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基于灰度共生矩阵和工业CT扫描的受载含瓦斯煤裂隙动态演化特征

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工程科学学报 2023年第1期45卷 31-43页

作者：王登科吴岩魏建平赵小龙张宏图朱传奇袁安营安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室淮南232001 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焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心焦作454000 中国石化胜利油田分公司东营257000

为研究受载含瓦斯煤在三轴压缩作用下的裂隙演化规律,利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统,开展了三轴加载条件下受载含瓦斯煤的工业CT扫描测试,获取了受载含瓦斯煤的应力-应变曲线和各变形阶段的CT扫描图形.运用图像分析软件对CT扫描... 详细信息

为研究受载含瓦斯煤在三轴压缩作用下的裂隙演化规律,利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统,开展了三轴加载条件下受载含瓦斯煤的工业CT扫描测试,获取了受载含瓦斯煤的应力-应变曲线和各变形阶段的CT扫描图形.运用图像分析软件对CT扫描数据进行了三维数字重建,实现了煤样内部裂隙的三维可视化和定量表征,并基于灰度共生矩阵(GLCM)理论分析了受载含瓦斯煤的裂隙动态扩展特征及规律.研究结果表明:瓦斯压力的存在一定程度上弱化了受载含瓦斯煤的力学性质,同时也加速了裂隙的扩展;受载含瓦斯煤二维裂隙先闭合后扩展,峰后快速扩展并形成连通二维裂隙网络;三维裂隙体积和裂隙密度呈现出先减小后增大的变化趋势,总体上可划分为裂隙压密闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙加速扩展贯通3个变化阶段;灰度共生矩阵分析中,对比度先减小后增大,能量和同质性先增大后减小,相关性呈现出单调递减趋势,准确描述了受载含瓦斯煤内部裂隙随应力增加不断变化的总体发展规律.

关键词：受载含瓦斯煤工业CT扫描裂隙动态演化灰度共生矩阵三维裂隙重建

温度和轴向变形耦合作用下受载含瓦斯煤渗流规律研究

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采矿与安全工程学报 2015年第1期32卷 168-174页

作者：魏建平吴松刚王登科李富仁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训基地安全科学与工程学院河南焦作454000 内蒙古太西煤集团股份有限公司兴泰煤矿内蒙古阿拉善盟750300

利用自主研发的三轴渗流实验装置,恒定围压和瓦斯压力条件,进行不同温度条件下的含瓦斯原煤渗流实验,模拟煤体变形中瓦斯渗流过程,建立了受载含瓦斯煤渗透性与温度和轴向应变的定性定量关系。结果表明:1)轴向应变对受载含瓦斯煤渗透率... 详细信息

利用自主研发的三轴渗流实验装置,恒定围压和瓦斯压力条件,进行不同温度条件下的含瓦斯原煤渗流实验,模拟煤体变形中瓦斯渗流过程,建立了受载含瓦斯煤渗透性与温度和轴向应变的定性定量关系。结果表明:1)轴向应变对受载含瓦斯煤渗透率的影响很大,受载含瓦斯煤屈服之前,渗透率随轴向应变的增加而降低,且降幅逐渐减小;失稳破坏后,渗透率剧增,最高增幅为769%。2)温度变化对渗透率的影响与受载含瓦斯煤所处的变形阶段密不可分,从实验角度说明了开采过程对含瓦斯煤渗流特性的影响分3个主导阶段,即基质外膨胀主导阶段、基质内膨胀主导阶段和滑脱效应主导阶段。3)建立了适合受载含瓦斯煤应变与温度共同影响下的渗透率计算公式k=(a T+b)εc T+d,该公式能很好地描述受载含瓦斯煤渗透率与应变和温度的关系。研究结果可以为瓦斯渗流规律的揭示和矿井瓦斯防治提供理论依据。

关键词：轴向应变温度受载含瓦斯煤渗透率

受载含瓦斯煤水气两相渗流规律与流固耦合模型研究

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受载含瓦斯煤水气两相渗流规律与流固耦合模型研究

作者：李明助河南理工大学

学位级别：硕士

煤层瓦斯既是威胁井下安全作业的重大危险因素,又是一种清洁的高热值能源。煤储层中水的存在使瓦斯的单相流动变为复杂的水气两相流,研究瓦斯和水的两相流对瓦斯抽采和煤层气开采具有重要意义。基于煤的孔隙裂隙双重特性,本文分析了煤... 详细信息

