受载含瓦斯气固耦合渗流规律实验及模型研究-秦恒洁

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含瓦斯煤流—固耦合渗流数学模型和数值分析

含瓦斯煤流—固耦合渗流数学模型和数值分析为了研究含瓦斯煤在流-固耦合作用下瓦斯渗流规律。

将基于多孔介质的有效应力原理引入含瓦斯煤岩的变形控制方程；考虑到煤岩骨架、气体的可压缩性，推导出了煤岩孔隙率、渗透率动态变化方程；根据质量守恒方程、达西渗流原理，并考虑瓦斯气体渗流中的滑脱效应，得到了改进的瓦斯渗流方程；以上方程就构成了含瓦斯煤岩流-固耦渗流控制方程。

采用多场耦合数值分析软件对瓦斯钻孔抽采过程进行数值模拟分析，得到了瓦斯压力、孔隙率以及渗透率的动态变化曲线，同时还分析了钻孔抽放压力、抽放时间、钻孔半径对突出煤岩内部瓦斯压力分布的影响，本文研究所得结论对深部开采条件下瓦斯灾害的防治具有积极作用。

标签：含瓦斯煤流-固耦合渗流数学模型数值分析1引言瓦斯渗流过程是一个复杂的过程，由于瓦斯压力的变化，一方面会引起煤岩骨架的变形，孔隙率、渗透率会发生变化；另一方煤岩自身的变形和孔隙率、渗透率的变化反过来会导致瓦斯压力的分布。

经过多年的发展，关于含瓦斯煤流-固耦合渗流的研究已经取得了大量成果。

本文基于已建立的含瓦斯煤岩流固耦合渗流控制方程，通过模拟含瓦斯煤岩瓦斯钻孔抽放过程，分析含瓦斯煤岩渗流场的变化规律。

2含瓦斯煤岩的变形控制方程2.1有效应力方程含瓦斯煤是一种多孔介质，其骨架的受力情况遵循太沙基（Terzaghi）有效应力原理。

式中：σij为总应力，MPa；σij，为有效应力，MPa；P为孔隙压力，MPa；为孔隙率。

2.2孔隙率和渗透率的动态变化方程孔隙率φ是指在多孔介质材料中，颗粒间的空隙体积VP与总体积V的比值。

孔隙率φ可以表示为：式中：VP0为初始空隙体积；ΔVP为空隙体积变化；V0为初始总体积；ΔV 为总体积变化；VS0为初始骨架体积；VS为骨架体积变化。

在恒温情况下，假设煤岩为完全弹性体，煤岩骨架体积应变ΔVS/VS0，全是由于瓦斯压力的改变ΔP引起的，因此有：式中：KS为煤岩骨架的体积模量，MPa。

加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究

加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究张保勇;赵国建;高霞;吴强【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2024(49)3【摘要】为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0.425~0.850(20~40目)、0.250~0.425(40~60目)、0.180~0.250 mm(60~80目);3种饱和度:40%、60%、80%)应变及渗透率,获取加卸载条件下应力–应变曲线确定煤体变形特征,分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律,通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征,基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。

研究表明:①饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂,总体而言,随着饱和度增加,渗透率降低百分比越大,堵塞程度越显著。

瓦斯水合物生成后,煤体渗透率明显降低,降低幅度为58.3%~83.3%(20~40目)、61.5%~95.0%(40~60目)、81.8%~90.9%(60~80目),随着饱和度增加,煤体渗透率整体呈降低趋势,下降幅度为55.6%~86.1%。

②煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段,煤体渗透率与应变具有一定相关性,并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势,二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。

③引入渗透率损失率,在相同水合物饱和度下,随着偏应力增加,煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。

④引入体积膨胀变形角,在相同偏应力差下,随着饱和度增加,煤体体积膨胀变形角由19.0°~63.9°降至0.2°~38.2°,说明水合物饱和度越低,煤体体积膨胀效应越显著。

