热力耦合作用下煤样瓦斯渗透特性数值模拟

针对含瓦斯煤渗透率在热力耦合作用下的演变规律,利用多物理场耦合控制方程建立相应的数值模型,对实验工况进行数值求解.将实验及数值模拟结果进行对比分析得出如下结论:1综合不同瓦斯压力情况下的轴压、围压对渗透率影响,模拟结果中渗透率普遍高于实验数据;2模拟计算得到的围压与渗透率之间呈指数关系,与实验结果的吻合度较高;3利用COMSOL Multiphysics数值模拟研究热力耦合情况下含瓦斯煤渗透率的影响规律,轴压处于高应力场下的模拟吻合度高于低应力场,采用单孔瓦斯渗流模型对高应力场的计算吻合度更好。     

热流固耦合作用下页岩渗透特性实验

为探讨地温对页岩渗流特性的影响规律,按照温度对页岩作用部位的不同,从流体动能、骨架应变、吸附解吸三个方面,分析甲烷内摩擦力对动能的影响、页岩热应力及热膨胀导致应变、甲烷解吸引起基质收缩随温度变化的规律,得出热流固耦合作用下页岩渗流特性。以渝东南酉阳龙马溪组页岩样品为分析对象,进行页岩型岩的温度渗流实验,提出三方面五因素的分析方法:温度增加,流体内摩擦力增大减小了流动速度;粘土矿物与有机质的差异性膨胀产生热应力,压缩了页岩骨架,加之基质热膨胀减小了基质间隙,双重作用使渗流通道减小;基质收缩效应对孔隙裂隙双重结构介质渗透量影响很小。温度升高对页岩渗流特性的主要影响体现为,内摩擦力的减速作用及热应力和热膨胀对渗流通道的压缩作用。     

含水率对煤层瓦斯渗流特性影响的试验研究

针对煤层注水软化或水力增透技术造成的煤体含水率高,进而影响煤层瓦斯的渗流特性的问题,利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯渗流试验设备,对原煤试件进行了25℃、31 MPa恒定温压条件下含水率(质量分数)分别为0%,2%,4%,6%,8%的瓦斯渗透性试验。研究发现,在恒定温压条件下,煤样渗透率随渗透压的增加而增加,且含水率越高,渗透率随渗透压升高增加越快;瓦斯的启动压力随含水率的增加而增加,在不同的含水率条件下,可测到渗透率的最低瓦斯渗透压力为2 MPa,由于渗透压力较大,渗透过程中的Klinkenberg效应不明显;瓦斯渗透率随含水率的增加呈指数降低,当含水率低于6%时渗透率随含水率增加降低较快,当含水率高于6%时含水率对渗透率的影响程度减弱;在煤体注水过程中,煤体弹性模量会降低,使得煤体在轴向和径向的压缩应变增大,当含水率超过6%后,含水率对于煤体变形的影响减弱,且煤体变形过程中表现出各向异性,轴向应变始终大于径向应变。该结论对于煤层注水或水力压裂后,煤层中瓦斯运移规律变化研究有一定的指导意义。     

急倾斜含瓦斯煤层THM多场耦合机理及应用

以揭示急倾斜含瓦斯煤层温度场(Thermal)、渗流场(Hydrological)及应力场(Mechanical)的耦合影响作用为目的,通过借助多物理场数值分析软件(COMSOL),建立急倾斜含瓦斯煤层THM多场耦合数值计算模型,计算得出单孔抽采瓦斯过程中急倾斜煤岩体渗透率、温度及瓦斯压力随时间变化关系,并依托现场瓦斯抽采实践,提出合理的急倾斜煤层瓦斯治理措施与建议。结果表明:单孔抽采过程中随着时间延长,抽采影响范围越大,瓦斯压力逐渐减小;随着瓦斯抽采钻孔深度增加,单孔内部瓦斯压力增大,但压力变化梯度逐渐减小,孔壁温度小于其附近煤体温度;依据单孔瓦斯抽采过程中煤岩体温度、压力及时间的非线性关系,制定了采空区埋管抽采、顶板走向高位钻孔抽采及卸压拦截抽采3种技术方案,工程应用效果显著。     

