煤与瓦斯突出的一维流动模型和启动判据

本文将煤与瓦斯突出这一现象和因素模化,建立了研究机理的一维流动模型,给出了基本方程和突出基本准则——破碎起动准则。在这理想模型中,开挖前的围压作为煤体受载因素影响破碎起动从而影响流场,流场与应力场则解耦,可独立地研究流场,研究瓦斯渗流,煤的破碎起动及随后的两相流与纯气相流。 掘进是外加扰动,使渗流相对加剧,是启动突出的基本因素。讨论恒速掘进下的渗流过程,从渐近解——恒稳渗出解给出启动判据,分别表示成:可能条件——地应力条件;孕育条件——掘进条件或瓦斯条件;触发条件——渗出速度条件。     

煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏

作者观察了煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏,发现破坏煤体呈球冠状;临界破坏瓦斯超压取决于卸载条件,煤型的强度、半径和长度,以及煤型所受的侧压,但与瓦斯吸附特性无关。对实验例进行了数值分析,结果表明煤体的破坏属于拉伸破坏;卸载速率的增高,侧向围压的减小与煤型几何半径的增大将使得煤体在瓦斯渗流作用下更易于破坏。     

西德预报和防护瓦斯-煤突出技术进展

综述了西德预报和防护瓦斯-煤突出的技术进展,包括:对瓦斯-煤突出的认测量技术和预报方法的改进;有关防护的措施。      

含瓦斯煤单轴压缩的尺度效应实验研究

含瓦斯煤与其它岩石类材料一样,在力学特性等方面具有尺度效应。利用特制的饱和加压装置和电子万能试验机,对不同尺度、不同饱和瓦斯压力下的煤样进行了单轴压缩试验,探讨了煤样变形破坏及强度特性的变化规律。分析表明,煤样抗压强度、弹性模量随瓦斯压力的增大而减小,抗压强度随高径比的增加明显减小,弹性模量随高径比的增加略有提高。利用Weibull模型和线弹性强化理论对含瓦斯煤产生尺度效应的原因进行了合理地解释,为含瓦斯煤样尺度效应在强度表征等方面的深入研究提供了新的实验和理论依据。     

含瓦斯煤的内时本构关系及其参数的实验研究

根据含瓦斯煤的力学实验结果，采用内蕴时间塑性理论建立了含瓦斯煤的本构关系，给出了本构关系中材料参数的确定方法，并进行了实验验证。     

巷道壁面与瓦斯爆炸相互作用的数值模拟

通过物理机制分析,建立合理的巷道物理模型,并对燃烧爆炸反应模型中阻力系数C_D和湍流特征尺度L_t进行修正,模拟实际巷道内壁粗糙情况对瓦斯爆炸传播过程的影响,为模型计算提供修正参数。研究结果表明,巷道壁面条件对瓦斯爆炸过程有很大影响;C_D和L_t越大,爆炸峰值超压越大;当C_D＝3、L_t＝0.008时,模拟结果与实验值的偏差最小。

     

瓦斯煤尘共存条件下的煤尘云爆炸下限

近年来瓦斯煤尘共存条件下的爆炸事故呈多发趋势。运用20 L爆炸特性测试系统,对瓦斯煤尘共存复合体系的爆炸特性进行实验研究,得到了瓦斯在不同点火能量、静止及湍流状态下的爆炸下限,以及不同条件下煤尘的爆炸下限。结果表明:随着瓦斯浓度的增加,煤尘的爆炸下限呈指数衰减;瓦斯浓度存在某临界点,高于此临界点,复合体系爆炸过程中瓦斯起主导作用,表现为"强瓦斯"性,反之,煤尘起主导作用,表现为"强煤尘"性。研究结论为有效预防煤矿井下瓦斯煤尘共存爆炸事故提供重要的理论依据。     

含瓦斯煤的破坏和流动法则

讨论了含瓦斯煤破坏形式及相应的破坏条件,以应变分量表示应力分量建立了关联于Drucker-Prager准则和Lagrange准则的正则流动法则,考虑了剪切屈服和拉伸破坏两种状态之间的转换。剪切屈服后的流动是双向的,而拉伸破坏后流动是单向的;对于剪切屈服和拉伸破坏后的流动,应变变化路径不同,应变增量与应力增量之间的关系也不同;应力增量与应变增量的关系,不能由几个方程简捷地表示,需要用流程才能表达。     

