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微波注热与传导注热对煤层瓦斯运移的激励效应对比分析
1
作者 王志军 陈庚 +1 位作者 龚静 梅向乾 《煤炭技术》 CAS 2024年第9期200-205,共6页
为探究微波注热和传导注热对煤层瓦斯运移的影响,建立了热-流-固耦合模型,通过COMSOL Multiphysics数值软件分别模拟传统传导注热和2450 MHz微波注热对煤层瓦斯运移的激励效应,以相同注热功率为基础,对比分析了2种注热方式下煤层温度、... 为探究微波注热和传导注热对煤层瓦斯运移的影响,建立了热-流-固耦合模型,通过COMSOL Multiphysics数值软件分别模拟传统传导注热和2450 MHz微波注热对煤层瓦斯运移的激励效应,以相同注热功率为基础,对比分析了2种注热方式下煤层温度、渗透率比例、瓦斯含量、瓦斯抽采率、热损失的演化规律。结果表明:2种不同注热方式对瓦斯运移的激励效应相似,随着抽采时间的延长,煤层温度逐渐升高,渗透率比例先减小后增大,煤层总瓦斯含量逐渐减小,瓦斯抽采率先增大后减小;相对于传导注热,微波注热效果更佳,煤层渗透率整体较大,吸附瓦斯含量较低,残余瓦斯含量整体较高,瓦斯抽采量较高,瓦斯抽采率较大、热损失较小。微波注热比传导注热对煤层具有更好的激励效应,能更好地加速煤层瓦斯吸附解吸,更有利于煤层瓦斯的抽采,且传热效率高,热损失小,更节能。 展开更多
关键词 微波注热 传导注热 瓦斯运移 热-流-固耦合 数值模拟
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瓦斯氛围下煤-水界面润湿特性及其影响机制 被引量：1
2
作者 岳基伟 王辰 +5 位作者 石必明 王兆丰 徐金林 韩奇峻 孙永鑫 梁跃辉 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期4325-4335,共11页
煤层注水被广泛用于煤层瓦斯治理,其治理瓦斯的效果关键在于水分对含瓦斯煤体的润湿效果,然而高瓦斯煤层中瓦斯严重干扰着水分对煤体的润湿。为弄清瓦斯氛围下水分对煤体的润湿特性,采用自研的瓦斯氛围下煤-水接触角测试装备及自开发的... 煤层注水被广泛用于煤层瓦斯治理,其治理瓦斯的效果关键在于水分对含瓦斯煤体的润湿效果,然而高瓦斯煤层中瓦斯严重干扰着水分对煤体的润湿。为弄清瓦斯氛围下水分对煤体的润湿特性,采用自研的瓦斯氛围下煤-水接触角测试装备及自开发的瓦斯氛围下水的表面张力测试软件,研究了瓦斯氛围下煤-水界面润湿参数,阐释了瓦斯氛围下煤-水界面的润湿特性,并揭示了其影响机制。研究结果表明:瓦斯氛围下随着瓦斯压力的增加,水的表面张力、煤的表面能及黏附功逐渐减小,煤-水接触角及煤-水界面能逐渐增加,水对煤的润湿效果变差;基于煤的工业分析、元素分析及微光谱图分析,建立了无烟煤的分子结构模型,分子式为C_(99)H_(54)N_(2)O_(3)S,煤分子模型的桥碳比为0.61,其与^(13)C-NMR谱图的桥碳比一致;瓦斯氛围下煤水微观润湿体系中,煤水交界面以下,水分子的相对浓度随着瓦斯压力的增大而减小;煤水交界面以上,瓦斯压力越大,水分子相对浓度峰值越大;瓦斯氛围下煤水微观润湿体系中,随着瓦斯压力的增加,水分子的吸附程度减弱,煤中瓦斯被置换的程度减小,甲烷分子的扩散系数减小,水分子分散程度增加,聚集程度减弱,水分子的扩散系数增加。 展开更多
关键词 瓦斯压力 煤层注水 润湿 表面张力 煤水接触角
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受限空间煤粒瓦斯吸附扩散特性及模型适配差异分析 被引量：10
3
作者 赵伟 王亮 +1 位作者 陈向军 潘荣锟 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第9期146-151,共6页
