煤体脉动注水渗流特征及主要影响因素研究

发布时间：2017-05-07 18:00

  本文关键词：煤体脉动注水渗流特征及主要影响因素研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤层注水是防治煤矿粉尘、自然发火等灾害的主要技术措施,得到了广泛应用。煤层脉动注水作为一种新型煤层注水方式,与传统的恒流量注水的方式相比在现场应用中取得了更好的效果。为揭示煤层脉动注水的机理,有效提高脉动注水效果,本文以实验和数值模拟相结合的方式,研究煤体脉动注水的渗流规律,在此基础上研究了不同注水参数及煤体物理参数对脉动注水效果的影响。首先,以脉动注水的发生方式为切入点,指出脉动注水与普通注水的本质区别在于注水是以周期变化的流量而非恒定流量。建立了含瓦斯煤体脉动注水渗流模型,在FLUENT软件上进行二次开发,得到脉动注水过程的压力动态响应曲线,注水可以分为四个阶段:压力平稳阶段、缓慢升压阶段、快速升压阶段和压力稳定阶段,注水过程逐渐从非稳态两相渗流过程向稳态单相渗流过程转变。其次,在数值模拟结果的基础上,从压力及能量的角度分析了脉动注水的机理,脉动注水优于常规注水主要体现在在相同注水量条件下,脉动注水可以产生更高的峰值压力,从能量的角度上,是将分散的能量集中化,增强水对煤体的瞬时冲击破坏作用。脉动注水过程中瓦斯和水的运移规律复杂,整体呈现出水对瓦斯的驱替作用,裂隙的存在对其运移规律有明显的影响,裂隙环绕区域出现瓦斯富集的现象。确定了脉动注水的峰值压力和压力脉动率作为脉动注水效果的考察指标,在1-10Hz范围内,脉动注水的峰值压力及脉动率下降明显;平均注水速率从0.00002m/s增加至0.00014m/s的时候,缩短了注水时间,脉动注水的峰值压力和压力脉动率大幅增加;瓦斯压力的增加主要影响压力脉动率,煤层瓦斯压力从0.2MPa增加至1.5MPa时,脉动率从0.50降至0.20。最后,实验研究了应力对脉动注水过程的影响,煤体的裂隙体积受应力状态影响较大,在封闭或开放的煤体内注水,应力的增加会降低裂隙的体积,脉动压力波衰减作用明显,注水完成之后的含水率也随之降低。注水结束后的煤体出现应力降低的现象,低于注水之前煤体的应力。从优化脉动注水参数的角度上,提出了适当降低脉动注水频率;在设备性能满足的条件的情况下,提高脉动注水设备的排量;在注水之前对煤层瓦斯进行预抽,降低煤体的应力状态等措施能够有效提高脉动注水的效果。
【关键词】：脉动压力 煤层注水 粉尘防治 渗流规律 瓦斯
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD714.41;TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-17
• 变量注释表17-19
• 1 绪论19-28
• 1.1 研究背景及意义19-20
• 1.2 国内外研究现状及分析20-26
• 1.3 当前存在问题26
• 1.4 主要研究内容26-27
• 1.5 研究思路27-28
• 2 煤岩的结构特征及脉动注水的发生机理28-39
• 2.1 煤岩孔隙裂隙结构分类及特点28-30
• 2.2 煤层注水的过程分析30-32
• 2.3 脉动流的特征参数32-36
• 2.4 煤层注水脉动流的发生方式36-37
• 2.5 本章小结37-39
• 3 煤体气、液两相脉动渗流模型建立39-56
• 3.1 流体力学控制方程39-41
• 3.2 煤体脉动注水渗流模型的建立41-47
• 3.3 煤样气、液渗流参数测试47-53
• 3.4 煤样有效孔隙率的测试53-55
• 3.5 本章小结55-56
• 4 脉动注水渗流规律数值模拟56-74
• 4.1 CFD软件FLUENT简介56-58
• 4.2 数值模型的求解58-60
• 4.3 脉动注水过程动态分析60-72
• 4.4 本章小结72-74
• 5 煤体脉动注水关键影响因素数值模拟研究74-84
• 5.1 脉动注水效果指标74
• 5.2 脉动频率对脉动注水效果的影响74-77
• 5.3 平均注水速率对脉动注水效果的影响77-79
• 5.4 煤体中瓦斯压力对脉动注水效果的影响79-82
• 5.5 本章小结82-84
• 6 加载状态下煤体脉动注水渗流实验84-99
• 6.1 轴向渗流脉动注水实验系统设计84-88
• 6.2 实验方案及过程88-92
• 6.3 封闭系统脉动注水渗流规律92-96
• 6.4 开放系统脉动注水渗流规律96
• 6.5 脉动注水与应力的相互耦合关系96-97
• 6.6 本章小结97-99
• 7 主要结论、创新点及展望99-101
• 7.1 主要结论99-100
• 7.2 创新点100
• 7.3 展望100-101
• 参考文献101-108
• 作者简历108-110
• 学位论文数据集110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 郁伯铭;多孔介质输运性质的分形分析研究进展[J];力学进展;2003年03期

2 陈萍,唐修义;低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究[J];煤炭学报;2001年05期

3 翟成;李贤忠;李全贵;;煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用[J];煤炭学报;2011年12期

4 杨其俊,孙辉,裴峻峰;基于小波分析的钻井泵水击监测的研究[J];石油矿场机械;2000年01期

5 张乐,傅炳忠;脉动流诱发板结构振动分析[J];水利水运科学研究;1999年04期

6 张健;汪志明;;煤层应力对裂隙渗透率的影响[J];中国石油大学学报(自然科学版);2008年06期

7 桑树勋,朱炎铭,张时音,张井,唐家祥;煤吸附气体的固气作用机理(Ⅰ)——煤孔隙结构与固气作用[J];天然气工业;2005年01期

8 章毅;杨胜强;;脉动水力压裂技术应用于煤层注水综述[J];中国科技论文在线;2010年11期

9 孙军昌;杨正明;郭和坤;肖前华;郝明祥;徐轩;;致密储层渗透率测试的稳态与非稳态法对比研究[J];岩土力学;2013年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 任万兴;煤矿井下泡沫除尘理论与技术研究[D];中国矿业大学;2009年

  本文关键词：煤体脉动注水渗流特征及主要影响因素研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：350301