煤層
關(guān)注創(chuàng)建者：康康學(xué)長(zhǎng) 創(chuàng)建時(shí)間：2022-02-26
煤層的視頻教程
COMSOL中實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯運(yùn)移系列課程
本課程主要分為兩大塊，第一塊基于實(shí)驗(yàn)室煤粒瓦斯解吸擴(kuò)散，此擴(kuò)散模型又細(xì)化為雙孔擴(kuò)散、單孔擴(kuò)散、單孔時(shí)變擴(kuò)散，并以此擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建煤層瓦斯運(yùn)移模型。第二塊為基于煤層中煤與瓦斯流固耦合模型，講解煤層瓦斯抽采過程中煤巖體的滲透率的演化，此模型也適應(yīng)煤層氣、頁巖氣開采。本文改進(jìn)已有的單孔介質(zhì)模型的滲透率，適應(yīng)于煤體雙重孔隙-裂隙介質(zhì)模型。
￥199 4小時(shí)13分鐘 12685播放
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跨斷層煤層開挖采空區(qū)受降雨影響發(fā)生斷層錯(cuò)動(dòng)及采空區(qū)塌陷對(duì)上部輸油管道的影響
復(fù)現(xiàn)論文為《跨越斷層的鋼制埋地管道響應(yīng)數(shù)值模擬研究》，在此基礎(chǔ)上增加了煤層采空區(qū)對(duì)上部地層的影響，在降雨作用下，地質(zhì)參數(shù)弱化導(dǎo)致采空區(qū)地層塌陷；根據(jù)該模型，可從斷層位移量、管道內(nèi)壓、管道徑厚比、管道腐蝕以及管道埋深等角度進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)輸油管道等生命線的力學(xué)失效機(jī)理進(jìn)行研究:創(chuàng)新點(diǎn)及工作量足夠的情況下可發(fā)SCI三區(qū)或中文核心，以及相關(guān)碩士畢業(yè)論文，在教程中有一步步根據(jù)論文進(jìn)行復(fù)現(xiàn)以及參數(shù)推導(dǎo)的過程
￥368 1小時(shí)30分鐘 174播放
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熱流固THM耦合下注氣驅(qū)替甲烷案例分析
該課程主要講解煤層中注入二氧化碳，實(shí)現(xiàn)驅(qū)替甲烷，增加煤層開采率的理論。本案列為復(fù)現(xiàn)一區(qū)SCI論文，涉及到二氧化碳與煤層之間的競(jìng)爭(zhēng)吸附關(guān)系，以及涉及到三場(chǎng)耦合，即煤層變形控制方程、溫度控制方程、滲流擴(kuò)散方程。
￥499 2小時(shí)5分鐘 1352播放
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煤層的實(shí)例教程
煤層頂板（coal seam roof），是指正常層序的含煤地層剖面中覆蓋在煤層上面的巖層。
目前在大多數(shù)煤礦的開采過程中，都采用放頂煤開采。
放頂煤采煤法是在開采厚煤層時(shí)，沿煤層的底板或煤層某一厚度范圍內(nèi)的底部布置一個(gè)采高為2～3m的采煤工作面，用綜合機(jī)械化方式進(jìn)行回采，利用礦山壓力的作用或輔以松動(dòng)爆破等方法，使頂煤破碎成散體后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出，并由刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出工作面。
因此，需要對(duì)煤層頂板的垮落進(jìn)行仿真分析研究。
abaqus中的剪切損傷模型+DP塑性準(zhǔn)則可以很好的模擬煤層頂板的垮落破壞，但計(jì)算時(shí)容易產(chǎn)生不收斂問題。
abaqus中的顯式動(dòng)力學(xué)不存在不存在收斂性問題。
所以，剪切損傷模型+DP塑性準(zhǔn)則+顯式動(dòng)力學(xué)=完美的煤層頂板仿真模擬。
模擬效果如下：
視頻連接：
仿真任務(wù)說明書：
計(jì)算任務(wù)描述：模擬在煤層巷道開挖后，煤層頂板的垮落情況。
