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。     

含水率对煤与瓦斯突出能量转化影响试验

为获得煤层注水对煤与瓦斯突出弱化的影响规律,以阜新孙家湾煤矿埋深1100m突出煤层为研究对象,建立了煤与瓦斯突出能量转化模型,并利用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验系统,进行了含水率对煤与瓦斯突出试验影响研究,分析了煤样含水率与临界孔隙压力、突出强度、能量转化率之间的关系。试验结果表明:孔隙压力是煤与瓦斯突出的主要动力源,煤样含水率与临界孔隙压力间呈指数关系递增。煤样含水率由0%增加到3%、6%时,相对突出强度分别降低了5.67%、1.2%,随煤样含水率增加,相对突出强度与绝对突出强度将逐渐降低。瓦斯内能是影响煤体突出能量大小的关键因素,与突出孕育和突出激发过程均密切相关。随含水率增加,突出孕育能量和突出激发能量均线性增加,但突出能量转化率线性减小,不易发生煤与瓦斯突出。     

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。     

深部煤与瓦斯突出孕育全过程声发射前兆信号变化规律研究

煤与瓦斯突出是各个煤矿面临的主要自然灾害之一。为了克服由于煤与瓦斯突出前兆规律不清所导致的灾害问题,基于声发射监测技术,利用自主研发的真三轴煤与瓦斯突出试验系统,对红阳三矿的突出煤层进行研究,结合声发射信号分析仪,开展了实验室尺寸深部煤与瓦斯突出相似模拟试验,再现了煤与瓦斯突出典型现象,通过对比分析验证了试验的可靠性。以声发射振铃计数为突出前兆信号特征,分析了煤与瓦斯突出孕育阶段煤体破裂规律。研究结果表明：(1)煤与瓦斯突出声发射信号具有四时期特征,分别为平稳期、活跃期、平静期、激发期,声发射信号四时期变化特征对应突出过程各阶段,因此可确定活跃期结束时为突出孔洞形成时刻。(2)定义累计声发射振铃计数的各时期曲线斜率比值P₁、P₂和平均声发射振铃计数均值比值N₁、N₂,并提出了表征煤与瓦斯突出危险性指标,当N₁<2.07时,煤体处于煤与瓦斯突出平稳期,无突出危险性;当P₂<1.74、 2.071<3.15时,煤体处于煤与瓦斯突出活跃期,具有弱突出危险性,有形成突出孔洞的危险;当P₂>1.74、N₂<2.59时,煤体处于煤与瓦斯突出平静期,具有中突出危险性;当2.592<15.42时,煤体处于煤与瓦斯突出激发期,具有强突出危险性。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

多孔介质中稳定泡沫的流动计算及实验研究

将多孔介质简化为一簇变截面毛管束,根据多孔介质的颗粒直径、颗粒排列方式、孔喉尺度比及束缚水饱和度,计算出变截面毛细管的喉道半径和孔隙半径. 在考虑多孔介质喉道和孔隙中单个气泡的受力和变形基础上,利用动量守恒定理,推导出单个孔隙单元内液相的压力分布和孔隙单元两端的压差计算公式,最终得到多孔介质的压力分布计算公式. 利用长U型填砂管对稳定泡沫的流动特性进行了实验研究. 研究结果表明:稳定泡沫流动时多孔介质中的压力分布呈线性下降,影响泡沫在多孔介质中流动特性的因素包括:多孔介质的孔喉结构、泡沫流体的流量和干度、气液界面张力、气泡尺寸,其中孔喉结构和泡沫干度是影响泡沫封堵能力的主要因素.关键词: 稳定泡沫;多孔介质;变截面毛管;流动;表观粘度;压力分布;实验研究      

EXPERIMENTS ON TWO-PHASE FLOW CHARACTERISTICS IN A CATENARY RISER SYSTEM WITH THE GAS AND LIQUID MIXTURE TRANSPORTATION

严重段塞流是海洋工程气液混输管线-立管系统中常见的一种特殊有害流动现象,采用水平-下倾-悬链线立管气液混输组合管道系统,通过系列实验在悬链线立管中获得了严重段塞流、间歇流和震荡流等流型,阐述了这些流动现象的形成机理,提出了能够产生严重段塞流的判定准则.结果表明,悬链线立管严重段塞流具有明显周期性,在一个周期内的流动特征可分为液塞形成、液体出流、液气喷发及液体回流等4个阶段,进而给出了各阶段中相关流动参数的变化规律.在实验中同时还对悬链线与垂直立管中严重段塞流形成机理进行了比较分析,发现两者在液塞形成阶段有显著差别.其中,在悬链线立管中液塞形成之前首先需要经历一个气液混合液塞形成过程,而垂直立管则没有这个过程.     

PARTICULATE CONCENTRATION ENRICHMENT OF PRIMARY AIR IN PULVERIZED COAL BOILERS

Particulate concentration enrichment (PCE) of primary air favors flame ignition and stabilization, and the reduction of NOx emission in pulverized coal combustion. The methods used for PCE are summarized in five categories:Cyclone PCE, Elbow PCE, Blunt-body PCE, Hydrodynamic PCE and Swirling PCE. Practice of each PCE method is illustrated with typical burners and the associated pros and cons are discussed. It is found that the same principle prevails in all PCE methods, that is, due to inertial difference, solid particles preferentially decelerate and separate from the gas stream when the main flow deviates in flow orientation. From analysis of various P-C burners, PCE design is deemed to yet comprise “rule of thumb” practice. Some discussions regarding PCE application are given.     

ON THE STRUCTURE OF STEADY FLOW THROUGH DUAL-INTAKE ENGINE PORTS

The influence of intake port design on the flow field in a dual-intake valve engine was investigated using computational fluid dynamics, in order to study the effect of inlet port design on the in-cylinder flow. A detailed 3D computational grid incorporating all the features of the Ford Zetec production engine inlet ports, valves and cylinder head was initially created and the flow structure modelled at 5 and 10 mm valve lifts under steady flow conditions. Comparisons of computational results with experimental data obtained by laser Doppler anemometry indicate that the flow characteristics have been predicted well in most regions. Flow generated by different intake port designs was also simulated by introducing air into the cylinder at different directions to the inlet valve axes and the effects of port deactivation, throttling and exhaust gas recirculation were examined. The implications of the results for intake port design are discussed.     

综放工作面煤柱内漏风与耗氧过程的数值模拟

对综采放顶煤工作面采空区隔离煤柱内的漏风流动规律及氧浓度消耗变化过程用数值模拟方法进行了研究,求解了空气在煤体流场中的漏风渗流方程和氧浓度分布的动态变化过程,为分析松散煤柱体内自然发火的产生过程和判断自然发火危险带的深度提供一种新方法。