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煤层瓦斯强化抽采工程试验与多过程耦合渗流数值解 被引量：5
1
作者 李志强 成墙 《煤炭工程》 北大核心 2018年第11期74-78,共5页
为提高低渗透煤层的瓦斯抽采能力,采取了多种工程强化抽采煤层瓦斯,措施包括:高压水射流割缝卸压增渗、强化预抽、注气增压驱气、注水增湿抑制瓦斯解吸。首先在煤层底板岩巷中利用穿层钻孔实施高压水射流割缝,以提高煤体的渗透性,之后... 为提高低渗透煤层的瓦斯抽采能力,采取了多种工程强化抽采煤层瓦斯,措施包括:高压水射流割缝卸压增渗、强化预抽、注气增压驱气、注水增湿抑制瓦斯解吸。首先在煤层底板岩巷中利用穿层钻孔实施高压水射流割缝,以提高煤体的渗透性,之后进行预抽煤层高压瓦斯;达到抽采极限时间后,采用注空气增压的方法提高瓦斯的流动能力,以增加瓦斯的抽采能力;达到注气极限时间后,采用高压注水的方式湿润煤体,达到增加煤体水分,抑制残余瓦斯解吸的目的。试验结果表明:实施强化抽采措施后,煤层渗透性提高了100倍以上,瓦斯抽采率从措施前的16. 4%提高到了58. 6%。多个工程实施过程中,瓦斯—注入气—水等流体的流动具有前后继承性,即后一个工程流体的渗流是在前一个工程流体渗流的终态基础上进行的。为此,提出了多过程渗流的新概念,据此建立了多过程耦合渗流力学方程,将前一个流体的渗流压力——距离终态作为后一个渗流过程的初始条件,代入后一个渗流方程进行耦合数值计算,得到了符合实际的多过程、多流体的耦合渗流数值解。计算表明:第一过程的抽采压降曲线终态为抛物线形态,可用幂函数描述,第二过程注气压力曲线初态呈现先下降后上升的波谷曲线形态,末态可用幂函数描述,第三过程的注水压力曲线为幂函数下降形态。 展开更多
关键词 瓦斯 煤层气 水力割缝 注气 多过程 渗流
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注热过程中高温蒸汽渗流与煤体热应变动态演化规律
2
作者 李志强 张宁超 +4 位作者 陈金生 陈立伟 冯文祥 刘龙威 王云刚 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第5期93-103,共11页
【背景】高温蒸汽热激励煤层是一种极具前景的增产瓦斯技术方法,蒸汽渗透率是表征热流体注入能力的关键参数。然而,蒸汽在煤中的渗流规律及其演化机理目前依然未知,探索上述问题对注热增产瓦斯工程具有重要的科学意义。【方法】采用稳... 【背景】高温蒸汽热激励煤层是一种极具前景的增产瓦斯技术方法,蒸汽渗透率是表征热流体注入能力的关键参数。然而,蒸汽在煤中的渗流规律及其演化机理目前依然未知,探索上述问题对注热增产瓦斯工程具有重要的科学意义。【方法】采用稳态法进行了煤中注入高温蒸汽的渗流与热应变实验,研究了蒸汽渗透率和煤体热应变随时间的动态变化规律。采用Kelvin毛细凝聚理论、段塞流理论和热应力理论,分别分析了蒸汽在煤中的冷凝相变、脉动渗流和煤体热应变变化机制。【结果】高温蒸汽注入煤体过程中,随注热时间延长,蒸汽液测渗透率呈间歇性脉动规律。随蒸汽温度升高,脉动峰值降低,周期缩短,脉动更加剧烈。注热过程中,煤体径向、体积应变呈2~3段阶段式膨胀变化。蒸汽温度较低时,轴向应变为压缩应变,而温度较高时,转为膨胀应变。【结论】蒸汽在煤体微孔隙中的平衡压力小于大空间中的饱和蒸汽压,孔径越小,蒸汽冷凝所需压力越低,也越容易冷凝相变。蒸汽在煤体中产生的气液段塞流是造成其渗透率间歇性脉动的主要原因。此外,高温蒸汽对煤体渗透率还叠加了内外膨胀影响效应,导致大孔渗透率降低,基质小孔渗透率增大。蒸汽注入过程中,前期的快速膨胀应变,主要由孔隙压力控制,中后期的缓慢膨胀应变,主要由升温引起的热应变控制。研究结果为蒸汽热采瓦斯工程和数值模拟提供了事实依据和理论参考。 展开更多