仿真計(jì)算所采用的設(shè)備基本情況：華碩四核筆記本電腦，酷睿i5處理器，2G內(nèi)存。
計(jì)算模型的處理技術(shù)：將實(shí)際的三維地質(zhì)情況，假定為平面應(yīng)變彈性力學(xué)問題；對(duì)煤層頂板的力學(xué)行為假定為彈性-DP塑性-剪切損傷。
計(jì)算機(jī)的耗時(shí)情況：5min。
仿真結(jié)果：在煤層巷道開挖后，煤層頂板可以完全垮落，放頂采煤效果100
展開 本案例提出一種增強(qiáng)瓦斯開采的方法，即煤層注入CO2，增強(qiáng)甲烷開采的方法(CO2-ECBM)。在雙碳減排大背景下，煤層中注入CO2，一方面可以將其封存煤層中，減少其排放到大氣中；另一方面，利用CO2和甲烷之間的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用，CO2的吸附性大于甲烷的吸附性，這樣可以驅(qū)替甲烷，進(jìn)而增強(qiáng)瓦斯開采。此方法的技術(shù)難點(diǎn)具有以下幾方面：一、煤層中注入CO2，涉及到雙組分，氣體運(yùn)移更復(fù)雜；二、煤層的滲透率、孔隙率方程增添由CO2吸附擴(kuò)散引起的變化項(xiàng)；三、涉及到的物理場(chǎng)增多，方程更復(fù)雜，數(shù)值求解中模型收斂性很難。
本文構(gòu)建的物理場(chǎng)方程來自已公開發(fā)表的文獻(xiàn)，對(duì)于具體的數(shù)值求解方法，限于篇幅，會(huì)做出一部分解釋，主要從CO2-ECBM的機(jī)理角度出發(fā)。首先構(gòu)建模型的物理場(chǎng)方程，如圖1。該物理場(chǎng)方程主要分為氣體擴(kuò)散對(duì)流方程、溫度場(chǎng)方程、煤體變形控制方程，其中還有一些輔助方程，如滲透率方程、孔隙率方程等。煤體的有效應(yīng)力方程考慮了基質(zhì)、裂隙中的孔壓，基質(zhì)變形引起的應(yīng)力、煤層溫度變化引起的熱應(yīng)力。同時(shí)在煤體變形控制方程中，考慮有效應(yīng)力變化的煤體變形方程。煤體的對(duì)流擴(kuò)散方程分為擴(kuò)散項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)。此過程，將裂隙和基質(zhì)假設(shè)為一個(gè)整體，在這個(gè)整體上獲得統(tǒng)一的CO2與甲烷的對(duì)流擴(kuò)散方程，其中該系統(tǒng)的源項(xiàng)為0。溫度場(chǎng)需要考慮煤層本身的傳熱以及內(nèi)部對(duì)流換熱與基質(zhì)、煤體變形引起的溫度變化。將三個(gè)物理場(chǎng)方程耦合解算，是該數(shù)值模擬的一個(gè)難點(diǎn)。本案列選擇多物理場(chǎng)求解工具COMSOL,其在多場(chǎng)求解方面廣泛應(yīng)用。
圖1 CO2-ECBM物理場(chǎng)方程
COMSOL中求解步驟主要為參數(shù)、變量設(shè)置，幾何模型設(shè)置，物理場(chǎng)設(shè)置，網(wǎng)格劃分，求解器設(shè)置，后處理。參數(shù)變量設(shè)置中，需要把CO2-ECBM耦合方程中，相關(guān)的參數(shù)、變量設(shè)置到全局參數(shù)中。同時(shí)把一些物理場(chǎng)方程用到的變量設(shè)置到局部變量中。
展開 在高 壓水射流擾動(dòng)后，打破原始儲(chǔ)層的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，使多孔介質(zhì)所受有效應(yīng)力 發(fā)生改變，煤巖的孔隙度和滲透率也隨時(shí)間推移而不斷發(fā)生改變，煤層中原有瓦 斯運(yùn)移狀態(tài)被打破。煤儲(chǔ)層中瓦斯的吸附、解吸過程也會(huì)引起煤的膨脹變形和基 質(zhì)收縮。因此，研究水射流擾動(dòng)煤層后的瓦斯運(yùn)移產(chǎn)出過程，必須要綜合考慮應(yīng) 力場(chǎng)、變形場(chǎng)和瓦斯?jié)B流場(chǎng)三場(chǎng)互相耦合作用。
