煤岩固-气耦合的流变力学分析

为分析煤与瓦斯延迟突出机理 ,讨论了煤层瓦斯流动特性 ,认为游离瓦斯和吸附瓦斯、突出空洞内的瓦斯和突出空洞附近煤体中的瓦斯均在煤与瓦斯突出过程中起重要作用 ,因而提出原煤吸附瓦斯贡献系数 k并建立了煤层瓦斯流动的质量守恒方程 ;基于煤岩流变力学实验 ,提出了讨论煤岩流变力学性质的广义弹粘塑性组合模型 .最后 ,建立了可以用来研究煤与瓦斯延迟突出机理的含瓦斯煤固 -气耦合分析的数学模型 .

煤层气越流固-气耦合模型及可视化模拟研究

应用煤岩体变形与煤层气(瓦斯)越流相互作用的新观点,研究了双层系统煤层气越流运移的机理。在地球物理场作用下,双层系统煤层气越流实质上是可压缩性气体在各向异性且非均质的孔隙与裂隙双重可变形介质中的渗透与扩散的混合非稳定流动过程。依据这一新认识,建立了双层系统煤层气越流与煤岩弹性变形的固-气耦合数学模型,并应用该耦合模型于邻近层煤层气涌出的可视化数值模拟实例中。经实测结果验证,该固-气耦合模型是符合实际的;同时,应用三维数值场计算机模拟技术,直观地再现了煤层气越流场与煤岩体变形场耦合效应的宏观变化特征,为地下煤层气越流场中邻近层煤层气涌出的预测和控制提供了可行的新方法。

采动含瓦斯煤岩体固-气耦合数学模型及耦合效应分析

以弹塑性力学理论、渗流力学理论、气体扩散理论、固-气耦合理论等为研究基础,构建了采动含瓦斯煤岩体固-气耦合数学模型;以渝阳煤矿为研究背景,利用COMSOL Multiphysics数值分析软件开展了采动影响条件下固-气耦合效应数值模拟试验。试验结果表明,该耦合模型能全面地反应了采动含瓦斯煤岩体变形场中的骨架变形、应力变化和流动场中的瓦斯运移过程的耦合作用机制。

基于固-气耦合的不同氧气条件下煤粉点燃数值研究

平面热板实验是评价煤粉自热和着火危害最常用的方法,特别适用于煤粉在热表面积聚的情况。针对目前基于热板实验的煤粉着火特性的研究缺乏对煤粉与空气相耦合的煤粉着火特性的数值研究问题,在文献[9]的基础上,建立了固-气耦合的煤自燃多物理场数值模型。模拟结果表明:烟煤煤粉的厚度分别为5,12.5,20,30 mm,直径为100 mm,煤粉发生热失控情况时,烟煤煤粉在30 min之前缓慢升温到170℃,在煤粉层中心处出现高温区域,在37 min时突然发生热失控。烟煤煤粉未发生热失控情况时,煤样在30 min后温度变得稳定,温度低于150℃,不存在明显高温点。模拟结果与文献[9]的实验结果有较好的一致性。在更厚烟煤煤粉条件下,对该数值模型最小点火温度与文献[9]结果进行对比,两者差异较小,验证该数值模型的可靠性。基于该数值模型,分析了不同氧气体积分数条件下烟煤煤粉自燃特性,结果表明:(1)随着烟煤煤粉厚度增加,最小点火温度呈减小趋势。(2)热失控阶段,高温区域位于煤粉中心上部位置。(3)煤粉前期温升是由于热板热传递导致,随煤粉温度增加,煤氧化反应主导因素由热量转变为氧气。(4)煤粉温度峰值随氧气体积分数线性增加,点火延迟时间随氧气体积分数呈指数减小。

基于固-气-液耦合的气垫船水下辐射噪声数值分析

气垫船水下声辐射是复杂的船体结构-气垫-周围水体三类介质声振耦合过程,其声传递特性是气垫船声学分析中的难点。本文以某全垫升气垫船为研究对象,结合声固耦合有限元法与解析法,探究气垫船水下辐射噪声传递特性。通过建立固-气-液声固耦合有限元模型,计算机械激励与垫升风机声激励,并以试验固有频率修正数值模型;通过声透射解析公式计算空气螺旋桨、燃气轮机等设备声激励辐射的水下噪声。采用距离左、右舷1 m处线上各点的总声压级作为评价指标。结果表明:气垫船水下辐射噪声为宽带噪声;有限元法计算的水下辐射噪声在低频时集中分布于气垫-周围水体耦合面附近,随着频率的升高,水下噪声增大并逐渐呈不规则干涉状分布;空气螺旋桨等声激励直接辐射水下噪声主要为近场低频噪声,在设备声激励辐射范围内声压平均占比约为40%。本文揭示的水下辐射噪声传递特性对气垫船减振降噪具有重要指导意义。