煤体自然吸湿性的实验研究

［６］傅贵，陈学习，雷治平．煤体吸湿速度实验研究［Ｊ］．煤炭学报，１９９８，２３（６）：６３０—６３３．
ＦｕＧｕｉ，ＣｈｅｎＸｕｅｘｉ，ＬｅｉＺｈｉｐｉｎｇ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｉｅｓＯｎＷｅｔｔｉｎｇＲａｔｅＯｆＣｏａｌＣｈｉｎａＣｏａｌＳｏｃｉｅｔｙ，１９９８，２３（６）：６３０—６３３．
［１］姚金林，彭担任，裴晓东．综采＝亡作面注水防尘研究ＣＪ］．湖南科技大学学报，２００４，１９（４）：１０一１３．
ＹａｏＪｉｎｌｉｎ，ＰｅｎｇＤａｎｒｅｎ，ＰＥＩＸｉａｏｄｏｎｇＳｔｕｄｙｉｎｇ
ｏｎ
ｉｎｆｕｓｉｏｎａｎｄ
ｄｕｓｔ—ｐｒｏｏｆｉｎｇ
ｏｆｔｈｅｆｕｌｌ—ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｒａｉｎ－
Ｓｅａｍ［Ｊ］．Ｓａｆｅｔｙ
ＩｎＣｏａｌＭｉｎｅｓ，
１９９９（４）：３ｉ一３２．［３］何正勇，程国军，戴广龙．煤巷综掘工作面煤层注水防尘技术［Ｊ］．煤矿安全，２００７，３８（１）：１２一１５．
ＨｅＺｈｅｎｇｙｏｎｇ，ＣｈｅｎｇＧｕｏｊｕｎ，ＤａｉＧｕａｎｇｌｏｎｇ．ＴｈｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＯｆＳｅａｍＩｎｆｕｓｉｏｎａｎｄＤｕｓｔ—ｐｒｏｏｆｉｎｇＡｔＦｕｌｌｙ—ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄＡｄｖａｎｃｉｎｇ
我国煤矿主要采用井下开采，生产条件复杂，自然灾害多，尤其是煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害，因其突发性、灾害严重性给矿山工作人员生命和财产安全造成极大的威
胁。在１００个国有重点煤炭生产企业的６０９处矿井中，高瓦斯矿井占２６．８％，煤与瓦斯突出矿井占１７．６％。另外采掘过程中产生的粉尘严重威胁井下工作人员的健康安全，长期接触容易导致尘肺、矽肺职业病，且粉尘的爆炸危险也严重威胁煤矿的安全生产。煤层注水是解决上述灾害的一种有力措施，国内外学者在煤层注水防治突出、冲击矿压和煤尘方面开展了大量研究［１一】。但是目前对于煤体注水的研究主要集中在现场工程应用方面，实验室进行煤体吸湿性测试的较少，而这类实验测试是进行煤层可注性的基础资料。

煤和瓦斯突出的气固耦合机理及分析

Ｋｙｏｄ：ｏｌｇｓｂｒｇｓｉｃｕｌｇｔｍｔａｍｄｌｅｗｒｓｃａａｄｏｔｕｓａｓｌｏｐｉｍｈａｃｌｅｎａｕｔｏｄｎａｅｉｏ
ｃｎａｎｎｇｓａｂｄｉｅｍｅｔｍｅａｍｅｈｄｏｔｉｉｇｃｌｙｆｔｌｎｎａｏｏｉｅｎｅｕｒｌｔｏ
世界上第一次有记载的突出是１３年法国鲁阿雷煤田伊萨克８４矿井发生的。世界上最大的一次突出发生在１６年７月１日苏一９９３联加加林矿，在７０水平主石门揭穿厚仅１０ｍ的煤层时，突出１ｍ．３煤量１００，瓦斯２万ｍ。具不完全统计，世界上发生的突出已４ｔ０５３经超过４万次，突出的气体主要有Ｃ４Ｃ２等，突出超过千次的Ｈ，０
的现象。它是，伴有声响和猛烈力能效应的动力现象，它能摧毁井种
巷设施、破坏矿井通风系统，使井巷充满瓦斯和煤岩抛出物，造成人员室息，流埋人甚至可引起瓦斯爆炸与火灾事故，致生产中断等，煤导因此它是煤矿生产中最严重的灾害之一。
斯，斯和煤尘逆风流９０多米冲出平炯口，成１５人窒息死亡，瓦０造２伤１人的特大事故，２０年９月５日湖南省娄底市双峰县秋湖６０２