瓦斯吸附扩散系数与解吸扩散系数存在差异,而直接采用定压边界的单孔扩散模型拟含吸附数据从而获得定容条件下的吸附扩散系数有所欠妥。为了对比定压扩散模型和定容扩散模型的拟合差异,正确评价不同边界条件下的瓦斯扩散过程,采用工业... 瓦斯吸附扩散系数与解吸扩散系数存在差异,而直接采用定压边界的单孔扩散模型拟含吸附数据从而获得定容条件下的吸附扩散系数有所欠妥。为了对比定压扩散模型和定容扩散模型的拟合差异,正确评价不同边界条件下的瓦斯扩散过程,采用工业分析、等温吸附及吸附扩散动力学试验的方法,对不同初始压力下煤粒的吸附平衡过程及扩散系数变化进行了试验研究。研究发现,定容条件下试验煤样吸附压力随吸附时间呈对数曲线逐渐降低,而吸附平衡时间的长短由煤体的孔隙结构决定。另外,根据真实气体状态方程,可将压降规律转换为吸附规律。利用定容和定压2种扩散模型对瓦斯吸附扩散规律进行拟合,可以发现定容扩散模型要比定压扩散模型拟合效果好,且定压模型测得的扩散系数较之真正的定容扩散系数要大约2倍,并随着初始压力的增加其倍数逐渐增大。恒定压力的边界相当于给了瓦斯分子一个容易逸散的空间,相较于浓度逐渐升高的定容边界来说,扩散难度更小,扩散系数更大。最后,根据定压扩散系数以及定容扩散系数的差异,确定了试验中以及工程中2种扩散系数的应用范围:定压扩散模型适合描述试验中的定压吸附或者定压解吸试验,以及工程中煤层卸压区等高渗区的瓦斯运移规律。相对地,定容扩散模型则适合描述试验中的定容吸附或定容解吸试验,以及工程中被煤层低渗区隔绝的瓦斯运移规律,如应力集中区隔绝的区域或断层、褶曲等构造煤发育的部位。 展开更多
关键词 扩散系数 受限空间 孔隙结构 单孔模型 吸附扩散
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瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型 被引量：12
4
作者 张宏图 李阳 +1 位作者 姚邦华 王冕 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第10期52-59,共8页
为准确预测瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔浆液扩散特征,根据注浆流固耦合理论,考虑浆液黏度时变性对水泥砂浆扩散的影响以及应力对煤体形变的影响,提出了瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型,采用COMSOL数值模拟研究了不同注浆... 为准确预测瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔浆液扩散特征,根据注浆流固耦合理论,考虑浆液黏度时变性对水泥砂浆扩散的影响以及应力对煤体形变的影响,提出了瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型,采用COMSOL数值模拟研究了不同注浆压力下的浆液扩散分布特征与考虑浆液黏度时变性对注浆扩散范围结果的影响,并在新义煤矿开展现场试验验证。研究结果表明:①瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型,综合考虑了浆液黏度时变性以及注浆压力对煤体形变的影响,可以更全面地对注浆时浆液扩散特性进行预测;②水灰比为0.9时,水泥砂浆注浆效果较好,对应的水泥浆黏度随时间增大逐渐增大,呈指数函数关系增长;③浆液黏度时变性对浆液扩散范围有直接影响,考虑浆液黏度时变性较将浆液黏度考虑为常数时浆液扩散范围更小;④通过瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型的现场实际验证效果可知,最优封孔注浆压力为1.4 MPa。研究结果可为进一步优化水泥砂浆注浆封孔方案和提高瓦斯抽采钻孔封孔质量提供理论支撑。 展开更多
关键词 注浆压力 黏度时变性 浆液扩散半径 扩散模型 瓦斯抽采
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超临界CO_(2)脉动作用对低阶煤微观-宏观结构损伤演化特征
5
作者 刘佳佳 李元隆 +2 位作者 高建良 王丹 张云龙 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期190-199,共10页