基于正交设计的“固-气”耦合相似材料力学与渗透特性试验研究

为研究"固-气"耦合相似材料力学与渗透特性,运用正交试验设计配制了以河砂为骨料、石蜡为胶结剂、液压油为调节剂等组合的相似材料;采用极差分析及多元回归分析等方法,研究了冲击次数、骨料粒径、油含量、胶砂比对相似材料抗压强度、弹性模量、泊松比及渗透率的影响。结果表明:各因素对抗压强度的影响由大到小依次为油含量、冲击次数、骨料粒径及胶砂比;对弹性模量的影响为油含量、冲击次数、胶砂比及骨料粒径;对渗透率的影响为冲击次数、胶砂比、油含量及骨料粒径;各因素对泊松比影响较小。相似材料的抗压强度、弹性模量与冲击次数、骨料粒径呈正相关关系,与油含量、胶砂比呈负相关关系;渗透率与冲击次数、骨料粒径、油含量呈负相关关系,与胶砂比呈正相关关系;泊松比与各因素无明显关系。得到各因素共同影响下相似材料特性参数的综合模型。

本煤层超前卸压瓦斯抽采的固-气耦合试验

对不同工作面推进速度条件下的超前支承压力演化规律及瓦斯抽采量的变化规律进行了对比分析,对不同轴压卸载起始点、不同围压卸载速度情况下的煤岩固-气耦合规律进行了试验研究.结果表明:轴压、围压同时卸载过程中,煤样经历了应变回弹、应变增加及应变软化3个阶段,轴压卸载起始点越小、围压卸载速度越慢,应变回弹过程越明显.反之,煤样越快进入应变增加和应变软化阶段.固定围压、加载轴压过程中,煤岩渗透率逐渐降低,瓦斯流量变小.轴压、围压同时卸载过程中,煤岩渗透率由缓慢增大到快速增大.当轴压、围压卸载到一定程度后,煤岩渗透率发生突跳.轴压卸载起始点越高、围压卸载速度越快,煤岩渗透率发生突跳时的轴压卸载量越小.

固-气耦合作用下瓦斯抽采钻孔破裂规律研究

为了减少煤矿瓦斯灾害的发生和提高瓦斯抽采效率,基于岩石力学、流体力学理论,综合考虑复杂应力和瓦斯渗流对钻孔瓦斯抽采的影响,建立了瓦斯抽采钻孔固-气耦合失稳理论模型。通过所建的理论模型,以新兴煤矿相关物理性参数为基础,运用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟,分析了瓦斯抽采钻孔破裂规律。研究结果表明:随着钻孔倾斜角度的变化,在钻孔周围出现不同程度的"羊角"型塑性区;钻孔周围的塑性区随着侧压系数的增大而减少,从x形逐渐变成环形,钻孔受力环境趋于稳定。

发动机冷却系统气-液-固三相整场耦合传热研究

该文针对混动强化型发动机在车辆运行过程中受到外界流动空气冷却的影响,提出一种将发动机受到的外部气流与内部水套联合冷却耦合的计算模型,即风冷-水冷联合冷却系统,其通过气-液-固三相整场耦合传热,更适用于分析发动机冷却及换热。通过检测转速为6 000 r/min的发动机缸盖火力面鼻梁区的温度,以此为基础对比三相耦合模型与单水冷两相耦合模型的缸盖温度值发现,三相耦合模型在高温区域的温度偏差与测试值更接近,外部气流的流动减小了水套内部液体汽化产生的气阻,发动机外部气体流动对发动机散热具有积极影响。

煤岩瓦斯“固-气”耦合物理模拟相似材料特性实验研究

在固体相似材料研究的基础上,利用"固-流"耦合相似理论,得出适用于煤岩瓦斯"固-气"耦合的相似条件。选用砂子为骨料,石蜡和油为胶结剂,研制出一种适用于开展"固-气"耦合模拟实验的材料。通过大量实验,对相似材料的抗压强度、脆性参数、渗透速率等物理力学进行了测试,并利用自行研制的渗透性测试装置,对不同含量胶结剂的相似材料试件渗透性进行了测试。结果表明,石蜡含量不断增大,材料抗压强度随之增大,渗透性逐渐减小;含油量的变化,消除了单纯使用石蜡时,材料抗压强度变化强烈的不足。合理调节二者之间的比例,可以模拟多种不同强度、不同渗透性的岩石。在力学参数满足模拟岩石的前提下,将研制出的新材料与原始的固相相似材料进行了渗流速度对比实验分析,得出所研制的材料能较大程度的降低气体在其中的渗流速度,并将该材料应用于煤层开采模型实验,有效的揭示了瓦斯渗透速率与上覆岩层运动之间的关系。

