煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程的研究

本文从瓦斯流动连续性方程、瓦斯运动方程、瓦斯状态方程及瓦斯含量方程出发,综述分析了我国煤层瓦斯流动理论和渗流控制方程的研究现状;提出煤层中参与渗流的瓦斯量是煤体瓦斯含量部分量的观点,在假设煤体中瓦斯吸附与解吸过程是完全可逆的条件下,建立起了煤层瓦斯渗流的控制方程。     

采空区瓦斯浓度分布及运移规律研究

针对采空区瓦斯运移包括渗流和非均质气体的扩散两个方面的问题,利用渗流理论、气体扩散理论为基础建立起采空区风流流动数学模型,以及采空区瓦斯运移的数学模型,并采用计算机数值求解,将数值模拟结果与现场实测数据结果进行对比分析,提出了采空区瓦斯浓度分布特征及瓦斯运移规律。     

注热瓦斯抽放数学模型及解法研究

煤层瓦斯抽放既能解决煤矿瓦斯灾害,又能使抽放出的瓦斯用于工业及民用、变废为宝.通过煤层注热技术增加吸附态瓦斯的解吸,增加瓦斯在渗流通道中的运移压力梯度,增大瓦斯抽放量.结合注热瓦斯抽放理论规律,运用瓦斯渗流方程、煤岩体导热方程建立了注热瓦斯抽放的数学模型,对模型中的瓦斯方程进行了线性近似,对瓦斯渗流方程和煤岩导热微分方程的泛函及离散过程进行了详细分析,并列出了注热瓦斯抽放数学模型的数值解算程序框图.     

矿井煤层渗流方程的建立和讨论

根据渗流力学理论，提出了矿井煤层瓦斯渗流方程，并对方程进行了讨论，还对方程作了简化．     

煤层瓦斯渗流方程及其在瓦斯抽放中的应用

本文运用渗流理论的基本原理,建立了考虑吸附瓦斯作用的煤层瓦斯渗流方程,并将此方程应用到煤层瓦斯抽放之中。本文对煤层瓦斯渗流的研究有一定的参考作用,对矿井瓦斯抽放有较大的实际意义。     

两进一回通风系统邻近层瓦斯运移规律研究

以回采工作面"U+L"两进一回通风系统为研究对象,分析了回采工作面邻近层瓦斯涌出及流动特点。依据瓦斯渗流理论、能量方程和质量守恒定律,建立了采空区瓦斯运移的数学模型,即采空区气体流动方程和瓦斯在采场中的动力弥散方程。运用FLUENT软件对沙曲矿14205工作面"U+L"两进一回通风系统下采空区瓦斯运移过程进行了数值模拟,得出采空区内沿工作面推进方向、垂直方向和宽度方向上的采空区瓦斯浓度分布及变化规律,进而总结出回采工作面邻近层瓦斯运移规律和采空区内高浓度瓦斯聚集区域。为采煤工作面防止瓦斯积聚及选择合理瓦斯抽放点提供了必要的技术支撑。     

采空区气体二维流动的数学模型及其有限容积法

针对实际采空区中的气体流动有相当大的区域偏离了达西定律,而服从非线性渗流定律的情况,根据Bac}IInat提出的非线性渗流方程,建立了二维采空区内混合气体非线性渗流方程和氮气、瓦斯在采空区内弥散方程的数学模型,并给出不同的边界条件。采用有限容积法对其离散,可以得出整个采空区流场的压力、渗流流度及氮气、瓦斯的浓度分布情况,为采空区瓦斯抽放、防灭火工艺参数的优化提供了可靠的依据。     

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。     

煤层瓦斯运移的数学模型

研究了地应力、地电场对某层瓦斯运移的影响，并应用渗流理论的基本原理，建立了考虑地应力、地电场在内的煤层瓦斯渗流方程。     

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.     

煤岩瓦斯抽放固结数学模型及应用

基于煤岩弹性变形理论和瓦斯渗流理论,建立了煤岩瓦斯抽放的弹性固结数学模型,给出了模型的有限元离散方程,并开发了相应的数值计算程序.利用建立的模型和程序模拟了辽宁某瓦斯抽放井抽放过程,结果表明由于考虑了煤岩应力和变形对瓦斯渗流的影响,瓦斯压和应力分布更符合实际情况,这为煤层瓦斯抽放模拟提供了一个新的手段.但没有考虑煤岩破坏对瓦斯渗流的影响是模型的一个缺陷.     