含瓦斯煤气固耦合作用在顺层双钻孔瓦斯抽采中的应用

第４１卷　第２期２０２１年３月西安科技大学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４１　Ｎｏ２Ｍａｒ．２０２１郭海军，唐寒露，王凯，等．含瓦斯煤气固耦合作用在顺层双钻孔瓦斯抽采中的应用［Ｊ］．西安科技大学学报，２０２１，４１（２）：２２１－２２９．ＧＵＯＨａｉｊｕｎ，ＴＡＮＧＨａｎｌｕ，ＷＡＮＧＫａｉ，ｅｔａｌ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇａｓｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｂｏｒｅｈｏｌｅｓａｌｏｎｇｃｏａｌｓｅａｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４１（２）：２２１－２２９．收稿日期：２０２０－０９－０２责任编辑：杨泉林基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１９０４３１０，５１８７４３１４，５１７７４２９２）第一作者：郭海军，男，河南商丘人，讲师，硕士生导师，Ｅｍａｉｌ：ｎａｖｙｃｕｍｔｂ＠１２６．ｃｏｍ通信作者：王　凯，男，河南遂平人，教授，博士生导师，Ｅｍａｉｌ：ｋａｉｗａｎｇｃｕｍｔ１９７２＠１６３．ｃｏｍ含瓦斯煤气固耦合作用在顺层双钻孔瓦斯抽采中的应用郭海军１，２，唐寒露１，２，王　凯１，２，吴昱辰１，２，武建国３，关联合３，徐　超１，２（１．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；２．中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京１０００８３；３．开滦（集团）有限责任公司，河北唐山０６３０１８）摘　要：为研究顺层双钻孔抽采过程中煤层瓦斯压力和渗透率的变化规律，将煤体视为双重孔隙结构介质，结合气体滑脱效应等因素的影响，建立了基于双孔结构特征的含瓦斯煤气固耦合作用模型，并通过有限元方法进行了数值解算分析。

结果发现，瓦斯抽采时，两钻孔之间区域的瓦斯压力下降幅度明显大于其他区域，而在两钻孔区域的外侧至研究区域的边界处均出现了较为显著的瓦斯压力梯度；当钻孔间距为５ｍ和１０ｍ时，同等条件下相较于钻孔间距为２ｍ和１５ｍ的情况，煤层渗透率相对较大，而且瓦斯抽采有效区域分布更为均匀。

含瓦斯煤固气耦合动力学模型及其应用研究

ｓｔｒａｉｎａｓｔｒａｎｓｆｅｒｖａｒｉａｂｌｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄＫｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇｏｎｔｈｅｃｏａ１．ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｓｅｔｓａｎｅｘａｍｐｌｅｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｂｅｄｄｉｎｇｂｏｒｉｎｇｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｉｎＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ．ａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｓｗｉｔｈｃｏａｌｓｅａｍｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａａｎｄｔｈｅＣＯＭＳＯＬ
ＬＩＵＪｕｎ，ＳＵＮＤｏｎｇ — ｌｉｎｇ，ＳＵＮＨａｌ — ｔａｏ，ＬＩＮＦｕ－ｊｉｎ ’
（１．ＣｈｉｎａＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｙｇｒｏｕｐＣｈｏｎｇｑｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３７ｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧａｓＤｉｓａｓｔｅｒＤｅｔｅｃｔｉｎｇ，ＰｒｅｖｅｎｔｉｎｇａｎｄＥｍｅｒｇｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，

应力_损伤_渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

第24卷第16期岩石力学与工程学报V ol.24 No.16 2005年8月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用杨天鸿1，徐涛1，刘建新1，唐世斌1，唐春安1，余启香2，石必明2(1. 东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110004；2. 中国矿业大学能源学院，江苏徐州 221008)摘要：根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。

应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。

模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。

这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。

关键词：采矿工程；含瓦斯煤；透气性；数值模拟；应力–损伤–渗流耦合中图分类号：TU 712+.52；O242 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)16–2900–06 COUPLING MODEL OF STRESS-DAMAGE-FLOW AND ITS APPLICATION TO THE INVESTIGATION OF INSTANTANEOUS SEEPAGE MECHANISM FOR GAS DURING UNLOADING IN COAL SEAM WITH DEPTHYANG Tian-hong1，XU Tao1，LIU Jian-xin1，TANG Shi-bin1，TANG Chun-an1，YU Qi-xiang2 ，SHI Bi-ming2(1. School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang110004，China；2. School of Energy，Chinese University of Mining and Technology，Xuzhou221008，China)Abstract：On the basis of basic theories of gas flow and coal deformation，the coupled gas-rock model for investigating the failure process of coal-rock is established by introducing the related equations governing the evolution of stress，damage and gas permeability along with the deformation of coal and rock. Implemented with rock failure and process analysis code (RFPA)，this model can be used to capture the evolution of gas permeability in coal seam at great depth and the distribution of gas pressure around the drilling hole，and explore the instantaneous seepage mechanism of gas flow. From the simulated results，it can be found that the coal seam，located around 67 m above the excavated seam，is under unloading state and its gas permeability dramatically increases about 2 000 times as that excavated in underlying coal seam，and the size of the unloading region is around 70 m in diameter. The simulated results are in good accordance with the in-situ results. Therefore，it is safe to say that this numerical tool is of significance in both theory and practice to investigate the evolved mechanisms of gas permeability and gas drainage.Key words：mining engineering；gaseous coal；gas permeability；numerical simulation；coupling of stress- damage-flow收稿日期：2005–03–11；修回日期：2005–04–16基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490270)；国家自然科学基金重点项目(50134040)；国家自然科学基金资助项目(50204003，50174013)；中国博士后基金项目(2003034333)作者简介：杨天鸿(1968–)，男，博士，1991年毕业于中国矿业大学地质系水文地质专业，现任教授，主要从事岩石水力学和边坡工程方面的教学与研究工作。