煤岩“固-气”耦合相似材料渗透性研究

"固-气"耦合相似材料的研制是"固-气"耦合相似模拟实验的基础,因此研制出了一种以河沙、石蜡、油为原料的配比。在上述相似材料研究的基础上,以河砂为骨料,石蜡和液压油作为影响相似材料的主要因素,进行配比设计、试件制作及参数测试,分析石蜡及液压油的变化对试件抗压强度σ_c及渗透率k的影响。

采空区多参数气-固耦合渗流模拟

针对由于采空区内非均匀孔隙介质的存在,造成采空区风流动态流动的复杂性,在渗流力学与气-固理论相结合的基础上,采用理论分析、软件模拟以及实例验证等方法,分析了采空区内孔隙度变化规律以及多参数渗流连续数学模型;基于高效的有限体积算法,进行了数值解算,并编制了模拟软件,研究结果表明:采空区内渗透率整体呈现"U型"筛分布,在进风口和回风口处最大,随着采空区深度的增加渗透率逐渐变小;压力呈"扇型"分布,在进风口处最大,随着向采空区延伸,压力变化逐渐趋近于零;采空区内渗流速度呈"弧型"分布,靠近工作面的区域漏风较强,随着向采空区延伸,漏风速度逐渐趋近于零;同时对模拟结果进行了三维和二维演示,使问题更清晰、直观明确,为辅助分析采空区瓦斯排放、自然发火、注氮灭火、大面积均压调压等诸多安全问题提供保障.

非均质采空区气-固耦合温度场迎风有限元求解

重点讨论了用迎风有限元方法结合图形显示技术计算回采采空区温度场温度分布问题 .先建立采空区煤耗氧和自燃升温的定解数学模型 ,联立求解了漏风渗流方程、氧浓度消耗———弥散方程和传热方程 .详细描述了在漏风流作用下采空区遗煤氧化自燃过程 ,给出了采空区温度分布的稳定的动态数值解 .通过计算对比 ,该方法有效地控制了数值解的振荡 ,避免了人工干预对计算结果影响 。

固-热-气耦合作用下含瓦斯低透煤的渗流规律

为防治煤与瓦斯突出灾害,利用自行研制固-热-气耦合真三轴装置,系统分析了不同温度场、主应力场、瓦斯压力和卸载速度对含瓦斯煤渗流特性的影响,建立了渗透率与各因素的定性与定量关系,深入剖析了各种卸载路径下含瓦斯煤渗透特性的变化规律。结果表明:卸载前后,含瓦斯煤渗透率随着温度和水平方向应力的增加均呈负指数的变化趋势,且卸载过程对渗透率影响逐渐降低。随着瓦斯压力的增加,渗透率呈"V"字型变化,且加卸载渗透率变化量很小。不同卸压速度下,加载时,渗透率基本保持不变;卸载时,含瓦斯煤渗透率随着卸压速度的增加呈现Gauss函数变化趋势,可分为降低区、稳定增长区、减速增长区和稳定区四个区间。综合分析得到了在复杂应力路径下卸荷煤样渗透率定量公式。

三轴相似材料“固-气”耦合特性测试实验台研发与应用

开展对煤岩瓦斯渗流实验的研究,为实现煤与瓦斯安全共采提供理论基础,研制出相似材料固-气耦合常规三轴实验系统。该实验系统可以完整、独立地控制并加载围压和轴压,利用流量计监测相似材料试件在三维应力下的渗透率变化过程。通过对不同进气压力条件下试件的常规三轴加载实验,研究轴向应力加载梯度对试件渗透特性的影响规律,实验结果能够很好地反映出相似材料的固-气耦合特性。

基于固—气耦合物理相似模拟的实验装置研究

采动裂隙演化与卸压瓦斯渗流耦合的物理相似材料模拟实验是研究采动影响下煤岩体渗透率变化规律及分布特征的基础,文中通过研制"固—气"耦合物理相似模拟实验台,设计耦合实验中的开采系统、充气系统和测试系统,进行了相似模拟实验及渗透率测定。开采系统保证箱体气密性的同时实现了煤层的模拟开采,测试系统验证了试验箱内气体在岩层中的流动规律符合达西定律,进而验证了实验装置的可行性,从而为研究采动裂隙场时空演化与卸压瓦斯渗流耦合规律的相似模拟实验奠定实验基础。

