本文關(guān)鍵詞：受載含瓦斯煤水氣兩相滲流規(guī)律與流固耦合模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：煤層瓦斯既是威脅井下安全作業(yè)的重大危險(xiǎn)因素,又是一種清潔的高熱值能源。煤儲(chǔ)層中水的存在使瓦斯的單相流動(dòng)變?yōu)閺?fù)雜的水氣兩相流,研究瓦斯和水的兩相流對(duì)瓦斯抽采和煤層氣開采具有重要意義。基于煤的孔隙裂隙雙重特性,本文分析了煤體的結(jié)構(gòu)特征、瓦斯和水的賦存狀態(tài)及瓦斯擴(kuò)散機(jī)理,為深入研究水氣兩相滲流理論奠定了基礎(chǔ)。本文中實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自山西晉煤集團(tuán)葦町煤礦,利用自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)和水氣兩相滲流實(shí)驗(yàn),得出以下主要結(jié)論:①飽和水煤樣的甲烷吸附量明顯降低,Langmuir體積明顯下降,Langmuir壓力有所增加,隨著平衡壓力的增加,水分對(duì)甲烷吸附量的損害趨于減小并最終穩(wěn)定。②根據(jù)水氣相滲曲線,在等滲點(diǎn)右側(cè),水的相對(duì)滲透率遠(yuǎn)大于甲烷,水的流動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)作用;在等滲點(diǎn)左側(cè),甲烷的相對(duì)滲透率大于水,甲烷的流動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)作用,并且這種變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系。③在殘余水狀態(tài)下甲烷相對(duì)滲透率趨于穩(wěn)定時(shí),甲烷的相對(duì)滲透率只有0.14~0.34,煤樣中的水分對(duì)甲烷滲透率造成了極大的損害。④殘余水飽和度在43.25%~77.91%之間,水氣兩相共滲范圍較窄,表現(xiàn)出低孔低滲的特征,顯示出極強(qiáng)的親水性。水氣兩相流動(dòng)過(guò)程中,孔隙壓力和飽和度的變化會(huì)導(dǎo)致孔隙度和相對(duì)滲透率的動(dòng)態(tài)變化,基于煤體的Warren-Root模型,提出孔隙度動(dòng)態(tài)模型和相對(duì)滲透率演化模型。煤體中液態(tài)水和瓦斯的流動(dòng)都遵從廣義達(dá)西定律,且吸附態(tài)瓦斯服從Langmuir平衡方程,游離態(tài)瓦斯服從氣體狀態(tài)方程,將上述方程代入連續(xù)性方程得到水相和氣相的流動(dòng)控制方程。根據(jù)多孔介質(zhì)彈性理論,在太沙基有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上,聯(lián)立平衡方程、幾何方程和本構(gòu)方程,建立了考慮吸附作用的煤體變形場(chǎng)控制方程。滲流場(chǎng)方程和變形場(chǎng)方程相結(jié)合就是完整的受載含瓦斯煤水氣兩相流固耦合數(shù)學(xué)模型。利用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,得到了不同時(shí)刻孔隙壓力、含水飽和度、孔隙度及相對(duì)滲透率的變化規(guī)律,研究結(jié)果顯示:①原煤達(dá)到平衡狀態(tài)所需要的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于型煤;②初期孔隙壓力變化較大,后期趨于減小直至達(dá)到平衡狀態(tài);③通過(guò)對(duì)平衡狀態(tài)下氣相相對(duì)滲透率的分析,模擬結(jié)果和殘余水狀態(tài)下的實(shí)測(cè)氣相滲透率具有較好的一致性。
【關(guān)鍵詞】：受載含瓦斯煤 水氣兩相 滲流規(guī)律 流固耦合 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：河南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD712
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-21
• 1.1 研究背景及意義11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-17
• 1.2.1 煤層瓦斯流動(dòng)理論研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2.2 流固耦合力學(xué)理論研究現(xiàn)狀14-15
• 1.2.3 受載含瓦斯煤水氣兩相滲流特性研究現(xiàn)狀15-17
• 1.2.4 存在的問(wèn)題17
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容17-18
• 1.4 論文技術(shù)路線18-21
• 2 煤儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)特征及水氣儲(chǔ)運(yùn)形態(tài)21-33
• 2.1 煤儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)特征21-23
• 2.2 瓦斯和水的賦存狀態(tài)23-29
• 2.2.1 瓦斯的吸附解吸機(jī)理24-25
• 2.2.2 等溫吸附理論25-28
• 2.2.3 煤吸附水的機(jī)理28
• 2.2.4 水分對(duì)瓦斯吸附特性的影響28-29
• 2.3 瓦斯在煤體中的擴(kuò)散機(jī)理29-30
• 2.4 水氣兩相滲流機(jī)理30-31
• 2.5 本章小節(jié)31-33
• 3 受載含瓦斯煤水氣兩相滲流特性實(shí)驗(yàn)研究33-49
• 3.1 煤樣制備及參數(shù)測(cè)定33-35
• 3.1.1 煤樣的制備33-35
• 3.1.2 煤樣參數(shù)測(cè)定35
• 3.2 飽和水煤樣的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)35-37
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容35-36
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析36-37
• 3.3 飽和水煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)37-41
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?/span>37
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置37-38
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟38-39
• 3.3.4 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析39-41
• 3.4 水氣兩相相對(duì)滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)41-47
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?/span>41
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)裝置41-43
• 3.4.3 實(shí)驗(yàn)步驟43
• 3.4.4 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析43-47
• 3.5 本章小節(jié)47-49
• 4 受載含瓦斯煤水氣兩相流固耦合滲流模型的建立49-63
• 4.1 基本假設(shè)條件49-50
• 4.2 氣液固耦合作用下的滲透率變化50-54
• 4.2.1 孔隙度動(dòng)態(tài)模型50-51
• 4.2.2 相對(duì)滲透率模型51-54
• 4.3 變形場(chǎng)控制方程54-56
• 4.3.1 太沙基有效應(yīng)力原理55
• 4.3.2 煤體變形場(chǎng)方程55-56
• 4.4 滲流場(chǎng)控制方程56-60
• 4.4.1 連續(xù)性方程56-57
• 4.4.2 氣相流動(dòng)控制方程57-59
• 4.4.3 水相流動(dòng)控制方程59-60
• 4.5 模型的定解條件60-61
• 4.5.1 變形場(chǎng)的定解條件60
• 4.5.2 滲流場(chǎng)的定解條件60-61
• 4.6 本章小節(jié)61-63
• 5 受載含瓦斯煤水氣兩相滲流數(shù)值模擬研究63-73
• 5.1 COMSOL Multiphisics介紹63-64
• 5.2 COMSOL Multiphysics建模過(guò)程64-66
• 5.3 模型求解及結(jié)果分析66-71
• 5.3.1 原煤試樣模擬結(jié)果分析66-68
• 5.3.2 型煤試樣模擬結(jié)果分析68-71
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證71
• 5.4 本章小節(jié)71-73
• 6 結(jié)論與展望73-75
• 6.1 主要結(jié)論73-74
• 6.2 展望74-75
• 參考文獻(xiàn)75-81
• 作者簡(jiǎn)歷81-83
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集83

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  本文關(guān)鍵詞：受載含瓦斯煤水氣兩相滲流規(guī)律與流固耦合模型研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：302822