弹性体受热冲击作用的热力耦合特性分析

考虑快速加热过程中的延迟效应和耦合效应,基于广义热弹性理论,建立了热冲击下描述弹性体热力耦合特性的热弹性动力学模型.借助于Laplace变换,推导了热作用初期一维热弹性响应的瞬时解.通过对弹性体内各物理场的求解分析,给出了热弹性波在弹性体内部的传递规律,以及延迟效应和耦合效应对热弹性响应的影响.结果表明:在快速加热条件下,延迟效应的存在削弱了热冲击的作用效果,而耦合效应则在影响热弹性波在弹性体内传播的同时也在一定程度上减弱了延迟效应对热冲击的削弱效果.     

含瓦斯煤岩流变特性研究

在打通煤样流变实验基础上，研究了含瓦斯煤岩在不同的孔隙压力下不同应力级别的变形与时间关系，提出的广义西原模型能考虑到煤岩体蠕变加速阶段的非等加速特性，真实描述煤岩体蠕变的全过程曲线，最后利用非线性回归方法一最小二乘法中的Marquardt法对实验结果进行了拟合，获取了煤岩的流变参数。理论分析结果和实验结果对比，两者之间有较好的吻合性。广义西原模型为使用电磁辐射法预测煤与瓦斯延迟突出提供了理论基础。     

低温与冲击耦合作用下红砂岩力学特性试验研究

通过霍普金森压杆（SHPB）动态冲击试验,研究负温状态下红砂岩的动态力学性能,分析不同程度负温对岩石强度性能、损伤变量及能量耗散规律的影响;基于SEM电镜扫描获得的微观断口形貌,剖析较低负温下岩石动态力学性能劣化的原因.研究表明,较低的负温会使红砂岩出现冻伤,在高应变率加载下迅速丧失承载能力,动态力学强度急剧下降;负温相当于给红砂岩施加了预压应力,岩石整体趋于脆性,但抵抗张拉应力的能力得到了增强;根据断口形貌分析,红砂岩在-30℃后强度出现劣化.     

温度-应力耦合作用下砂岩破坏特性试验研究

为探究一般工程温度条件下砂岩变形破坏过程及力学特征,以三峡库区白水河滑坡库岸段砂岩为研究对象,采用TOP INDUSTRIE岩石三轴试验仪,分别在不同温度(0°、20°、40°、60°)、不同围压(5MPa、10MPa、15MPa、20MPa)耦合作用下进行常规三轴压缩试验研究.结果表明:砂岩试样在不同温压作用下应力-应变关系曲线形态和趋势极为相似,变形破坏形式没有明显变化,均在达到峰值强度后快速破坏,并且以剪切破坏为主,在常温下的破坏面形态单一,随温度的升高破坏过程会更复杂;砂岩试样的弹性模量和峰值应变均伴随着围压的增大而增大,随着温度的升高而降低;粘聚力及内摩擦角随温度的升高均呈下降趋势,粘聚力的下降幅度远大于内摩擦角的降幅;温度、应力作用下的砂岩耦合效应对岩体变形破坏有重大影响,考虑砂岩温度-应力耦合作用的稳定性评价对工程设计具有重要指导意义.     

含瓦斯软弱煤三轴力学特性试验

以由具有突出倾向的软弱煤制备的型煤试件为研究对象,对围压、瓦斯压力二因素对含瓦斯软弱煤的力学特性影响进行了系统研究.试验结果表明:围压对含瓦斯软弱煤的力学性质具有明显影响,随着围压的增大,含瓦斯软弱煤的压密阶段不明显且三轴强度逐渐增加;围压对含瓦斯软弱煤弹性模量影响不明显,对应力应变曲线形状影响亦不明显.随着瓦斯压力的增加,煤样强度呈减小趋势;围压较小时,含瓦斯软弱煤强度受瓦斯压力影响较显著,而围压较大时影响较小;瓦斯压力对含瓦斯软弱煤的杨氏模量影响不明显,且对煤样进入屈服阶段的变形量影响亦不明显;瓦斯压力对煤样具有显著的力学影响,而且也存在明显的化学作用;含瓦斯软弱煤的应力应变曲线可由二次曲线表征,并认为瓦斯压力影响可归结为等效围压效应.     