煤层瓦斯既是威胁井下安全作业的重大危险因素,又是一种清洁的高热值能源。煤储层中水的存在使瓦斯的单相流动变为复杂的水气两相流,研究瓦斯和水的两相流对瓦斯抽采和煤层气开采具有重要意义。基于煤的孔隙裂隙双重特性,本文分析了煤体的结构特征、瓦斯和水的赋存状态及瓦斯扩散机理,为深入研究水气两相渗流理论奠定了基础。本文中实验所用煤样取自山西晋煤集团苇町煤矿,利用自主设计的实验系统进行等温吸附实验和水气两相渗流实验,得出以下主要结论:①饱和水煤样的甲烷吸附量明显降低,Langmuir体积明显下降,Langmuir压力有所增加,随着平衡压力的增加,水分对甲烷吸附量的损害趋于减小并最终稳定。②根据水气相渗曲线,在等渗点右侧,水的相对渗透率远大于甲烷,水的流动占据主导作用;在等渗点左侧,甲烷的相对渗透率大于水,甲烷的流动占据主导作用,并且这种变化呈现非线性关系。③在残余水状态下甲烷相对渗透率趋于稳定时,甲烷的相对渗透率只有0.14.34,煤样中的水分对甲烷渗透率造成了极大的损害。④残余水饱和度在43.25%7.91%之间,水气两相共渗范围较窄,表现出低孔低渗的特征,显示出极强的亲水性。水气两相流动过程中,孔隙压力和饱和度的变化会导致孔隙度和相对渗透率的动态变化,基于煤体的Warren-Root模型,提出孔隙度动态模型和相对渗透率演化模型。煤体中液态水和瓦斯的流动都遵从广义达西定律,且吸附态瓦斯服从Langmuir平衡方程,游离态瓦斯服从气体状态方程,将上述方程代入连续性方程得到水相和气相的流动控制方程。根据多孔介质弹性理论,在太沙基有效应力原理的基础上,联立平衡方程、几何方程和本构方程,建立了考虑吸附作用的煤体变形场控制方程。渗流场方程和变形场方程相结合就是完整的受载含瓦斯煤水气两相流固耦合数学模型。利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对数学模型进行求解,得到了不同时刻孔隙压力、含水饱和度、孔隙度及相对渗透率的变化规律,研究结果显示:①原煤达到平衡状态所需要的时间远远大于型煤;②初期孔隙压力变化较大,后期趋于减小直至达到平衡状态;③通过对平衡状态下气相相对渗透率的分析,模拟结果和残余水状态下的实测气相渗透率具有较好的一致性。

关键词：受载含瓦斯煤水气两相渗流规律流固耦合数值模拟

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受载含瓦斯煤体破裂氡析出规律实验研究

受载含瓦斯煤体破裂氡析出规律实验研究

作者：王晓川河南理工大学

学位级别：硕士

随着我国矿井开采向深部延伸,煤层地应力、瓦斯压力增大,煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害愈加严重,迫切需要行之有效、安全可靠的预测预报方法。煤岩破碎过程中伴随着能量的耗散以及放射性核素氡的析出,因此,分析受载含瓦斯煤体氡析出规律... 详细信息

随着我国矿井开采向深部延伸,煤层地应力、瓦斯压力增大,煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害愈加严重,迫切需要行之有效、安全可靠的预测预报方法。煤岩破碎过程中伴随着能量的耗散以及放射性核素氡的析出,因此,分析受载含瓦斯煤体氡析出规律对测氡法预测煤与瓦斯突出具有重要的指导意义。论文通过实验室实验和现场测试相结合的研究方法对受载含瓦斯煤岩的氡析出规律进行了研究,包括:利用煤岩氡放射性测试实验系统对典型矿区煤体的放射性活度进行测量,分析了煤体放射性活度的影响因素;利用井下测氡实验系统对井下掘进工作面瓦斯浓度与氡浓度进行了初步监测,分析了不同采掘工序下瓦斯浓度与氡浓度的变化规律;利用实验室自行搭建的受载含瓦斯煤体破裂氡析出实验系统,对含瓦斯煤在三轴加载条件下,以不同的围压、瓦斯压力和温度进行了氡析出实验,取得了如下研究成果:(1)自行设计了受载含瓦斯煤体破裂氡析出三轴实验系统,并利用实验系统,结合含瓦斯煤在三轴加载条件下破裂过程中声发射特征以及应力应变特征,对含瓦斯煤受载破裂过程氡析出规律进行了研究。实验结果表明:氡析出浓度在四个破坏阶段的变化呈现先增大后较小然后又增大的趋势,最小出现在弹性变形阶段;分析了受载含瓦斯煤破裂氡析出规律的影响因素,氡析出浓度随着瓦斯压力的增大先增大后减小,随着围压的升高而增大,随温度的升高而降低。(2)利用煤体放射性活度测量实验系统对典型矿区煤体的放射性活度进行了测量,并结合煤体的工业值分析,分析了煤体放射性活度的影响因素。分析结果表明:煤体中放射性核素镭的含量随着变质程度的升高呈现降低的趋势,并且随着煤体中灰分含量的增加而增大。(3)利用氡气测量系统对鹤壁八矿3203采掘工作面进行了跟踪监测,通过对瓦斯浓度与氡浓度在不同采掘工序条件下的数据分析,并结合矿井资料,分析了井下氡浓度的影响因素,研究了瓦斯浓度与氡浓度在不同采掘工序的变化规律以及两者之间存在的关系,并讨论了测氡法预测煤与瓦斯突出的可能性,为测氡法预测煤与瓦斯突出提供依据。