页岩储层多尺度渗流实验及数学模型研究

页岩储层中存在纳米孔隙、微米孔隙、微裂隙和裂缝等多尺度孔隙结构。为了认识页岩储层的多尺度渗流规律,采集涪陵龙马溪组页岩岩样,利用改进的实验装置,开展了吸附/解吸、应力敏感和扩散等实验。实验结果表明:吸附/解吸基本符合兰格缪尔方程;渗透率与有效应力符合指数函数关系;扩散系数随温度的升高而增大,符合Fick扩散定律。基于渗流力学理论分析了页岩储层的多尺度渗流机理,认为页岩气在基质中的流动包括由压力差所引起的渗流、浓度差引起的扩散以及由于压力降低而引起的页岩气解吸,裂缝中的流动为压力差引起的渗流。基于实验及理论分析,建立了页岩储层多尺度综合渗流数学模型,为页岩气井渗流规律研究、产能评价及生产动态分析奠定基础。     

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     

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。     

采空区场流数值模拟程序(G3)实现与应用

基于非均质多孔介质漏风渗流方程、分相气体(瓦斯、氧、CO)渗流-扩散方程和多孔介质渗流综合传热方程,建立了采空区安全(瓦斯、自然发火等)分析数值模型,开发了用迎风格式有限元方法联立求解计算机程序(G3).结合Y形通风形式采空区的求解实例,展示了G3能够适应各种复杂边界条件,并给出工作面开采条件下采空区内各相气体和温度变化的图形分布解G3中采空区按冒落非均质介质处理;考虑了瓦斯涌出对自燃的耦合作用,并能反映工作面推进、通风量等因素影响关系.可操作性好,能对各种情况做任意性模拟试验,便于从理论上描绘采空区漏风流态,动态描绘了瓦斯、氧、CO浓度和温度的分布状态及其变化过程.图7,参16.     

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.     

含瓦斯煤岩流变规律及三维本构模型研究

为了深入研究含瓦斯煤岩的蠕变本构模型,利用自主研发的RRTS-Ⅳ型岩石流变扰动效应试验机和含瓦斯煤岩流变扰动效应渗流试验装置进行含瓦斯煤岩三轴流变试验,得出含瓦斯煤岩的蠕变规律。基于有效应力原理和流动法则建立了含瓦斯煤岩三维蠕变本构方程,利用MATLAB对得出的蠕变方程进行拟合,拟合曲线与试验曲线吻合程度较高,验证了所建方程的合理性。通过建立的含瓦斯煤岩三维蠕变本构方程推断出含瓦斯煤岩存在极限变形量,结合试验过程可知,当含瓦斯煤岩的变形量达到该值时,应变速率会在短时间内急剧增大,导致煤岩发生破坏。     

煤屑瓦斯菲克扩散的数值模拟

为研究煤屑瓦斯的放散规律,采用理论分析和数值模拟的方法,利用Fick定律建立煤屑瓦斯放散方程并进行无因次化,通过有限差分对方程进行离散,并编制VB程序解算,得到4种粒径的煤屑在不同初始瓦斯压力下累积解吸量随时间的变化.研究结果表明:扩散率函数和时间呈线性变化,扩散参数与扩散速度呈正相关即扩散系数是一个表征煤屑瓦斯扩散速度快慢的参数.     

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。     

鹤煤九矿瓦斯抽采钻孔布置数值模拟及应用

钻孔预抽煤层瓦斯是目前治理矿井瓦斯的主要措施。以瓦斯渗流理论为基础,以钻孔抽采周围流场为径向流场,建立了钻孔周围瓦斯流动数学方程;并结合鹤煤九矿3104工作面具体抽采条件,利用COMSOL Multiphysics软件对钻孔预抽煤层瓦斯在不同抽采时间、不同抽采负压和不同钻孔直径下周围瓦斯压力分布进行数值模拟。并将上述模拟结果确定的抽采钻孔布置参数在3104采煤工作面进行煤层瓦斯预抽实践;抽采后经效果检验,残余瓦斯压力、残余瓦斯含量等均与《煤矿瓦斯抽采基本指标》中的相关规定相符合,3104工作面已经消除了煤与瓦斯突出的危险性。