软煤层瓦斯恒温吸附特性实验研究

煤层瓦斯吸附特性的研究是掌握煤层瓦斯涌出规律的前提,也是防治煤矿瓦斯事故灾害的基础。为了能够准确掌握软煤层对瓦斯的吸附特性,文中采用HCA型高压容量吸附法,对软煤体瓦斯恒温吸附过程进行实验研究,并与硬煤体进行对比,从而得出软煤层瓦斯吸附特性规律。结果表明:软煤的吸附常数a和b均稍大于硬煤,软煤对温度的变化较硬煤更为敏感,软、硬煤的吸附常数a,b值均与温度T成二次函数关系,且软、硬煤的等量吸附热均随吸附量的增大而增大,软煤的增加幅度要远大于硬煤的增加幅度。该研究结果为研究软煤层瓦斯赋存规律、优化煤矿瓦斯治理技术、保障煤矿安全生产提供理论依据。     

三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律实验研究

论述三维应力作用下煤体瓦斯渗透规律的实验设备与方法。介绍了阳泉３＃煤层、永红煤矿３＃煤层的试验结论。得出了煤体瓦斯渗透系数随体积应力增加而衰减，随孔隙压呈抛物线型变化。定义抛物线的极值点为临界压力。结论对研究煤矿瓦斯抽放与瓦斯突出有着十分重要的意义     

冲击载荷作用下的锻锤热力耦合分析

以用于径向锻造且由基体、过渡层、耐磨层三部分构成的材料复合锻锤为研究对象,分析瞬态热流、循环冲击载荷和热载荷导致的锻锤裂纹失效问题。通过构建热力耦合模型确定锻锤的裂纹危险区域,探讨冲击载荷、温度场与变形的传递关系,进而得到锻锤分别在冲击载荷、温度场和热力耦合作用下的应力和变形分布特征。研究结果表明,锻锤温度场分布不均匀,热影响区主要位于耐磨层工作面,温度随工作面纵向深度的增加而降低;耐磨层的机械应力远大于热应力,是产生疲劳裂纹的主要原因;锻锤变形主要是机械应力和热应力共同作用的结果,最大变形区域位于耐磨层工作面靠近预变形区一侧。仿真分析结果与锻锤实际失效情形一致,可为锻锤的优化设计提供参考。     

套管在热力耦合作用下的有限元分析

利用大型有限元分析软件ADINA,建立套管在温度荷载、重力以及地层的蠕动荷载组合下的三维的数值模型.通过分析在热力耦合作用下套管的轴向应力、轴向应变、环向应力、环向应变和最大位移情况,认为在热力耦合作用对套管的影响是非常大的.     

密封取样测定煤层瓦斯含量试验研究

针对直接法测定煤层瓦斯含量存在的取样过程损失瓦斯量大等问题,基于"正转取样,反转密封"思想,研制了密封取样装置,实验室开展了瓦斯吸附解吸实验,在现场进行了密封取样与孔口接渣取样测定煤层瓦斯含量对比试验。结果表明:密封取样能够实现定点取样,能够取到碎屑状煤样,且取样后不用考虑瓦斯漏失;由于退钻过程所取煤样被密封,导致井下初始瓦斯解吸量较大,其瓦斯损失量计算方法不能采用现有的常规补偿模型,可采用"2段法"补偿方法;密封取样测定煤层瓦斯含量测值比孔口接渣取样提高6.2%~12.9%。密封取样技术能够有效应用于井下煤层瓦斯含量测定。     