关键词 瓦斯 蒸汽 温度 两相渗流 热应变 注热
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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
3
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。 展开更多
关键词 多尺度 动态 渗透率 扩散 微纳米孔
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基于覆岩破坏传递的超前自卸压区影响宽度研究 被引量：5
4
作者 席杰 王兆丰 +3 位作者 陈金生 李学臣 李艳飞 马雄伟 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第6期46-51,共6页
为确定超前自卸压区的宽度,将其更好地应用于边采边抽钻孔布置中,探讨影响超前自卸压范围的主要因素,揭示卸压区宽度与工作面超前支承压力的内在联系,根据压力拱曲线平移特性,提出在覆岩破坏传递过程中,冒落带随回采周期性垮落,造成超... 为确定超前自卸压区的宽度,将其更好地应用于边采边抽钻孔布置中,探讨影响超前自卸压范围的主要因素,揭示卸压区宽度与工作面超前支承压力的内在联系,根据压力拱曲线平移特性,提出在覆岩破坏传递过程中,冒落带随回采周期性垮落,造成超前支承压力重分布,简化工作面开采模型,推导计算卸压区宽度的理论新方法并进行现场试验验证。结果表明:通过实测采面前方顺层钻孔的瓦斯抽采纯量,确定超前自卸压区宽度为28~30 m;距工作面>20~40 m范围为卸压瓦斯高效抽采区,平均瓦斯抽采纯量0.074 m^(3)/min,为卸压前的3.89倍;考虑覆岩破坏传递的超前自卸压区宽度计算值为29.97 m。计算值与实测结果较吻合,验证该方法的可行性,为井下卸压区高效抽采提供借鉴。 展开更多
关键词 瓦斯抽采 超前自卸压区 摩尔库伦准则 采动煤体 覆岩破坏传递
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多尺度煤粒与瓦斯多尺度动扩散系数模型特征参数关系研究 被引量：6
5
作者 段正鹏 李志强 +2 位作者 陈向军 成墙 李国红 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2018年第6期97-102,共6页
为研究煤基质尺度对瓦斯扩散运移能力的影响,在实验室内开展了0.18~0.25 mm,0.25~1 mm,1~3 mm,3~6 mm,6~10 mm等5种不同尺度煤粒在不同初始吸附平衡压力下的瓦斯扩散实验。基于多尺度动扩散系数新模型,研究了煤粒尺度与多尺度动扩散系... 为研究煤基质尺度对瓦斯扩散运移能力的影响,在实验室内开展了0.18~0.25 mm,0.25~1 mm,1~3 mm,3~6 mm,6~10 mm等5种不同尺度煤粒在不同初始吸附平衡压力下的瓦斯扩散实验。基于多尺度动扩散系数新模型,研究了煤粒尺度与多尺度动扩散系数模型特征参数的关系。研究结果表明:新模型对全扩散过程的描述精度要好于经典模型,经典模型最大相对误差达18.4%,而新模型仅为3.9%;相同条件下,初始扩散系数D0值随着粒径的增大呈递增趋势,最大增大了45.3倍;扩散衰减系数β值随着粒径的增大呈递减趋势,最大衰减了89.8%。实验揭示了多尺度煤粒内的瓦斯多尺度扩散特征,大尺度煤粒包含了更大的外在孔隙,导致煤粒尺度越大,初始扩散系数D0值越大,但因大尺度孔隙占比较大,导致孔隙尺度级差变化较小,因而有较小的衰减系数β值;小尺度煤粒因具有较小的外在孔隙,其D0值较小,但因微小孔隙占比较大,且微小孔隙尺度级差变化较大,因而有较大的衰减系数β值。不同煤粒尺度的扩散特征参数D0和β值的这种变化特征反映了当前低渗煤层瓦斯抽采过程中初期抽采量大但衰减迅速的现象,也为瓦斯(煤层气)增产及稳产提供了储层改造方向。 展开更多