煤层气开采中的热—湿—流—固耦合机理研究

煤层气开采中的热—湿—流—固耦合机理研究煤层气是清洁能源的重要组成部分,是推动能源生产和消费革命的重要载体。

在我国,煤层气资源储量丰富,但储层环境复杂,导致煤层气开采效率低下。

煤层气开采是多物理场耦合作用的过程,随着开采工作的深入和特殊工艺的发掘,温度场、湿度场、渗流场和变形场等之间的交叉耦合作用越来越明显,成为严重制约我国煤层气产业发展的重要因素。

因此,开展煤层气开采中的多场耦合问题研究具有重要的科学背景与工程意义。

本文针对煤层气储层的结构特征和气体的储存与运移特点,综合运用试验测试、理论分析和数值模拟等科学方法,深入探讨了煤层气在运移和开采过程中的热-湿-流-固多场耦合机理。

取得了以下主要进展和结论:(1)原煤的渗透率随气压指数增大,随围压指数减小,但随温度的演化呈现不同趋势。

针对平顶山矿、长治矿和金佳矿的原煤试样,开展了围压、气压和温度耦合下的气体渗透行为试验研究。

结果显示,渗透率随气压的增大呈指数增大趋势。

低围压下,指数增长形式明显;高围压下,增长形式趋于线性。

渗透率随围压的增大呈指数减小趋势。

当围压较低时,煤样渗透率对围压变化非常敏感,渗透率随着围压的增大迅速减小,随后趋于稳定。

原煤的渗透率随温度的升高大多呈减小趋势,但也有出现先减小后增大的趋势。

(2)分别建立热开裂、热挥发、热吸附和热膨胀等物理过程的理论模型并进行实验验证,从本质上揭示了热-湿耦合下渗透率演化的微观机理。

基质热开裂促进基质中微孔的增生,增大基质渗透率,同时导致基质整体膨胀,降低裂隙渗透率。

建立裂隙水膜的挥发模型,阐明水分挥发直接作用于裂隙网络,从而增大裂隙渗透率的物理机制。

气体热解吸导致基质收缩,增大双渗透率。

煤的热膨胀抑制基质-裂隙双渗透率。

(3)提出一种新型双孔渗透率模型,理论上将渗透率随温度的演化形式分为三大类;定义热刺激指标KT,可有效评价温度对渗透率的刺激效果。

理论推导了包含热-湿-流-固耦合效应的基质-裂隙双孔渗透率模型,统一描述了大量渗透率试验结果,并对渗透率演化的类型进行归纳和评价。

含瓦斯煤thm耦合模型及实验研究

含瓦斯煤thm耦合模型及实验研究瓦斯煤矿是一种常见的煤矿类型，其中含有大量的天然气。

天然气在煤矿中的存在导致了许多安全问题，如煤矿瓦斯爆炸等。

为了有效预测和控制这些安全问题，研究人员开发了瓦斯煤thm（温度-气体浓度-机械）耦合模型，并进行了相应的实验研究。

瓦斯煤thm耦合模型主要考虑了煤体温度、瓦斯浓度和矿石力学变形之间的相互作用。

该模型基于物理规律和实验数据，通过对煤体温度、瓦斯浓度和矿石力学变形的数学描述，来模拟和预测煤矿中瓦斯爆炸的发生概率和危险程度。

瓦斯煤thm耦合模型的基本原理是当煤体温度升高时，瓦斯浓度也会相应增加。

这是由于煤体温度升高会引起煤中的瓦斯释放，进而增加瓦斯浓度。

同时，煤体的力学变形也会对瓦斯浓度产生影响。

当煤体受到压力或位移等作用时，会引起煤体内部的微量裂缝扩展，从而导致瓦斯的泄漏和聚集。

因此，煤矿中的瓦斯爆炸风险与煤体温度、瓦斯浓度和矿石的力学变形密切相关。

为了验证瓦斯煤thm耦合模型的准确性和可行性，研究人员进行了一系列的实验研究。

这些实验主要包括煤矿瓦斯爆炸模拟实验、煤体力学变形实验和瓦斯释放实验等。

煤矿瓦斯爆炸模拟实验是对瓦斯爆炸过程进行模拟和分析的实验。

实验通过控制煤体温度、瓦斯浓度和矿石力学变形等因素，模拟煤矿中的爆炸过程，并记录相关数据和现象。

这些实验数据可以与瓦斯煤thm耦合模型的预测结果进行比对，从而验证模型的有效性。

煤体力学变形实验是利用力学测试设备对煤体进行压力或位移加载，观察和测量煤体的变形情况。

这些实验可以通过不同的加载方式和加载参数，模拟和分析煤矿中煤体力学变形的特征和规律。

实验数据可以为瓦斯煤thm耦合模型提供力学变形的参数和边界条件。

瓦斯释放实验是通过煤样的采集和室内实验，研究和分析煤体中瓦斯释放的规律和机理。

实验通常在不同温度和压力等条件下进行，记录煤体中瓦斯释放量随时间的变化。

通过实验数据的分析和处理，可以获得煤体中瓦斯释放的特征和相关参数，进而为瓦斯煤thm耦合模型提供输入数据。

受载含瓦斯气固耦合渗流规律实验及模型研究-秦恒洁

全日制硕士学位论文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Study on Gas Seepage Law of Coal Containing Gas and Gas-Solid Dynamic Coupling Model Considering Adsorption and Desorption申请人姓名：秦恒洁指导教师：魏建平教授王登科副教授学位类别：工学硕士专业名称：矿业工程研究方向：瓦斯灾害预测与防治河南理工大学安全科学与工程学院二○一四年六月河南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文：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，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。

其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。

本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。

学位论文作者签名:年月日河南理工大学学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。

保密的学位论文在解密后适用本授权。

学位论文作者签名：导师签名：年月日年月日图分类号：TD713 密级：公开UDC：622 单位代码：10460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Study on Gas Seepage Law of Coal Containing Gas and Gas-Solid Dynamic Coupling Model Considering Adsorption and Desorption申请人姓名秦恒洁申请学位工学硕士学科专业矿业工程研究方向瓦斯灾害预测与防治导师魏建平职称教授王登科职称副教授提交日期2014年6月答辩日期2014年6月2日河南理工大学致谢求学七载矿业高教发源地，谨记一生天高地厚导师恩！本文是在恩师魏建平教授悉心指导和关怀下完成的，没有导师的指导、鼓励及资金上的大力支持，论文不可能顺利完成。