基本假設(shè) 瓦斯在煤儲(chǔ)層中的運(yùn)移產(chǎn)出是一個(gè)涉及多學(xué)科的及其復(fù)雜過程，包括滲流力 學(xué)、固體力學(xué)、材料力學(xué)、巖體力學(xué)等，需要引入必要的假設(shè)作為建立流-固耦合 偏微分方程的基礎(chǔ)。本文根據(jù)前人對(duì)流-固耦合理論的不斷研究，為建立含瓦斯煤 巖流-固耦合理論模型提出如下假設(shè)條件：
(1)含瓦斯煤巖可視為各向同性線彈性介質(zhì)；
(2)將煤層視為均質(zhì)，即煤層中各部分物理性質(zhì)處處相同，并不隨著位置的變 化而變化；
(3)煤層溫度保持恒定；
(4)煤層中所含瓦斯視為理想氣體，且服從理想氣體狀態(tài)方程；煤層瓦斯解吸 服從 Langmuir 方程；
(5)煤巖的變形屬于小變形，含瓦斯煤巖變形所產(chǎn)生的應(yīng)變與有效應(yīng)力之間的 關(guān)系遵從廣義胡克定律；
(6)煤層中只有單相飽和的瓦斯飽流體，并且只有游離和吸附兩種狀態(tài)；
(7)設(shè)模型與外界隔絕，不發(fā)生任何形式的能量和物質(zhì)交換。
求解結(jié)果
孔隙率數(shù)學(xué)模型
滲透率演化數(shù)學(xué)模型
應(yīng)力場(chǎng)方程
滲流場(chǎng)方程
含瓦斯煤巖流-固耦合理論模型方程組
數(shù)學(xué)模型嵌入
應(yīng)力場(chǎng)嵌入
展開 微波能量可以通過波導(dǎo)和天線導(dǎo)入煤層，首先，由底板巷向煤層施工瓦斯抽采鉆孔；然后，將波導(dǎo)與天線連接并和抽采管一起放入鉆孔內(nèi)；天線與鉆孔壁之間安裝特氟龍護(hù)管；最后密封鉆孔，打開微波發(fā)生器后實(shí)施瓦斯抽采。微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波通過矩形波導(dǎo)、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器及同軸波導(dǎo)傳遞到鉆孔內(nèi)的天線處，并由天線向煤層輻射注熱，一方面，微波輻射熱效應(yīng)提高了煤體溫度，瓦斯氣體大量解吸；另一方面，微波輻射改變了煤體物性結(jié)構(gòu)，煤層含水飽和度大大降低，煤體孔隙率、滲透率迅速提高，從而極大地促進(jìn)了瓦斯抽采。由于煤基質(zhì)是微波透明體，而煤中水分是微波吸收體，利用微波的穿透性對(duì)水進(jìn)行選擇性加熱決定了其比注熱水或熱蒸汽更加節(jié)能，更加經(jīng)濟(jì)。
煤儲(chǔ)層的微波注熱增產(chǎn)示意圖
煤層內(nèi)的瓦斯運(yùn)移涉及煤體變形、氣體滑移、吸附導(dǎo)致的基質(zhì)收縮/膨脹、及熱傳遞，研究瓦斯運(yùn)移必須兼顧各物理場(chǎng)的交互耦合。溫度是影響煤體變形及瓦斯運(yùn)移的關(guān)鍵。瓦斯賦存具有極強(qiáng)的溫度敏感性；煤的異質(zhì)性可能會(huì)引發(fā)不均勻受熱從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力會(huì)引起煤體形變并改造滲透率；煤體升溫會(huì)驅(qū)使氣體從煤基質(zhì)中解吸出來并處于一種自由、活躍狀態(tài)。溫度的升高會(huì)促使瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，微波熱改造會(huì)導(dǎo)致煤層溫度及含水率的改變，從而觸發(fā)復(fù)雜的氣-固耦合作用。近年來，眾多學(xué)者為定量表征煤層氣開采中復(fù)雜的氣-固耦合過程已建立了一系列數(shù)值模型，然而涉及微波電磁-熱耦合效應(yīng)的煤儲(chǔ)層滲透率模型罕有報(bào)道。本模型的首先通過介質(zhì)損耗將電磁場(chǎng)與傳熱場(chǎng)聯(lián)立起來以實(shí)現(xiàn)微波注熱，這是一個(gè)雙場(chǎng)雙耦合過程；然后，通過熱膨脹耦合模塊、熱流動(dòng)耦合模塊、熱解吸效應(yīng)、吸附膨脹效應(yīng)建立起滲透率模型并將傳熱場(chǎng)、固體力學(xué)場(chǎng)及滲流場(chǎng)耦合起來，這是一個(gè)多場(chǎng)耦合過程；最終建立起一個(gè)電磁-熱-流-固全耦合模型。