关键词 多尺度 粒径 扩散模型 动态 扩散系数
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不同温压下柱状煤芯瓦斯吸附饱和度和进扩散时间的确定 被引量：8
6
作者 李志强 成墙 +2 位作者 段正鹏 宋党育 温志辉 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2017年第7期92-99,共8页
为研究温度压力对吸附饱和度和进扩散时间的影响,以确定实验室内不同温压下原煤煤芯可接受的吸附饱和度和进扩散时间,建立了柱状煤芯瓦斯扩散模型,采用φ50mm×100mm的柱状煤芯开展了不同温压下的瓦斯扩散实验。经实验检验,模型能... 为研究温度压力对吸附饱和度和进扩散时间的影响,以确定实验室内不同温压下原煤煤芯可接受的吸附饱和度和进扩散时间,建立了柱状煤芯瓦斯扩散模型,采用φ50mm×100mm的柱状煤芯开展了不同温压下的瓦斯扩散实验。经实验检验,模型能很好描述原煤柱状煤芯的瓦斯扩散过程。计算了不同温压下柱状原煤煤芯达到不同吸附饱和度所需的吸附进扩散时间和不同时间的瓦斯质量浓度分布。结果表明:温度越高,扩散系数越大,吸附平衡时间越短;压力越高,扩散系数越小,吸附平衡时间越长。考虑实验精度要求和可接受时间,在30~40℃,瓦斯压力0.5~3MPa的范围内,建议渗流实验吸附饱和度为80%,吸附时间为6~8 d;精度要求较高的扩散实验,吸附饱和度为90%,吸附时间为10~12 d。 展开更多
关键词 瓦斯 柱状煤芯 扩散 吸附饱和度 模型
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不同注源气体置换-驱替煤层甲烷突破时间的差异性分析 被引量：9
7
作者 杨宏民 鲁小凯 陈立伟 《重庆大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第2期96-102,共7页
煤层注气促抽瓦斯是近年来逐步发展起来的强化抽采技术,注气突破时间是该技术的重要参数之一。突破时间是指注源气体从煤层一端注入到另一端检测出该组分所需的时间,它与注源气体的吸附性、渗透性有着密切的关系。为了研究渗透和吸附对... 煤层注气促抽瓦斯是近年来逐步发展起来的强化抽采技术,注气突破时间是该技术的重要参数之一。突破时间是指注源气体从煤层一端注入到另一端检测出该组分所需的时间,它与注源气体的吸附性、渗透性有着密切的关系。为了研究渗透和吸附对注气突破时间的影响规律,利用含瓦斯煤层注气模拟实验装置,进行了煤层注He,N_2和CO_2置换-驱替CH_4的实验室模拟实验。实验结果表明,不考虑煤对气体吸附性的纯渗流条件下,N_2和CO_2纯渗流突破时间极短,仅为总突破时间的5.93%和0.28%,表明气体吸附性能是引起总突破时间差异的主要因素;另外,随着注源气体吸附性增强,其总突破时间大幅度增加,He,N_2和CO_2的总突破时间分别为0.92,14,246 min。实验结果结合理论模型计算分析得出:注源气体吸附性越强,总突破时间越长,注气初期的置换效应越明显,但随着注源气体的吸附不断趋于饱和,其驱替效应逐渐增强。 展开更多
关键词 煤层注气 注源气体 置换-驱替效应 突破时间 差异性分析
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