含瓦斯煤thm耦合模型及实验研究

含瓦斯煤thm耦合模型及实验研究
以含瓦斯煤THM耦合模型及实验研究为题，让我们一起探索这一领域的研究成果和进展。

瓦斯煤THM（热-水力-力学）耦合模型是研究煤矿瓦斯运移和煤岩变形的重要工具。

该模型结合了瓦斯流动、煤岩变形和热传导等多个物理过程，能够模拟真实煤矿中的复杂耦合作用。

通过对煤矿中不同参数的变化进行模拟，可以预测煤矿瓦斯爆炸和煤层变形等灾害的发生概率，为煤矿安全生产提供科学依据。

为了验证瓦斯煤THM耦合模型的准确性和可行性，许多实验研究被开展。

这些实验主要分为室内实验和现场实验两类。

室内实验通常在实验室中进行，通过人工制备的煤岩样品进行研究。

实验中，研究人员会模拟不同的地质条件和工程环境，对煤岩样品施加不同的温度、压力和湿度等载荷，然后观察煤岩的变形和瓦斯的运移情况。

通过与模型预测结果进行比对，可以评估模型的精度和可靠性。

现场实验则在真实的煤矿中进行，研究人员会选择一定规模的煤矿进行监测和实验。

在这些实验中，研究人员会对煤矿中的瓦斯运移和煤岩变形进行实时监测，获取大量的实验数据。

通过分析这些数据，可以验证瓦斯煤THM耦合模型在实际工程中的适用性，并指导煤矿的安全生产。

通过瓦斯煤THM耦合模型及实验研究，我们可以更好地理解煤矿中瓦斯运移和煤岩变形的规律，为煤矿安全管理和灾害防治提供科学依据。

瓦斯煤THM耦合模型的研究成果不仅可以应用于煤矿行业，还可以为其他地下工程的设计和施工提供参考。

通过不断深入的研究和实验，我们相信瓦斯煤THM耦合模型将在未来发挥更大的作用，为地下工程的安全和可持续发展做出贡献。

受载含瓦斯煤渗透性影响因素分析_魏建平_李波_王凯_王登科

应力加载系统应力传感器
3
有效应力对煤体渗透率影响
由图 3 可知，煤样渗透率随有效应力的增大而
减小，呈现出负指数变化关系，这与现场实际情况相一致。在应力集中区煤体透气性降低，在卸压区煤体透气性增加，因此在进行瓦斯抽采时，要取得良好的效果，应采取卸压增透措施以提高抽采量。大量实验研究表明，煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，吸附等温线服从朗格缪尔方程，而煤分子间、煤分子与气体分子间相互作用的引力越大及煤体表面积越大，煤体表面张力和吸附气体的能力也就越大，煤分子和气体分子之间的吸附能力就越强，即 a，b 值越大。当气体分子被煤体分子吸附后，煤体表面张力降低，体积发生膨胀变形。实验温度的升高和降低，引起煤样温度变化，从而在煤体产生热膨胀变形。热膨胀包括内向膨胀和外向膨胀。内向膨胀主要是由于外力约束的原因，煤体温度升高所产生的热膨胀变形只能产生内向膨胀，致使微孔隙或裂隙变窄。外向膨胀是指煤体环境温度升高后，将产生热膨胀应力，当临界有效应力小于热膨胀应力时，外围约束受到限制，煤
第 31 卷第 2 期 2014 年 03 月文章编号：1673-3363-(2014)02-0322-061
采矿与安全工程学报 Journal of Mining & Safety Engineering
Vol.31 No.2 Mar. 2014
受载含瓦斯煤渗透性影响因素分析
魏建平 1，李波 1,2，王凯 2，王登科 1
第2期
魏建平等：受载含瓦斯煤渗透性影响因素分析
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pore pressure of coal sample appear V-shape relationship while considering the Klinkenberg effect. According to experimental results, the critical value of pore pressure while Klinkenberg effect occuring were obtained when the confining