提供了理论模型支持.     

热声固耦合问题多参数识别中解的唯一性和算法研究

本文研究了一类热声固多物理场耦合中的初边值识别问题,建立了基于超声回波时间测量的固体结构表面热流和尺寸的多参数同时识别模型.利用热传导方程的极值原理,证明了耦合问题多参数识别中解的唯一性,为超声同时测温测厚等工程应用提供了理论支撑.在数值求解正问题的基础上,将反问题重新表述为由偏微分方程约束的优化问题.将共轭梯度法反演热流和最速下降法反演厚度相结合,发展了多参数识别问题的交替迭代算法,并通过严格的收敛性分析,给出了交替迭代算法的收敛性条件,证明了算法的全局收敛性.最后通过设计数值算例,验证了本算法的可靠性和可行性,并对比了仅识别热流的单参数识别算法,验证了本算法在精度方面的提高.     

基于多物理场耦合计算的正六边形微通道热沉构形研究

提出了新的微通道正六边形热沉分别在无回流、边缘回流和中心回流3种回流方式下4种通道结构的设计原型,基于热-流-力-应变的多物理场耦合计算,研究了回流方式、微通道分支数和微通道分布演化对正六边形热沉的最大热阻和基于耗散的当量热阻的影响,并进行了热应力和形变分析.数值计算结果表明:以最大热阻最小化和当量热阻最小化为目标, 3种回流方式中的中心回流式为最佳回流方式,中心回流式六分支微通道正六边形热沉按上层微通道沿六边形内切圆半径分布、下层微通道沿六边形外接圆半径分布为最优构形,可使传热性能最优,且最大热应力为0.28 GPa,比硅的屈服强度小1个数量级以上,最大形变为1.4μm.所得结果可为实际微通道热沉提供多学科设计的理论支撑.