含瓦斯煤岩导电特性研究综述

随着中国煤炭开采及瓦斯抽采向更深层开发,对含瓦斯煤岩的导电特性评价技术要求更高,尤其是利用导电性预测深部高瓦斯煤层。系统梳理了近年来国内外含瓦斯煤岩导电性研究的相关文献,着重分析了应力变化、孔隙特征、变质程度以及煤岩吸附和解吸瓦斯过程中煤电阻率的变化机理,得出主控因素有：导电方式、残余形变、水-气置换等。为了实现从定性划分瓦斯带分布到定量计算瓦斯含量、煤矿安全开采过程中高瓦斯带预警以及瓦斯抽采过程中瓦斯含量精准预测,应从地球物理测井角度出发,深入剖析煤岩瓦斯含量与电阻率变化量间的定量关系,明确含瓦斯煤岩的导电机理,将是未来该领域的研究方向和发展趋势。     

热干扰下能量桩热力特性现场试验研究

能量桩的换热效率及其热致应力与变形问题,是影响其在实际工程中推广应用的重要因素之一。然而,针对在相互热干扰情况下能量桩群桩的换热效率及其热力响应特性的实测数据仍相对较少。该文依托1×3能量桩排桩基础,开展3.0 kW加热工况下热响应特性现场试验,实测中间桩和边桩的温度、应变与应力等变化规律,着重分析中间桩与边桩热力响应特性的异同点,并与能量桩单桩试验响应特性进行对比,分析1×3排桩中能量桩换热效率、热致位移、热致侧摩阻力以及中性点位置等热力响应特性变化规律。结果表明:该试验条件下, 1×3能量桩排桩的换热效率约为93%;热致侧摩阻力的中性点出现在桩体约0.4倍桩长位置;中间桩和边桩最终分别产生0.5‰倍桩径(0.28 mm)和0.3‰倍桩径(0.18 mm)的桩顶位移。     

型煤渗透特性试验研究

型煤的渗透性对研究保护层开采过程被保护层的透气性变化规律有重要作用,为此设计了型煤渗透性测试系统。研究得出型煤在加载过程中型煤透气性变化与正应力之间符合指数函数规律;在卸载过程中型煤透气性与正应力之间符合幂函数规律。同时研究了相同载荷、不同流程、不同渗流压差时,试样渗透性变化规律及流体在人工捣实型煤中的流态。     

热力耦合作用下H型截面钢框架力学特征研究

The research on the mechanical characteristics of steel frame under high temperature fire is one of the hot topics. In this paper, the bearing capacity of H-section steel frames with single-story single-span and two-story two-span H-section is discussed by combining theoretical calculation and finite element simulation. The following conclusions are drawn: The overall bending moment of the single-story single-span H-section steel frame under thermal and mechanical coupling decreases with the increase of temperature, and the theoretical calculation of its bearing capacity is basically consistent with the numerical simulation results. Under the action of thermal coupling, the bending moments of the two-story and two-span H-section steel frame at both ends of the beam first increased and then decreased with the increase of temperature, but the bending moments at both ends changed in opposite directions. The bending moment in the middle of the beam is basically unchanged. As the temperature rises in the two-story, two-span H-section steel frame, the bending moment of the side columns changes more than the center column.     

脉冲激光作用下金属反射镜热力耦合数值模拟

利用有限元法对单脉冲激光作用下铜基Ni/Au反射镜的热力耦合以及温度场分布进行了数值模拟,得出了在不同功率的单脉冲激光照射下的温度场和应力分布,并对脉冲功率密度与镜面最大温升以及膜层最大应力的关系进行了分析.     

渗流-应力耦合作用下高孔低渗泥岩渗透特性演化模型

围岩渗透特性演化是地下工程稳定性分析的一项重要研究内容.以某泥岩高放射性核废料处置库工程为背景,结合相关室内试验和现场试验成果,以泥岩力学损伤为主线,建立了泥岩渗透性演化数学模型;结合处置库巷道围岩孔隙压力的多年观测资料,通过建立能够反映实际施工过程的计算力学模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法相结合的有限元反分析程序,对巷道围岩渗透性参数进行了反演研究.结果表明:反演所得的泥岩渗透率数量级与试验值相同,孔隙压力沿围岩径向分布规律一致,反演孔隙压力值与实测值比较接近;围岩扰动区最大渗透率是原岩的381倍,围岩的损伤分布形态与渗透性扰动区相似,均近似为椭圆形.研究成果对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义.