pressure are 2.0 MPa and 3.0 MPa respectively. Meanwhile, the relationship between the temperature and permeability isn’t the monofonic function under different effective stress, but exists a turning point in the curve. Permeability increases with the increase of temperature and presents outward expansion in the low stress areas, while it decreases with the increase of temperature and presents inward expansion in the high stress areas. Finally, the permeability calculation formula under the combined impact of pressure and temperature was proposed. Key words loaded gas-bearing coal mass；permeability；confining pressure；pore pressure；effective stress；influencing factors 煤层瓦斯渗透率是反映煤层内瓦斯渗流难易程度的物性参数，是瓦斯(煤层气)抽采的重要参数之一。煤层瓦斯渗透率影响因素较多，除了煤体结构参数外，地应力、孔隙压力是其变化的主要敏感因素，但随着埋藏深度的增加，地温也逐渐增高，温度对渗透率的影响也不可忽视。国内外学者对渗透率进行了大量的研究，并取得了丰硕的研究成果，文献[1-3]分别研究了应力对岩体渗透率、应力对煤体瓦斯解吸量和有效应力对渗透率的影响规律；文献[4-5]分别进行了地应力和瓦斯压力对突出煤瓦斯渗透特性影响的试验研究，得到了突出煤渗透率随地应力和瓦斯压力的变化规律；文献[6]根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论，对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行数值模拟；文献[7] 利用电液伺服岩石力学试验系统对煤样进行了全应力、应变过程的渗透特性试验研究，得出了煤样渗透性与主应力差、轴向应变和体积应变的关系方程；文献[8]通过设计渗透性测试系统研究了型煤的渗透特性，得出了在加卸载过程中型煤透气性交化所服从的函数关系；文献[9-10]对无围压条件下，岩土渗透率与温度和应变的关系进行了理论研究，但未明确提出应力影响下的渗透率与温度的关系；文献[11]研究了瓦斯压力、围压和全应力-应变过程对煤岩渗透性的影响，探讨了煤岩在不同载荷工况条件下的渗透特征，但总体上没有考虑温度效应。本文利用自主研制的含瓦斯煤热 - 流 - 固 - 力耦合实验装置，以实验为基础，以受载含瓦斯煤体为研究对象，分析不同受载阶段、不同孔隙压力和不同温度条件下煤体渗透特性，在考虑吸附变形量、孔隙气体压缩量和温度内外膨胀变化量的基础上，探讨受载煤体在不同工况条件下的渗透特征，分别建立受载煤体渗透性与有效应力、孔隙压力和温度之间的定性定量关系，为煤矿瓦斯治理和矿井瓦斯抽采 1.2 实验系统实验系统是自主研制的含瓦斯煤热 - 流 - 固 - 力耦合实验装置，实验设备可以模拟研究在不同温度条件下不同地应力(围压、轴压)和孔隙压力作用时的煤样瓦斯渗透特性。如图 2，该装置由加载系统、三轴压力室、孔隙压力控制系统、数据测量系统、真空抽取系统和温度控制系统等组成。该设备主要技术参数：① 轴向应力控制范围：0~150 MPa；② 围压控制范围：0~30 MPa；③ 孔隙压力控制范围：