为了明晰超临界CO_(2)脉动作用对低阶煤的作用效果及机理,采集新疆艾维尔沟矿深部低阶煤作为试验对象,通过自主搭建的超临界CO_(2)脉动致裂试验系统开展试验研究,对脉动作用前后的煤样分别进行XRD、FTIR、低温液氮吸附试验、低场核磁共... 为了明晰超临界CO_(2)脉动作用对低阶煤的作用效果及机理,采集新疆艾维尔沟矿深部低阶煤作为试验对象,通过自主搭建的超临界CO_(2)脉动致裂试验系统开展试验研究,对脉动作用前后的煤样分别进行XRD、FTIR、低温液氮吸附试验、低场核磁共振及单轴压缩试验测定,量化分析超临界CO_(2)脉动作用前后煤体的微观结构、孔隙结构及力学特性变化。结果表明:超临界CO_(2)脉动作用后,煤中方解石和黏土矿物的质量分数增加,黏土矿物质量分数的变化主要受氨伊利石增加的影响,煤中各有机官能团峰值均呈现不同程度的降低,超临界CO_(2)对有机物的萃取作用效果明显,脉动作用后煤体的微晶结构受到损伤,晶体层片间距增加了0.002 9 nm,煤体结构趋于松散;对比超临界CO_(2)脉动作用前,作用后煤样XJ-A、XJ-B有效孔隙率分别提高了66.7%、128.6%,煤体内部孔隙连通性增强,脉动作用对微小孔及中孔的改造作用更明显;超临界CO_(2)脉动作用后煤的力学特性显著劣化,单轴抗压强度和弹性模量分别降低54.73%和59.82%,声发射振铃计数和累积能量均大幅降低,振铃计数峰值降至作用前51%,煤样内部颗粒黏聚力降低,累积能量降低了62%。综上,超临界CO_(2)脉动作用能够显著破坏低阶煤的微观-宏观结构,对深部低阶煤储层致裂增透、煤层气抽采具有重要意义。 展开更多
关键词 超临界CO_(2) 脉动致裂 微观结构 孔隙 力学特性
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超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理及影响因素分析 被引量：15
6
作者 刘佳佳 聂子硕 +1 位作者 于宝种 杨迪 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期204-216,共13页
在如今的双碳背景下,超临界二氧化碳压裂技术不仅能增透煤体,还能用于地质封存二氧化碳,因此其在煤炭领域越来越受到重视。然而超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理和主要影响因素尚未明晰,故为掌握其作用机理,探究其主要影响因素,进行... 在如今的双碳背景下,超临界二氧化碳压裂技术不仅能增透煤体,还能用于地质封存二氧化碳,因此其在煤炭领域越来越受到重视。然而超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理和主要影响因素尚未明晰,故为掌握其作用机理,探究其主要影响因素,进行了数据处理和总结分析。首先,明确了超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理主要包含3个方面:对煤体微观组分的改造作用、对煤基质的溶胀效应以及对煤中瓦斯的驱替作用。其次,阐述了影响超临界二氧化碳增透煤体的主要因素包含作用温度、作用压力、作用时间和煤体含水率,并得到了主要因素与煤体特性之间的关系:煤体孔隙率和渗透率会随着作用温度的升高而降低,随着作用压力、作用时间和煤体含水率的增加而增大,且其与作用压力和短时浸泡时间皆符合正指数函数关系;煤体力学强度会随着作用时间和含水率的增加而逐渐弱化,且抗压强度、弹性模量和抗拉强度与作用时间皆符合负指数函数关系。最后,对超临界二氧化碳增透煤体所存在的问题进行了探讨,指出现今研究忽略了浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响,以及缺乏对主控因素和最佳增透条件的分析,可以仿照循环液氮致裂试验来进行超临界二氧化碳循环浸泡次数研究,可通过正交实验法来确定超临界二氧化碳增透煤体的主控因素和最佳增透条件。研究成果对于优化超临界二氧化碳增透技术、封存二氧化碳以及提高煤层气抽采效果具有一定的指导意义。 展开更多
关键词 超临界二氧化碳 溶胀效应 瓦斯驱替作用 渗透率 力学特性 浸泡次数
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超临界CO_(2)作用下高阶煤微观结构及力学特性-声发射特征研究
