双重孔隙煤体瓦斯多尺度流动机理及数值模拟

发布时间：2020-10-30 00:36

　　 煤层瓦斯防治与利用是关乎煤矿安全开采,清洁能源高效利用以及温室气体排放三个方面的重要问题,一直是能源开采和环境保护等领域关注的热点。煤层瓦斯抽采、煤层气开采是防治瓦斯事故,捕获瓦斯能源以及控制温室气体排放的关键技术。煤体瓦斯流动理论是人们对煤中瓦斯存储、瓦斯解吸,瓦斯流动和瓦斯产出过程的理解和认识,是进行掌握瓦斯储量,评估瓦斯灾害风险,计算瓦斯涌出并制定防治措施,预测瓦斯产能,设计瓦斯资源开发等实际工程问题的基础和依据。本研究基于前人的研究成果,在煤体瓦斯流动理论的几个方面进行了以下探讨和尝试:煤层瓦斯含量计算方法,煤基质瓦斯吸附解吸机理及理论模型,煤层瓦斯多尺度流动机理及理论模型构建,数值离散及解算模拟程序开发等。本研究首先探讨了煤层瓦斯流动中关于瓦斯含量的计算问题,指出一般应采用朗格缪尔方程表示瓦斯含量,而当前仍有许多工程计算和学术文献中对瓦斯含量计算的简化(抛物线方程近似或P.M.克里钦夫斯基近似)。通过数值计算和理论计算对三种瓦斯含量计算方法进行了对比,定量分析了简化计算所造成的误差,发现:将朗格缪尔方程的瓦斯含量曲线近似为抛物线方程,由此所带来的误差较小,但采用P.M.克里钦夫斯基引起的误差是不可接受的;精确计算瓦斯流动时,应根据朗格缪尔式进行计算瓦斯含量。煤体是由裂隙和煤基质构成的典型的双重孔隙介质,煤体裂隙内的瓦斯流动机理已被广泛接受,而煤粒/煤基质内的瓦斯流动机理仍存有争议。本文通过研究当前有关煤粒/煤基质瓦斯流动理论的学术文献,认为煤中孔隙结构复杂且孔径分布广泛,气体流动应是多尺度多机理现象,仅用菲克扩散去描述多尺度孔隙中瓦斯运移是值得怀疑的。在现有理论的基础上,提出了密度差驱动流的概念,将煤体孔隙内的吸附瓦斯和游离瓦斯一并计算为瓦斯密度,将孔隙中的渗透和扩散经过传质概念的整合,统一为密度差驱动流,提出新的瓦斯吸附解吸理论模型。通过恒定环境和变压环境下的多尺度煤粒瓦斯吸附解吸实验,验证了本文提出的理论模型在描述煤粒/煤基质中瓦斯运移方面的有效性和优越性。通过研究现有的煤体瓦斯流动模型及数值模拟软件,认为有关煤基质瓦斯运移的模拟技术和数值解算方法有待改进。基于煤中瓦斯多尺度流动机理和双重孔隙模型,考虑煤基质收缩,有效应力和瓦斯多尺度流动的耦合机制,构建双重孔隙煤体瓦斯多尺度流动数学模型。该模型相较于其他双重孔隙模型的特点在于:考虑了煤基质内的渗流,扩散,将两种流动统一为密度差驱动流,并且充分考虑基质内的游离瓦斯和吸附瓦斯,与实际煤基质的瓦斯流动更为符合。通过有限差分法对双重孔隙煤体瓦斯多尺度流动数学模型进行离散,并基于Visual Basic编程平台独立开发了高效的数值模拟软件。该数值求解的优势在于:基质系统和裂隙系统不再相互重叠,流场中的任一点只有一套参数,基质参数或者裂隙参数,并且基质和裂隙之间的质量交换仅发生在基质块的表面,而不是作为在裂隙网络中均匀分布的质量源。这一处理有别于现存的其他双重孔隙模型的解算,与实际流场更为接近。通过将模拟结果与两套现场瓦斯抽放数据进行对比,验证了本章所建瓦斯流动模型及数值模拟软件的正确性。基于自主开发的煤体瓦斯流动数值模拟软件,进行了煤中气体流动和钻孔瓦斯抽采的一系列数值模拟,研究结果表明:煤体裂隙的初始渗透率越高,钻孔瓦斯流速越大。在抽采初期,改变裂隙渗透率对提高钻孔瓦斯产出效率有重要作用,但对抽采后期瓦斯产出效率影响不大。煤基质的渗透性对抽采初期的瓦斯产气效率影响较小;煤基质渗透率越大,抽采后期瓦斯产出效率越高,抽采过程中产气速率衰减越慢;煤基质的尺度越小,煤基质的释放瓦斯的速度越快,基质的累积瓦斯释放量越多。煤体中基质尺度越小,瓦斯产出速率越大,产气速率的衰减越慢。研究结果表明煤基质的尺度和渗透性是影响基质内气体运移的两个重要参数,也是影响抽采后期瓦斯产率的关键因素。同时表明瓦斯产出过程中产气机理随开采时间不断变化:在产气初期,裂隙中的达西流主导产气速率,在产气后期,基质内的密度差驱动流主导产气速率。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