不同围压与饱和度下含瓦斯水合物煤体能量变化规律

不同围压与饱和度下含瓦斯水合物煤体能量变化规律祝威;高霞;张保勇;吴强【期刊名称】《煤田地质与勘探》【年(卷),期】2024(52)4【摘要】突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。

基于三轴压缩试验获取的偏应力-应变曲线,计算并分析不同围压(12、16、20MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。

研究表明:(1)含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大,外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能,在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。

(2)当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%,其临界破坏点总能量不断增大,增幅分别为120.30%和81.60%,储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大,增幅分别为174.89%和110.73%,含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压,越不容易破坏。

(3)能耗比随着轴向应变增加匀速增大,饱和度50%和80%时,临界轴向应变随围压的增加而增大,但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。

(4)围压16、20MPa下,储能极限随着储能系数的增加而增大,储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。

(5)煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力,提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能,整体提升幅度21.11%~42.11%,有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。

研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律,可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

【总页数】14页(P21-34)【作者】祝威;高霞;张保勇;吴强【作者单位】黑龙江科技大学安全工程学院;黑龙江科技大学建筑工程学院【正文语种】中文【中图分类】TD713【相关文献】1.含瓦斯水合物煤体不同孔隙饱和度试验研究2.常规三轴压缩下含瓦斯水合物煤体能量变化规律研究3.高饱和度下含瓦斯水合物煤体的应力-应变关系因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

气固耦合作用下温度对煤瓦斯渗透率影响规律的实验研究

第１第４４卷期
２０年１０８２月
地质力学学报
ＪＵＡＦＧＯＯＲＮＬＯＥＭＥＨＡＣＣＮＩＳ
Ｖｏ．４Ｎ．１１ｏ４
Ｄｅ．２００８ｃ
文章编号：１０．６６（０８４０７—７０６６１２０）０－３４０
１实验系统及实验步骤
１１实验系统．
本实验系统在具有自主知识产权的三轴渗透仪装置基础上，加入温度控制系统形成。实验系统包括加压系统、稳压系统、瓦斯压力供给系统、温度控制系统、气体测量系统。实验系统及实验装置如图１、图２所示。煤样轴压及围压由手动试压泵通过六通阀供给，加压后通过稳压器（自制）保持压力稳定；孔隙压力通过气体压力调节阀调节，孔隙压力、围压及轴压数值由Ｃ１０精密数字压力表读出，精度０２；在三轴渗透仪上安装加热棒对煤样ＷＹ０．级
０引言
煤层气又称煤层瓦斯，在世界大部分地区由于 “ 高储低渗 ”的特性，一直为各国研究学者所关注。煤层气的抽放开采，不仅可以缓解我国能源短缺的问题，又可以有效防治矿井瓦斯事故，同时保护大气环境。在煤层气成藏和开采过程中，煤层渗透率是影响瓦斯在煤层中的吸附量、解吸渗流量、渗流速度、抽放难易程度及煤与瓦斯突出强度的重要参数。目前，
收稿日期：２０．９１０８０．８

饱和水含瓦斯煤气水两相渗流特性试验研究

饱和水含瓦斯煤气水两相渗流特性试验研究随着人类在科技和生态可持续发展的高速发展的背景下，未来的能源转换需要更多的渗流特性的研究和应用。

由于它让我们能够更好地改善洋流和污染物运动，从而改善水资源利用和环境保护。

在本次研究中，我们就要进行以下饱和水含瓦斯煤气水两相渗流特性的研究，为了更深入的挖掘和解析渗流的机理和特性，分析它们在洋流的影响，而且有效利用它们。

饱和水含瓦斯煤气水两相渗流是指渗流特性是水和瓦斯煤气混合物，它们存在于流体中，其特征是水分与煤气分子之间的离子间存在着一定的力学耦合作用。

在饱和水含瓦斯煤气水两相渗流特性研究中，主要是对渗流特性进行定量测定和分析，分析渗流比率、流量和水力学特性以及其他物理渗流特性。

在本次实验中，我们采用的是渗流和渗透试验装置，其中包括电脑控制的饱和渗流装置，分别用来测量渗流特性，以及配备有测量渗透系数的装置，用来测量物质在不同渗滤过程下的渗透性。

测量渗流特性，我们首先从水温、渗流比率、压力以及溶液浓度等参数出发，然后根据这些参数，测量渗流比率。

接着，我们还要测定渗透系数，以及一个系统的流量和流速，以便对渗流特性和流体流行有进一步的了解。

在本次研究当中，我们还要考虑由渗流比率和压力耦合的多参数分布情况和非均匀性，帮助研究变量的控制，以及与渗流环境相关的安全问题。

最后，我们要就得出的实验数据进行有效性分析，求出渗流特性模型，以及各参数下的物理渗流特性，以便更加有效地应用，改善水资源利用和环境保护。

综上所述，本次饱和水含瓦斯煤气水两相渗流特性试验研究的目的在于探究和揭示渗流特性，尤其是两相流的渗流特性的机理和特征，以及流体的洋流和污染物含量的影响，以及运用模型分析建立渗流特性模型，有效利用水资源，改善环境保护，为人类的可持续发展做出贡献。