7
作者 刘佳佳 许艳之 +3 位作者 聂子硕 张云龙 高建良 王丹 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期127-135,共9页
超临界CO_(2)压裂技术作为极具发展潜力的压裂煤体增透瓦斯技术,明晰其对煤体的影响机制,有助于推动该技术的机理研究和实践工程应用。为准确表征超临界CO_(2)作用下高阶煤的孔裂隙结构及力学特性变化,以焦煤集团中马村矿的高阶煤为试... 超临界CO_(2)压裂技术作为极具发展潜力的压裂煤体增透瓦斯技术,明晰其对煤体的影响机制,有助于推动该技术的机理研究和实践工程应用。为准确表征超临界CO_(2)作用下高阶煤的孔裂隙结构及力学特性变化,以焦煤集团中马村矿的高阶煤为试验对象,通过自主搭建的超临界CO_(2)浸泡试验系统,结合全自动物理吸附仪(BET)以及全自动压汞仪(MIP),对超临界CO_(2)处理前后高阶煤的孔裂隙结构变化进行分析,并利用单轴压缩和声发射试验系统对超临界CO_(2)处理前后高阶煤的单轴压缩力学特性和声发射特征进行测定。结果表明:超临界CO_(2)对高阶煤具有良好的扩孔增渗作用。超临界CO_(2)处理后高阶煤的微小孔孔容占比降低,中大孔孔容占比增大,且高阶煤的总孔容增大;超临界CO_(2)对高阶煤的力学特性具有明显的劣化作用。超临界CO_(2)处理后高阶煤单轴抗压强度和弹性模量均显著下降,降幅分别为70.06%和55.56%,且超临界CO_(2)处理后高阶煤的内部声发射信号活跃度明显下降,高阶煤单轴抗压时间、累计振铃计数以及累计能量分别降低了98.68 s、95.14×10^(3)个、200.30 V·ms,降幅分别为46.65%、37.65%、50.03%,高阶煤累计振铃计数以及累计能量平静期占比均显著增加,缓增期占比均降低,激增期前者占比降低,后者占比小幅度增加。研究成果将有助于推动超临界CO_(2)压裂技术的机理研究,对深部高阶煤的煤层气开采和CO_(2)地下封存具有一定指导意义。 展开更多
关键词 超临界CO_(2) 高阶煤 孔隙结构 力学特性 声发射特性 扩孔增渗
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基于体积应变的煤体渗透率模型及影响参数分析 被引量：1
8
作者 王伟 余金昊 +4 位作者 方志明 李小春 李琦 陈向军 王亮 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期2741-2756,共16页
为研究瓦斯压力变化过程中渗透率演化规律,基于煤体代表性单元体(REV)细观尺度参数与体积应变关联特征推导了4种不同形式渗透率模型。利用实验数据对模型进行了可靠性验证,分析了有效应力引起的应变和吸附应变的变化规律,并与经典渗透... 为研究瓦斯压力变化过程中渗透率演化规律,基于煤体代表性单元体(REV)细观尺度参数与体积应变关联特征推导了4种不同形式渗透率模型。利用实验数据对模型进行了可靠性验证,分析了有效应力引起的应变和吸附应变的变化规律,并与经典渗透率模型(P-M模型、S-D模型、CONNELL模型)进行对比验证。讨论了模型参数的敏感性,明确了REV细观尺度参数与裂隙率、渗透率的相关关系,并分析了吸附应变系数影响机理,进而对国内主要矿井渗透率极值压力进行了研究。结果表明:基于REV体积应变与REV裂隙体积应变的4种渗透率模型,其REV体积应变与REV裂隙体积应变线性相关,相关系数为初始裂隙率;体积模量与吸附应变系数分别控制有效应力和吸附应变对渗透率的影响;恒定围压、恒定孔压、恒定差压3种实验条件下,相比经典渗透率模型,4种渗透率模型对实验数据都有较好的匹配效果,但双参数拟合(体积模量与吸附应变系数)相比单参数拟合(吸附应变系数),参数的拟合误差较大,由参数敏感性分析可知,当参数变化时(<10%)渗透率预测结果相比真实值也有较大偏差;以沁水盆地为例,计算的煤体REV细观尺度参数a_(0)、b_(0)范围分别为1.73~46.31μm和0.06~0.49μm;恒定围压与恒定差压条件下,吸附应变系数与差压大小、气体类型及初始裂隙率有关;国内主要矿井CO_(2)极值压力在0.94~5.33 MPa,CH4极值压力在1.06~6.94 MPa。 展开更多