关键词：氡受载含瓦斯煤煤与瓦斯突出放射性活度采掘工序

吸附气体对受载含瓦斯煤渗流特性影响的试验研究

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河南理工大学学报（自然科学版） 2013年第6期32卷 653-657页

作者：魏建平位乐王登科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河南焦作454000 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室(中国矿业大学) 江苏徐州211116

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩试验系统,进行了大量受载瓦斯煤的渗透特性室内试验,对比分析了CO2,CH4和N2的渗透率之间的异同.研究结果表明,在恒定瓦斯压力条件下,煤样渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;在恒定围... 详细信息

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩试验系统,进行了大量受载瓦斯煤的渗透特性室内试验,对比分析了CO2,CH4和N2的渗透率之间的异同.研究结果表明,在恒定瓦斯压力条件下,煤样渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;在恒定围压条件下,煤样渗透率随瓦斯压力的增加而减小,并且表现出幂函数变化规律;吸附性强弱不同的气体所表现出来的渗透性也不一样,气体吸附性越强,渗透性越弱;在轴向加载情况下,不同气体的渗透率都表现出先减小后增大的现象,并且具有一般的"V"字型变化规律.研究结果对深入认识煤层瓦斯运移规律具有一定的理论价值.

关键词：吸附气体受载含瓦斯煤渗流特性渗透率

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外水侵入对受载含瓦斯煤解吸的影响

煤矿安全 2018年第9期49卷 6-9,13页

作者：柳晓莉阚瞳刘康中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083

以钱家营矿5#煤层的煤样为试验煤样,利用自主研发的试验平台,进行了不同轴压、围压条件下含瓦斯煤自然解吸和外水侵入过程中瓦斯解吸的对比试验。结果表明:同样的试验条件下,外水侵入过程中煤样的瓦斯解吸量和解吸速率大于自然解吸煤样... 详细信息

以钱家营矿5#煤层的煤样为试验煤样,利用自主研发的试验平台,进行了不同轴压、围压条件下含瓦斯煤自然解吸和外水侵入过程中瓦斯解吸的对比试验。结果表明:同样的试验条件下,外水侵入过程中煤样的瓦斯解吸量和解吸速率大于自然解吸煤样的瓦斯解吸量和解吸速率,说明外水侵入促进了瓦斯的解吸。当轴压、围压在4~8 MPa的范围内,外水侵入过程和自然解吸过程中的瓦斯解吸量和解吸速率随着轴压、围压的增加逐渐增加,当轴压、围压大于8 MPa时,瓦斯解吸量和解吸速率随着轴压、围压的增加而逐渐减小。

关键词：外水侵入受载含瓦斯煤自然解吸瓦斯解吸量解吸速率

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

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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

作者：秦恒洁河南理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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

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考虑滑脱效应的受载含瓦斯煤渗流规律研究

考虑滑脱效应的受载含瓦斯煤渗流规律研究

作者：吴松刚河南理工大学

学位级别：硕士

随着采煤机械化水平的提高,开采的深度也在逐年增加,地应力、温度和瓦斯压力也在逐步增大,研究含瓦斯煤的渗流特性对于矿井瓦斯防治具有重要意义。本文以含瓦斯原煤为研究对象,利用自主研发的含瓦斯煤热-流-固-力耦合吸附-解吸-渗流实... 详细信息

随着采煤机械化水平的提高,开采的深度也在逐年增加,地应力、温度和瓦斯压力也在逐步增大,研究含瓦斯煤的渗流特性对于矿井瓦斯防治具有重要意义。本文以含瓦斯原煤为研究对象,利用自主研发的含瓦斯煤热-流-固-力耦合吸附-解吸-渗流实验系统,进行不同温度和孔隙压力影响下的受载含瓦斯煤渗流实验研究,结合理论分析,对温度和孔隙压力影响下的受载含瓦斯煤渗流规律做深入分析,同时研究含瓦斯煤渗流过程中的滑脱效应一般规律及考虑滑脱效应的临界条件,主要得出如下结论:(1)温度变化对受载含瓦斯煤渗透率的影响与其所处应力-应变阶段密切相关。在弹性变形阶段,渗透率随温度的升高而减小,煤体基质内膨胀起主导作用,本文所建孔隙率模型能很好的解释该现象;气体压力的增大使得温度对煤样渗透率的影响逐渐减小。(2)在弹性变形阶段,含瓦斯煤渗透率随着瓦斯压力的增加呈现先下降后趋于平稳的指数函数趋势。当瓦斯压力较低时,煤的吸附作用较强且煤骨架的吸附膨胀变形也较大,加之滑脱效应效应,导致渗透率下降非常明显;随瓦斯压力增加,煤的吸附作用逐渐趋于平衡,煤体骨架的吸附膨胀变形也越来越小,气体压力的变化引起的有效应力变化逐渐显现,渗透率的变化趋于平缓。(3)考虑滑脱效应的气体渗流方程能更好的描述该实验渗流过程,得到了含瓦斯煤滑脱效应的一般规律。通过实验研究和理论分析,得到考虑滑脱效应的临界瓦斯压力约为1.8MPa。