24(b) 瓦斯含量分布的对比曲线图 2.4 瓦斯压力及含量分布对比曲线Fig. 2.4Contrastcruves of gaspressureandcontentdistribution distributio.4 可知，在算例 1 中：由朗格缪尔式、抛物线式分别计算吻合，瓦斯含量分布曲线则有一定的差异；而由克里钦曲线与其它两式有较大差异，瓦斯含量分布曲线则与其一步表明，在确定瓦斯含量与压力的关系时，抛物方程较小，而克里钦夫曲线与朗格缪尔曲线则有本质的差异起误差的根源：由抛物方程曲线或克里钦夫曲线确定的际瓦斯吸附特性存在差异。

(b) 双对数坐标图 2.5 瓦斯比流量的对比曲线Fig.2.5Contrastcurves of gasflowrate可知，在算例 1 中，对比抛物线式与朗格缪尔式的结比流量变化趋势基本一致，相差较小。对比克里钦发现：初始时刻，克里钦夫式计算的瓦斯比流量远大算的瓦斯比流量衰减速率较朗格缪尔式大，10-5d 天量随时间变化的曲线相交，该时刻 2 式计算的瓦斯的瓦斯比流量大小发生反转，克里钦夫式计算的瓦2d 左右之后，从双对数坐标曲线图 2.5(b)可知，2状，表明 2 式计算的瓦斯比流量曲线有相同的变化趋

26(b) 克里钦夫式图 2.6 计算结果的相对误差随时间的变化曲线Fig. 2.6Changecurves of the resultrelative error with time.6(a)可知，在本文 3 个算例中，抛物线式计算的相对误差相对误差值最大不超过 5%，表明用抛物线方程近似取代大的误差，因此在计算煤层瓦斯涌出需要考虑瓦斯含量瓦斯含量是可接受的。.6(b)可知，在本文 3 个算例中，克里钦夫式计算结果的相瓦斯比流量相对误差随时间的变化趋势相同；初始时刻，流量远大于朗格缪尔式，相对误差最大可超过 1000%，，分别在 17.5×10-6， 5.1×10-6和 0.82×10-6d 时减小为 0
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 韩真理;;提高矿井瓦斯抽放率的途径探讨[J];煤矿安全;1997年09期

2 于不凡;提高矿井瓦斯抽放率的途径[J];煤炭工程师;1995年02期

3 屠锡根;;瓦斯的防治[J];煤炭科学技术;1987年04期

4 R·D·Lama;地质条件和采矿要素对突出倾向煤层的瓦斯预抽和采后抽放的影响[J];煤矿安全;1988年04期

5 刘题诗,张新秀;高沼气厚煤层顶分层工作面沿空留巷的通风与瓦斯测试[J];中州煤炭;1989年04期

6 刘成贵;钻瓦斯孔时发生的瓦斯冲出事故及其防治[J];煤矿安全;1989年11期

7 赵宁德;采用反向孔抽放瓦斯提高瓦斯抽放率[J];煤炭工程师;1994年06期

8 申晋伟;;影响瓦斯抽放的因素及如何提高矿井瓦斯抽放率[J];中小企业管理与科技(下旬刊);2009年09期

9 朱怀文,胡海军,赵传浩;实施综合抽放 提高瓦斯抽放率[J];矿业安全与环保;2000年S1期

10 龚昌泽,邓德华;提高高位巷瓦斯抽放率的途径[J];矿业安全与环保;2000年S1期

相关博士学位论文 前2条

1 刘鹏;双重孔隙煤体瓦斯多尺度流动机理及数值模拟[D];中国矿业大学(北京);2018年

2 王俭;基于安全分区的通风瓦斯风险控制研究[D];西安科技大学;2008年

相关硕士学位论文 前2条

1 段敏克;采动影响下固—液—气耦合机理及瓦斯运移规律研究[D];重庆大学;2017年

2 湛堂啟;电场组合作用下煤体瓦斯吸附与渗透规律研究[D];中国矿业大学;2017年

本文编号：2861701