展開 煤層瓦斯運(yùn)移主要涉及到基質(zhì)中瓦斯解吸、擴(kuò)散、裂隙中瓦斯?jié)B流，涉及到的物理場(chǎng)為煤層變形方程、多孔介質(zhì)擴(kuò)散滲流方程、煤層溫度方程、甲烷氧化方程等。這些方程在COMSOL中，均有對(duì)應(yīng)的物理場(chǎng)接口，用COMSOL研究煤層中瓦斯運(yùn)移或者研究實(shí)驗(yàn)室中煤柱、煤粒中甲烷運(yùn)移都是很方便的。接下來幾個(gè)帖子，我會(huì)按照建模的順序以此介紹主要設(shè)置，方便大家更好地了解COMSOL的基本使用，以期在科研學(xué)習(xí)上幫助大家。COMSOL是一款多物理場(chǎng)求解軟件，能講多個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算，其界面十分友好。由于其功能復(fù)雜性，本次系列教程只針對(duì)早煤層瓦斯運(yùn)移中常用的設(shè)置做出一些介紹，本次教程以COMSOL5.6版本為例。
首先，打開COMSOL5.6，需要新建立一個(gè)模型。可以選擇模型向?qū)Щ蛘呖漳Ｐ停阅Ｐ拖驅(qū)槔＿x擇模型向?qū)ВM(jìn)入選擇空間維度，根據(jù)自己的模型需要選擇三維、二維、一維等。在二維模型和一維模型中，還可以選擇對(duì)稱，可以只對(duì)對(duì)稱的一半進(jìn)行建模，這樣可以減少計(jì)算內(nèi)存和運(yùn)行時(shí)間。進(jìn)入物理場(chǎng)選擇環(huán)節(jié)，根據(jù)需要的物理場(chǎng)方程選擇對(duì)應(yīng)的物理場(chǎng)接口。比如，研究瓦斯在煤層中的滲流情況，可以選擇地下水流達(dá)西定律接口，還可選擇裂隙流、brinkman方程等。物理場(chǎng)選擇完成后，進(jìn)入研究選項(xiàng)。一般選擇瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)研究，按照字面意思理解，瞬態(tài)即場(chǎng)變量隨時(shí)間變化情況，穩(wěn)態(tài)即場(chǎng)變量不隨時(shí)間變化。對(duì)于瓦斯流動(dòng)，一般選擇瞬態(tài)研究。
圖1 COMSOL選項(xiàng)介紹
圖2 COMSOL界面介紹
圖3 菜單欄
以上環(huán)節(jié)選擇完畢后，進(jìn)入到COMSOL的主界面，如圖2。COMSOL截面主要分為4大區(qū)域：菜單欄、功能區(qū)、設(shè)置、圖形處理。首先從菜單欄介紹，菜單欄分為主屏幕、定義、幾何、草圖、材料、物理場(chǎng)、網(wǎng)格、研究、結(jié)果等，可以查看不同子菜單對(duì)應(yīng)的功能。如主屏幕，可以查看組件、新建參數(shù)變量、添加材料等。
展開 
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煤層的最新內(nèi)容
畫flac3d的9個(gè)月前
有關(guān)三軟煤層防塌孔預(yù)留管的圖
1、 建立模型
建立4m*3m*0.1m的聚氨酯傳熱模型如下：
三維模型
其中：
1、模型整體寬4m，高3m，厚0.47m，其中聚氨酯厚0.1m，煤/封閉墻厚度為4m；
2、聚氨酯內(nèi)部溫度測(cè)點(diǎn)位于聚氨酯形心，外表面溫度測(cè)點(diǎn)位于外側(cè)面中心；
3、煤/封閉墻的溫度測(cè)點(diǎn)位于聚氨酯接觸面中心向己側(cè)0.05m；
4、煤與聚氨酯接觸處增加溫度測(cè)點(diǎn)。
2、 網(wǎng)格劃分
1.地質(zhì)建模與資源評(píng)估
3DEXPERIENCE平臺(tái)可幫助地質(zhì)學(xué)家高效管理鉆孔數(shù)據(jù)，并對(duì)復(fù)雜的煤層及地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行精確建模和量化，如斷層、褶皺等。同時(shí)，3DEXPERIENCE平臺(tái)能基于物理、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)模型，構(gòu)建煤礦地質(zhì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維模型。