瓦斯爆炸压力与波前瞬态流速演化特征及其定量关系

为了建立爆炸波前的瞬态流速和超压的定量关系,采用数值模拟的方法分别研究了开口型方管内瓦斯爆炸超压和瞬态流速传播特征。研究结果表明:开口型方管内,波前瞬态流速和超压的波形曲线的峰值个数不一样,而且超压峰值总是早于波前瞬态流速峰值出现。大部分情况下,方管横截面边长越大,其超压峰值相对较小,并且超压峰值沿传播方向呈现降低趋势。波前瞬态流速峰值沿传播方向呈不断增长趋势,而且方管横截面边长越大,其峰值也相对较小。长径比(方管长度与横截面边长之比)小于125时,超压峰值与波前瞬态流速峰值的定量关系始终呈现线性反比关系;大于或等于125时,超压峰值和波前瞬态流速峰值的定量关系呈分段关系。研究结果可为爆炸冲击波扬尘的研究提供基础数据。     

瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的数值模拟

建立了描述瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘参与爆炸的物理和数学模型,借助流场模拟平台,对瓦斯爆炸 卷扬沉积煤尘参与爆炸的过程进行了数值模拟;并把模拟值与实验值进行了对比;对爆炸过程中的速度场和 温度场进行了深入的分析。通过比较分析爆炸压力、速度场以及温度场,认为模拟结果清楚地展现了沉积煤 尘的扬起和爆炸过程,达到了瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸数值模拟的要求。     

Steady advance of coal and gas bursts

This paper establishes a one-dimensional model to analyse the mechanism of coal and gas bursts. It is found that the intrinsic factor governing bursts is the coupling of the initiation of the moving of coal fragments with the gas seepage. A typical (strong) burst can be treated as a steady advance process. The significant dimensionless parameters concerning bursts and an approximate burst criterion are given, and they are in good agreement with the statistics of field data. The project is supported by National Natural Science Foundation of China.     

CALCULATION OF STEADY AND OSCILLATING FLOWS IN TUBES USING A VORTICITY TRANSPORT ALGORITHM

Steady and oscillating axisymmetric tube flows are modelled using a vorticity transport algorithm. The axisymmetric convective –diffusive Navier–Stokes equations are solved using a splitting technique. Axisymmetric ring vortex filaments are introduced on the walls and subsequently convected and diffused throughout the flow field. An axisymmetric equation similar to the Oseen diffusion equation is used to diffuse the ring vortex filaments. Vorticity is reflected from the tube walls using two techniques. Results are presented for the developing Poiseuille flow and for the developed flow in the form of the entrance length and the axial velocity and vorticity profiles. Good agreement is achieved with a finite difference method in the developing region of Poiseuille flow. The developed flow results are compared with the analytical solutions. The developed profiles of velocity and vorticity have errors of less than 0ċ3 per cent for both methods of dealing with reflection of diffusion at the bounding surfaces and similar accuracy is obtained for the velocity profiles in oscillating flow except at the wall. Oscillating flow is produced with a discretized sinusoidal piston motion. Velocity profiles, boundary layer thickness and entrance length are presented for oscillating flow. Good agreement is achieved for low-Womersley-number non-dimensional frequency. At higher values of this parameter, flows are inaccurately simulated, because the number of piston positions used to discretize the piston motion is inversely proportional to the non-dimensional frequency.     

井筒气液两相流对致密气压裂水平井试井的影响

多段压裂水平井技术是目前开采致密气最常用的方法之一,在致密气压裂水平井试井测试中常常伴随着一定的产水量,井筒气液两相流会增加井筒流体的流动阻力,加大井筒流体流动对试井解释的影响.为了明确井筒气液两相流对致密气藏压裂水平井试井的影响,提高产水致密气压裂水平井的试井解释精度,建立了一种井筒气液两相流与地层渗流耦合的试井模型,采用数值方法对模型进行求解,获得了考虑井筒气液两相流的压裂水平井试井理论曲线、压力场分布及裂缝产量分布.研究结果表明:井筒气液两相流会增加试井理论曲线中压力和压力导数值,造成靠近入窗点的压力扩散要快于远离入窗点的压力扩散,引起靠近入窗点的裂缝产量要高于远离入窗点的裂缝产量.现场实例分析进一步说明,不考虑井筒两相流可能会对产水压裂水平井的试井解释结果产生很大误差,主要表现为水平井筒假设为无限大导流能力会使得拟合得到的表皮系数偏大,将测试点视为入窗点会使得拟合得到的原始地层压力偏小.所建立的考虑井筒两相流的压裂水平井试井模型为产水致密气井试井资料的正确解释提供了重要技术保障.      

