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煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义
被引量：
4
1
作者
李志强
陈金生
+1 位作者
李林
彭建松
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2023年第4期1551-1566,共16页
多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这...
多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散-渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出2类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准,划分了连续流-滑移流-过渡流-自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙。随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期,努森数增大,滑移-过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。
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关键词
多尺度
动态
渗透率
扩散
微纳米孔
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职称材料
题名
煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义
被引量：
4
1
作者
李志强
陈金生
李林
彭建松
机构
河南
理
工
大学
煤矿灾害预防与抢险救灾教育部
工
程研究
中心
河南
理
工
大学
煤矿安全生产与清洁高效利用省部共建
协同
创新
中心
河南理工大学中原经济区煤层/页岩气河南省协同创新中心
河南
理
工
大学
河南省
瓦斯地质与瓦斯治
理
重点实验室−省部共建国家重点实验室培育基地
出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2023年第4期1551-1566,共16页
基金
国家自然科学基金资助项目(52174173)
河南理工大学博士基金资助项目(B2018b258,B2021b27)。
文摘
多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散-渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出2类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准,划分了连续流-滑移流-过渡流-自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙。随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期,努森数增大,滑移-过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。
关键词
多尺度
动态
渗透率
扩散
微纳米孔
Keywords
multiscale
dynamic
permeability
diffusion
micro-nano pore
分类号
TD713.2 [矿业工程—矿井通风与安全]
P618.11 [天文地球—矿床学]
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题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义
李志强
陈金生
李林
彭建松
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2023
4
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