河南省教育厅关于批准2014年河南省优秀博士、硕士学位论文的决定

河南省教育厅关于批准2014年河南省优秀博士、硕士
学位论文的决定
文章属性
•【制定机关】河南省教育厅
•【公布日期】2015.05.04
•【字号】教研〔2015〕302号
•【施行日期】2015.05.04
•【效力等级】地方规范性文件
•【时效性】现行有效
•【主题分类】教育综合规定
正文
河南省教育厅关于批准2014年河南省优秀博士、硕士学位论
文的决定
教研〔2015〕302号各研究生培养单位：
2014年河南省优秀博士、硕士学位论文评选工作已经全部完成。

经公示，现批准《金属有机配合物用作后合成修饰与晶态分子容器的研究》等15篇博士学位论文为2014年河南省优秀博士学位论文；《反应堆类四边形子通道内超临界水流动传热特性研究》等149篇硕士学位论文为2014年河南省优秀硕士学位论文。

评选全省优秀学位论文是综合反映学位授予单位研究生教育水平的重要标志。

质量是研究生教育的生命线，追求质量、内涵发展是研究生教育最核心、最本质的要求。

各学位授予单位要采取切实可行的措施，加强学科建设和导师队伍建设，完善质量保障和监督机制，不断提高研究生培养质量。

附件：
1.2014年河南省优秀博士学位论文名单（以学位授予单位代码排列）
2.2014年河南省优秀硕士学位论文名单（以学位授予单位代码排列）
河南省教育厅
2015年5月4日附件1
2014年河南省优秀博士学位论文名单
（以学位授予单位代码排列）
附件2
2014年河南省优秀硕士学位论文名单。

流固耦合条件下含瓦斯煤岩力学响应特性及渗流规律研究

摘要煤矿开采过程中，作用在煤岩体上的应力由于工程扰动发生重新分布，其受力路径表现为轴向应力的加载和围压的卸载；同时，由于流体的流动使得煤岩体受到应力场和渗流场的耦合作用。

因此，本论文以原煤和砂岩为研究对象，基于自主研制的“煤岩热流固耦合试验系统(THM-2)”开展了不同加卸载条件下含瓦斯原煤岩的力学特性及渗流规律的试验研究，探讨了不同加卸载速率条件下含瓦斯煤岩的强度、变形及渗透率等变化规律；分析了瓦斯压力对砂岩破坏准则的影响并提出了瓦斯压力作用条件下的修改型H-B强度准则，以此作为煤岩破坏的强度判据。

本文的主要研究成果如下：①开展了加卸载条件下含瓦斯原煤力学特性及渗流演化规律的试验研究。

试验结果表明：含瓦斯煤的力学特性与加卸载速率关系密切。

煤样破坏时的峰值应力σ1、轴向应变ε1和环向应变ε3均随加卸载速率比n的增大呈线性关系增大，体应变εv的变化则相反。

不同加卸载速率比条件下含瓦斯煤的变形模量变化规律大致相同，加卸载速率比n越小，变形模量则越大，且煤样达到峰值应力时，渗透率也越大。

②开展了砂岩在不同加卸载速率条件下力学特性的试验研究。

试验结果表明：砂岩的峰值应力、破坏时的轴向应变及环向应变均随轴向应力加载速率Vσ1的增加呈线性关系增大，随初始围压的升高呈指数型函数关系增大。

定义不同初始围压条件下砂岩从屈服阶段到峰值应力处所产生的轴向应变随时间的变化率为Δε1，砂岩进入屈服阶段后，Δε1随Vσ1的增加而增大，这表明轴向应变快速增大，且增大的速率随Vσ1的增加而增大。

③开展了常规三轴加载条件下瓦斯压力对砂岩力学特性影响的试验研究。

试验结果表明：瓦斯压力对砂岩的峰值应力和弹性模量起到了弱化作用，瓦斯压力条件下砂岩的峰值应力随围压的升高呈非线性关系增大。

运用抛物线型Mohr强度准则、Hoek-Brown(H-B)强度准则对砂岩在瓦斯压力作用下的非线性强度特征进行研究，提出了考虑瓦斯压力作用条件下的修改型H-B强度准则，并以此作为含瓦斯煤岩破坏的强度判据。