页岩气高效开采的力学问题与挑战

页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩中以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气,中国资源量丰富,地域分布广泛.页岩气开采能缓解我国常规油气产量不足、煤化石燃料引起环境污染等问题,已成为中国绿色能源开发的重要领域.尽管北美页岩气"革命"取得了成功,目前也仅有预期产量5%～15%的采收率.与北美地区相比,中国页岩气埋藏深,赋存条件差,自然丰度低,因此,高效开采面临更多的困难和挑战.近年来,围绕国家重大能源战略需求,瞄准技术发展前沿,学术界和工业界联合对页岩气高效开采的关键科学和技术问题展开研究.本文结合近三年四川、重庆地区的页岩气试验区块遇到的新问题,针对中国未来3 500 m以下深部开采的新挑战,如地质沉积、裂缝发育构造不同、上覆压力增加、水平应力场变化等新问题,介绍和总结了目前中国页岩气高效开采面临的力学科学问题,主要包括多重耦合下的安全优质钻完井力学理论和方法、水力压裂体积改造和多尺度缝网形成机制、多尺度渗流力学特性与解吸附机理等."深部页岩气高效开采"的研究面向国家重大能源需求,科学意义重大,工程背景明确,需要工程力学、石油工程、地球物理、化学工程和环境工程等多学科专家合作,开展理论研究、物理模拟、数值模拟及现场试验等综合应用基础研究,取得高效开采页岩油气理论与技术的突破.学科交叉是研究页岩气高效开采问题、突破技术瓶颈的桥梁,只有力学与石油工程、地球科学等学科实现深度交叉融合,才能更加有效地推动页岩油气等非常规油气资源的开发.     

含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注.近20年来,中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测. 2017年,中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题,其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型,对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法,简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展,总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段,展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.     

页岩气和致密砂岩气藏微裂缝气体传输特性

页岩气和致密砂岩气藏发育微裂缝,其开度多在纳米级和微米级尺度且变化大,因此微裂缝气体传输机理异常复杂.本文基于滑脱流动和努森扩散模型,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,耦合这两种传输机理,建立了微裂缝气体传输模型. 该模型考虑微裂缝形状和尺度对气体传输的影响. 模型可靠性用分子模拟数据验证.结果表明:(1)模型能够合理描述微裂缝中所有气体传输机理,包括连续流动,滑脱流动和过渡流动;(2)模型能够描述不同开发阶段,微裂缝中各气体传输机理对传输贡献的逐渐变化过程;(3)微裂缝形状和尺度影响气体传输,相同开度且宽度越大的微裂缝,气体传输能力越强,且在高压和微裂缝大开度的情况下表现更明显.      

大速差射流燃烧室中烟煤与贫煤燃烧的数值模拟

本文基于颗粒相的轨道模型,对大速差射流燃烧室中烟煤粉与贫煤粉的二维流动,混合及燃烧进行了数值模拟,模拟结果从两相耦合的角度,阐明了煤粉颗粒在燃烧室中运动的规律,煤粉与大速差射流诱导的中心气体逆流之间的混合及其对煤粉火焰稳定的影响,指出此种燃烧室中煤粉火焰稳定的回流区燃烧机理,气相流场及回流区的预报结果与实验符合良好。     

含瓦斯煤体的冲击力学特性研究1)

为得出含瓦斯煤体的冲击力学特性,采用类单轴压缩试验方法,对吸附瓦斯压力在0 MPa, 2 MPa, 4 MPa, 6 MPa等情况下的煤样力学特性进行了研究。研究得出：随着吸附瓦斯压力的增大,煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能指数均近似线性降低,峰值应变近似线性增大。随着吸附瓦斯压力的增大,煤体的破坏类型由脆性向延性破坏转变,破坏的分选性增强。吸附瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程,并使煤岩瓦斯动力灾害类型呈现由冲击地压主导型向煤与瓦斯突出主导型转变的趋势。     

页岩气致密储层渗流模型及压裂直井产能分析

页岩气储层中存在大量的纳微米孔隙,其中气体的流动规律不同于常规气藏. 文章考虑克努森扩散及解吸作用的影响,建立页岩气稳态条件下产能公式,利用渗流阻力法得到了页岩气储层压裂直井产能方程.结合生产实例,进行了数值模拟计算. 结果表明：当裂缝导流能力达到0.12μm2·cm 后,产气量增幅减小,由此对裂缝导流能力进行优化. 游离气产量占总产气量的85%～90%,游离气对总产气量贡献较大. 该模型为页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.