煤层开采“固-气”耦合相似材料特性分析

为研究采动裂隙演化规律,选取适合的“固-气”耦合相似材料,结合岩石力学和流体力学理论,运用自行改进的单轴压力仪及渗透性测试装置,对不同材料配比所制作试件的力学及渗透特性进行研究。最终确定以砂子作为骨料,淀粉及水泥作为胶结剂,水作为溶剂,并对这种原材料组合在不同配比条件下制作试件的力学及渗透性影响因素开展试验研究,以此为依据开展“固-气”耦合物理相似模拟试验,揭示不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律。结果表明:最终确定的材料配比组合能够满足岩石力学性能的要求,较原始固相相似模拟材料及“固-气”耦合相似材料PSO(Paraffin石蜡,Sand砂子,Oil油),其渗透速度平均分别下降91.61%及68.29%;通过对新型材料制作出的试件开展力学及渗透特性影响因素试验并进行非线性回归拟合,得出相应变化趋势的拟合方程,同时得到不同淀粉含量对试件抗压强度及渗透性影响趋势的拟合方程。开展二维煤层开采物理相似模拟试验,得到采动覆岩裂隙演化及不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律,为进一步开展煤与瓦斯共采多场耦合物理相似模拟试验提供理论依据。

含气地层不均匀沉降对盾构隧道结构影响的固-液-气耦合分析

为掌握含气地层中盾构隧道渗漏气引起的地层变形对隧道结构的影响,以苏通气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal enclosed transmission line,GIL)项目中江底富含高压浅层气地层为研究对象,利用自主开发的有限元程序,并采用非饱和弹塑性本构模型,对含气地层不均匀沉降对盾构隧道结构的影响进行了三维固-液-气耦合数值模拟分析。结果表明:排气引起的地层不均匀沉降会导致隧道沉降,产生附加内力。其中,渗气口附近沉降位移最大,含气地层下部由于卸荷效应会有少许回弹;同时,沉降位移最大处所在截面的附加弯矩也最大;越远离含气层的位置,截面附加弯矩越小。

真三轴气固耦合煤体渗流试验系统的研制及应用

为了更真实地模拟煤岩在掘进巷道迎头等环境下的应力状态,研究三向应力环境下煤岩的损伤变形及瓦斯渗流情况,自主研发了真三轴气-固耦合煤体渗流试验系统。该装置主要由真三轴压力室、液压伺服系统、气体渗流系统和监测与控制系统组成,采用的试件尺寸为200 mm×100 mm×100 mm,可施加的最大轴压(σ1)为70 MPa、最大侧压(σ2)为35 MPa、最大侧压(σ3)为10 MPa、最大瓦斯压力为6 MPa。该装置具有以下特点:(1)σ1、σ2采用刚性压头加载,σ3采用柔性加载,三向应力分别独立加载;(2)设计了刚柔性压头及传压滑杆,使得σ1与σ2方向压头在同时加载过程中互不干扰;(3)通过伺服液压系统控制加载功能,使得装置性能稳定,应力与位移加载精确,易于控制;(4)气体渗流系统采用蜂窝孔对试件进行面通气,确保试件进气端瓦斯压力均匀分布;(5)采用多种高精度传感器进行监测,实时记录煤体所受应力值、变形量及瓦斯渗流量。用两种不同应力路径下的渗流试验对该系统准确性和可靠性进行了验证,结果表明,该装置性能稳定可靠。该装置可用于揭示煤与瓦斯在三向应力条件下的耦合作用机制,为防治瓦斯灾害及研究瓦斯抽采提供了可靠的试验基础。

弹性气藏中气体渗流的气—固—热耦合数学模型

综合应用渗流力学、岩石力学、热力学理论 ,建立起以气体压力、岩石固相质点位移、绝对温度为基本变量的全新的气—固—热耦合数学模型。该模型假设气藏岩石骨架是可变形的 ,气藏内热量按热力学定律自由传递 ,模型包括完全耦合的气体渗流方程、温度场方程和岩石变形方程。文章所建立的模型实现了气藏中渗流、变形、变温三者间真正意义上的耦合 ,较之已有的气藏渗流模型更能反映气藏实际 ,是对气藏传统渗流理论和流固耦合力学理论的发展 。