关键词：受载含瓦斯煤温度孔隙压力渗透率滑脱效应

基于CT扫描技术的受载含瓦斯煤裂隙扩展与渗透率动态演化规律研究

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基于CT扫描技术的受载含瓦斯煤裂隙扩展与渗透率动态演化规律研究

作者：曾凡超河南理工大学

学位级别：硕士

由于石油和天然气资源的短缺,煤炭和煤层气一直是我国重要的能源资源。我国煤层气资源储量丰富,有效开采煤层气不仅合乎我国的能源战略需要,更能带来巨大的环境效益及经济效益。但由于我国大部分煤层渗透率较低,阻碍了煤层气的收集和利... 详细信息

由于石油和天然气资源的短缺,煤炭和煤层气一直是我国重要的能源资源。我国煤层气资源储量丰富,有效开采煤层气不仅合乎我国的能源战略需要,更能带来巨大的环境效益及经济效益。但由于我国大部分煤层渗透率较低,阻碍了煤层气的收集和利用。而煤层的渗透性主要取决于裂隙系统的发育和开合程度,裂隙发育程度与煤层气产能大小密切相关,甚至直接影响着煤层气藏的品质与开采效益。因此,了解和描述煤的孔隙裂隙结构特征以及瓦斯渗流特性,对于定量分析煤中的瓦斯运移,进一步提高煤层气产量具有重要意义。本文以原煤煤样为研究对象,采用受载煤岩工业CT实验系统进行在线加载渗流实验,结合图像处理技术和分形理论,定量描述受载含瓦斯煤不同围压、不同气压下裂隙的动态演化过程,并结合煤样渗透率演化规律及应力-应变曲线特征,讨论CT损伤变量的演化趋势,建立基于CT损伤变量的受载含瓦斯煤峰前渗透率演化模型。最后根据CT扫描数据利用COMSOL Multiphysics软件模拟得到煤样渗透性变化规律和达西流速规律。围绕上述研究取得以下有益的研究成果:(1)受载含瓦斯煤的变形过程中,裂隙体积先减小后增大,表现出三个明显的变化阶段,即缓慢减小阶段、缓慢增大阶段和急剧增大阶段;欧拉数是表征煤体裂隙连通性的合适参数,与裂隙体积的变化趋势相似,裂隙率、裂隙密度和裂隙连通性经历了相同的三个变化阶段,定量地揭示了载荷作用下含瓦斯煤中载荷诱导裂隙的演化特征;用盒维数法计算的分形维数与裂隙参数(裂隙体积、裂隙率、裂隙密度和裂隙连通性)具有良好的线性关系,有效地反映了煤样不同变形阶段裂隙的几何复杂性。(2)受载含瓦斯煤渗透率演化规律和CT损伤变量存在良好的对应关系,两者均呈现先减小后增加的发展趋势,符合“U”字型变化规律;建立的峰前渗透性演化模型采用了不同的表达式反映了在不同加载阶段裂隙、孔隙对渗透率的影响,模型能较好地描述了不同围压和孔隙压力条件下煤样的渗透率变化情况,并且将受载含瓦斯煤的裂隙演化、损伤演化及渗透率演化结合了起来。(3)与CT扫描结果对比,采用插值法生成的各煤样在不同扫描阶段的三维裂隙分布模型具有较好的准确性与有效性;煤样的渗透率、达西速度的分布情况与孔裂隙分布规律相同,孔裂隙越发育的区域,渗透率越大,其达西速度也越大。本文采用数值模拟、实验室实验和理论分析相结合的方法对受载含瓦斯煤样的裂隙演化、损伤演化和渗流特性进行了相关研究,取得了以上研究结果,为今后受载裂隙煤体内部瓦斯流动机制、流动规律和煤层瓦斯抽采过程的可视化研究提供了可靠途径,并为瓦斯灾害防治、提高煤层气储量预测精度提供借鉴。图79幅,表22个,参考文献142篇。

关键词：受载含瓦斯煤工业CT 裂隙演化渗流特性损伤变量