考虑吸附解吸的受载含瓦斯煤渗流规律与气固动态耦合模型研究

发布时间：2017-05-27 20:08

  本文关键词：考虑吸附解吸的受载含瓦斯煤渗流规律与气固动态耦合模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤层瓦斯是威胁矿井安全生产的主要危险源之一,同时作为一种清洁、高效的能源又具有很高的抽采利用价值。本文基于煤体孔隙-裂隙双重介质的结构模型,分析研究了瓦斯在煤体内部的储集方式、运移规律及产出理论,为受载煤体瓦斯流动数学模型的建立提供了理论基础。本文假设处于吸附状态的瓦斯在煤体基质中的扩散和处于游离状态的瓦斯在煤体裂隙中的渗流共同组成了煤体瓦斯的流动场。裂隙及大孔隙中游离瓦斯在煤层中的运移规律遵从达西定律,小孔隙中吸附态的瓦斯在煤体中运移规律遵从菲克扩散定律。流动的发生导致原本的吸附解吸动态平衡被打破,孔隙系统与裂隙系统中的煤体瓦斯要发生质量交换。基于以上基本原理,在合理假设的基础上建立了受载含瓦斯煤体瓦斯流动数学模型。并考虑瓦斯流动过程中煤体有效应力变化及吸附膨胀效应等综合因素影响,建立了煤体孔隙度及渗透率的动态演化模型。本文以含瓦斯原煤实验煤样为研究对象,利用自行研发的含瓦斯煤热-流-固-力耦合吸附-解吸-渗流实验系统,进行了受载含瓦斯煤体渗流解吸实验,并采用非吸附性气体氦气(He)标定的方法进行了受载煤体孔隙度测定实验。通过上述实验测取了受载煤体在不同吸附平衡压力下的煤样初始渗透率及初始孔隙度,为受载煤体瓦斯流动模型的数值计算提供必要参数数据。通过对受载煤体瓦斯流动模型的数值计算及实验结果分析对比,模拟计算结果与实验室实验结果在煤样初始孔隙度、初始渗透率及实验煤样出口流量等数据上具有较好的一致性。数值模拟及实验结果表明:随着瓦斯在煤体中的流动,煤体内的孔隙压力、孔隙度及渗透率均是动态变化的,变化减缓并最终趋于稳定;数值计算结果显示:在低瓦斯吸附平衡压力条件下,随着煤样内部瓦斯的流出,瓦斯压力降低,煤样孔隙度及渗透率反而升高,并通过实验加以验证;在高瓦斯吸附平衡压力条件下,随着瓦斯流出,压力的降低,煤样孔隙度及渗透率会出现先降低后升高的非对称“U”型变化。孔隙度以渗透率的动态变化是流场与固体场耦合的结果,因此在煤层瓦斯流动机理研究时,不能忽略流固耦合效应的影响。
【关键词】：受载含瓦斯煤 吸附解吸 渗流 固-流耦合 孔隙度 渗透率
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 煤层瓦斯流动理论研究现状10-13
• 1.2.2 煤体渗流特性实验研究现状13-16
• 1.3 存在的问题及不足16
• 1.4 本文主要研究内容及技术路线16-20
• 1.4.1 研究内容16-17
• 1.4.2 技术路线17-20
• 2 煤层瓦斯吸附解吸及运移理论20-28
• 2.1 煤储层的物理结构及煤层瓦斯的赋存状态20-22
• 2.1.1 煤储层的结构特性20-22
• 2.1.2 煤层瓦斯的赋存状态22
• 2.2 煤层瓦斯吸附解吸理论22-26
• 2.2.1 瓦斯的吸附解吸理论23-24
• 2.2.2 相关吸附模型介绍24-26
• 2.3 煤层瓦斯运移理论26-28
• 2.3.1 扩散理论26
• 2.3.2 渗流理论26-27
• 2.3.3 瓦斯运移规律27-28
• 3 考虑吸附作用下煤体瓦斯流动模型的建立28-44
• 3.1 基本假设28-29
• 3.2 考虑煤体吸附作用下瓦斯流动模型基本方程29-34
• 3.2.1 孔隙系统中扩散运动连续性方程29-31
• 3.2.2 裂隙系统中渗流运动连续性方程31-33
• 3.2.3 孔隙-裂隙系统的质量交换33
• 3.2.4 孔隙-裂隙双重介质瓦斯流动模型33-34
• 3.3 孔隙度及渗透率动态模型的建立34-40
• 3.3.1 孔隙度及渗透率的动态描述34-35
• 3.3.2 孔隙度及渗透率动态演化模型的建立35-40
• 3.4 本章小结40-44
• 4 受载含瓦斯煤渗流规律实验研究44-56
• 4.1 实验设备介绍及实验煤样制备44-49
• 4.1.1 实验设备介绍44-47
• 4.1.2 实验煤样制备及参数测定47-49
• 4.2 受载煤体孔隙度测定实验49-52
• 4.2.1 实验目的及思路49
• 4.2.2 实验设备49-50
• 4.2.3 实验内容50
• 4.2.4 具体实验步骤50-52
• 4.3 受载含瓦斯煤渗流规律实验52-55
• 4.3.1 实验目的及实验内容52-53
• 4.3.2 实验步骤53-54
• 4.3.3 实验数据处理54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 5 受载煤体瓦斯流动微分方程数值计算及实验结果分析56-72
• 5.1 COMSOL-MULTIPHYSICS介绍56-57
• 5.2 PDE模块建模及数值计算过程57-59
• 5.3 数值计算结果分析59-71
• 5.3.1 模拟结果分析59-64
• 5.3.2 实验结果验证64-71
• 5.4 本章小结71-72
• 6 研究结论与建议72-74
• 6.1 研究的主要结论72
• 6.2 建议72-74
• 参考文献74-80
• 作者简历80-82
• 学位论文数据集82

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本文编号：401045