关键词 渗透率 表征单元体 多实验条件模型 参数敏感性 吸附应变系数
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不同冲击速度下含气砂岩损伤−渗流特性试验研究 被引量：4
9
作者 王登科 董博文 +4 位作者 魏建平 张力元 张宏图 曹塘根 夏玉玲 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期2138-2152,共15页
为探究不同冲击载荷作用下含气砂岩冲击损伤特征和渗透性规律,利用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统和工业显微CT扫描系统,设计并开展了三轴预应力状态下不同冲击速度加载的动态压缩−原位渗流试验,重构了受冲击损伤砂岩的三维裂隙结构,... 为探究不同冲击载荷作用下含气砂岩冲击损伤特征和渗透性规律,利用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统和工业显微CT扫描系统,设计并开展了三轴预应力状态下不同冲击速度加载的动态压缩−原位渗流试验,重构了受冲击损伤砂岩的三维裂隙结构,对比分析了固−气耦合试样不同冲击速度加载下的动态应力−应变曲线特征、能量耗散规律、破坏损伤和渗透性演变特征。研究结果表明:含气砂岩的应变率随冲击速度的增加而增加,入射波能、反射波能、透射波能和吸收能也随之逐渐增大。含气砂岩的峰值应力和峰值应变也随冲击速度的提升而逐渐增大,且动态应力−应变曲线的压密阶段不断被压缩直至完全消失。三轴固−气耦合动态冲击条件下,含气砂岩的破坏形式以剪切破坏为主;随着冲击速度的递增,冲击载荷与气体压力联合作用下含气砂岩内部的张拉裂隙数量不断增加,新生裂隙相互连接促使了宏观贯通裂隙的形成;泊松比效应和偏心压缩作用使砂岩上分别形成了沿试样轴向方向延伸和垂直于轴向方向延伸2种张拉裂隙,2种裂隙在试样外沿相互连通,呈现出网格状。含气砂岩的吸收能量直接决定了其损伤程度,吸收能量的不断增加,不仅加大了含气砂岩破坏后的损伤程度,也大幅提高了含气砂岩的渗透性;冲击受损破坏之后的含气砂岩渗透率与其裂隙率遵循线性正相关关系。 展开更多
关键词 含气砂岩 SHPB固−气耦合动态损伤试验 原位渗透率测试 工业CT扫描 裂隙扩展与重构
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高压磨料水射流切割破碎岩石的单轴力学特征研究 被引量：2
10
作者 黄飞 赵志旗 +3 位作者 李树清 刘勇 徐志任 龙港 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2023年第17期128-134,237,共8页
高压磨料水射流切割破碎后岩石的力学参数变化对于岩石的进一步破碎具有重要的影响。选取了砂岩、灰岩与花岗岩在水射流切割平台上开展了磨料射流冲击切割试验,对切割后的岩石进行CT扫描并重构岩石在不同冲击切割条件下的三维破碎形态,... 高压磨料水射流切割破碎后岩石的力学参数变化对于岩石的进一步破碎具有重要的影响。选取了砂岩、灰岩与花岗岩在水射流切割平台上开展了磨料射流冲击切割试验,对切割后的岩石进行CT扫描并重构岩石在不同冲击切割条件下的三维破碎形态,最后通过单轴压缩试验对比分析了岩石试件在磨料射流冲击切割前后的力学响应特征。研究结果表明:①在相同的射流参数条件下,岩石在磨料射流的移动切割下大多出现较为规整的缝槽形态,而定点冲击则出现孔洞破碎形态,前者比后者在岩石内部造成的损伤破碎程度更大;②磨料射流的冲击切割作用导致岩石试件在单轴压缩过程中出现折断型破碎形态的概率增加,且这种增加趋势随着切割长度的增加而愈加显著,但切割作用几乎不改变岩石试件的应力应变趋势;③岩石试件的单轴抗压强度与泊松比随切割长度与射流压力的增加呈现近似线性降低的趋势。该研究结果可为高压磨料水射流煤层割缝卸压的工程应用提供一定的理论指导。 展开更多
关键词 磨料射流 破碎形态 CT扫描 单轴压缩 力学特征
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