展品范圍：
◆煤礦智能化無人開采：智慧煤礦、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)控制、5G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，機(jī)器人、智能化裝備等與現(xiàn)代煤礦開發(fā)技術(shù)設(shè)備；
◆煤礦礦山生產(chǎn)設(shè)備：采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶機(jī)、大深高薄綜合開采裝備與技術(shù)、綜合開采工作面智能化裝備、刨煤機(jī)、螺旋鉆采煤機(jī)、薄煤層智能自動(dòng)化綜合開采裝備技術(shù)等；
◆煤礦運(yùn)輸設(shè)備：井下運(yùn)輸設(shè)備與配件
氮?dú)怛?qū)替煤層瓦斯是一種常用的安全措施，用于減少煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。煤層瓦斯是在地下煤礦中產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w，其主要成分是甲烷。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^一定范圍時(shí)，與空氣形成可燃?xì)怏w混合物，一旦受到火源的引燃，就有可能引發(fā)爆炸事故。為了減少煤礦瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，常采用氮?dú)怛?qū)替的方法。該方法通過向煤礦中注入大量的氮?dú)猓瑢⑼咚古懦龅V井，并將其稀釋到安全濃度以下。
無聲預(yù)兆
1.煤層結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面表現(xiàn)為：煤層層理紊亂，煤變軟、變暗淡、無光澤、煤層干燥、煤塵增大，煤層受擠壓褶曲、變粉碎、厚度不均，傾角變化。
2.礦山壓力顯現(xiàn)方面表現(xiàn)為：壓力增大使支架變形；煤壁外鼓，片幫、冒頂次數(shù)增多，底鼓嚴(yán)重；炮眼變形快，裝藥困難，打炮眼時(shí)易頂鉆、卡鉆、噴鉆、垮孔。
3.其他方面表現(xiàn)為：瓦斯涌出量忽大忽小；煤塵增大；空氣氣味異常，忽冷忽熱。
Simpack入門實(shí)操及工程案例演練
https://www.yqgqt.org.cn/video/c37224
否
熱流固THM耦合下注氣驅(qū)替甲烷案例分析
https://www.yqgqt.org.cn/video/c176876
是
COMSOL中實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯運(yùn)移系列課程
[3] 李慶亮.扁平電纜在薄煤層采煤機(jī)中的應(yīng)用研究[J].煤礦機(jī)械,2020,41(2):137-139.
[4] 胡文芳.電纜引入裝置通用封堵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2022,43(5):144-146.
[5] 于丹,顏偉.煤礦井下避災(zāi)路徑規(guī)劃研究綜述[J].中國(guó)煤炭,2022,48(2):40-47.
液化煤層氣
中國(guó)是世界煤炭生產(chǎn)大國(guó)，煤層氣相應(yīng)的儲(chǔ)藏量也很大，儲(chǔ)藏量和天然氣基本一樣。其基本成分是甲烷。它除了是廉價(jià)的化工原料外，主要作為燃料使用，它不僅作為居民的生活燃料，而且還被用作汽車、船舶、飛機(jī)等交通運(yùn)輸工具的燃料。由于煤層氣熱值高，燃燒產(chǎn)物對(duì)環(huán)境污染少，被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)潔凈燃料。
壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，簡(jiǎn)稱CNG）是天然氣加壓并以氣態(tài)儲(chǔ)存在容器中。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭開采已進(jìn)入深部煤層
