《科技文献检索及利用》课程报告

成绩 评定

重庆大学研究生

《科技文献检索及利用》课程报告

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课 题 中文：高应力矿井瓦斯运移规律模拟研究 名 称 英文：High simulation research on mine gas migration law 选 题 来 源 科研项目 学习选题 √ 兴趣选题 需要查证的内容要点： 1、了解国内外瓦斯运移研究现状及难点； 2、了解国内深矿井开采技术现状及技术难点； 3、了解Comsol multiphysics在模拟瓦斯抽采过程中瓦斯运移方面的应用； 信息调4、分析深矿井影响瓦斯渗流规律的因素； 研要点 5、研究开采深度的增加对瓦斯运移造成的影响； 6、地热在深矿井内变化规律及测量； 7、热固流耦合模拟技术及其发展； 8、温度对煤层中瓦斯解吸率的影响规律； 9、建立深矿井瓦斯运移与地应力、地热温度等因素的物理计算模型。 信息调研方法 √常规检索法 √ 引文法 √ 实地考察 访谈法 文 献 信 息 检 索 检索 范围 1、CNKI《中国学术文献总库》1999年 --- 2015年5月 2、万方《中国学位论文库》1999年--- 2015年5月 3、维普《中国科学引文数据库》1999年--- 2015年5月 4、《EI Engineering village 2》1970年--- 2015年 5、《ISI Web of science》1999年--- 2015年 6、《AGU Journals》1997年--- 2015年 7、《Elsevier SD》1999年--- 2015年 8、《SpringerLink》1999年--- 2015年

文 献 1、检索词（中文／英文） （1）多物理场耦合(comsol)/comsol （2）深矿井/coal mining in deep mine （3）高地应力/ high stress 检索 （4）煤矿/ coal mine 词和 （5）瓦斯/ gas （6）运移/methane gas migration 信 检索 （7）解吸/ desorption 息 检 索 式 （8）吸附/ adsorb 2、检索式 (1)and((2)+(3))and((4)+(5))and((6)+(7)+(8))

[1]胡社荣, 彭纪超, 黄灿, 等. 千米以上深矿井开采研究现状与进展[J]. 中国矿业, 2011, 20(7): 105-110.

【摘要】要借鉴国外深部矿产开采的理论与技术措施的经验,厘清国外深部开采矿山(井)的基本情况应该是首要的问题;同样,研究中国大陆的深部矿产开采也是一样。通过国外超千米金属矿山和一些国家的煤矿开采情况的梳理,基本厘清了20世纪80年代初,联邦德国煤矿开采深度已达1443m;80年代中期,国外开采深度超千米的金属矿山至少有79座;到90年代,已达80多座;目前为百座以上。1977年,我国赵各庄煤矿开拓水平深度达1056.7m;1990年,开采深度达1056.8m ,开拓深度达1154.5m。目前,山东省新汶孙村矿开采深度达1350m;国

文 献

检

内开采深度超千米的矿井至少17座。这些深矿井主要分布于大兴安岭-太行山以东,秦岭-大别山以北地区。这一研究,对于我国21世纪以来关于深部资源勘探与开采的设题研究的进一步决策,具有很重要的意义.

[2]胡千庭, 孟贤正, 张永将, 等. 深部矿井综掘面煤的突然压出机理及其预测[J]. 岩土工程学报, 2009 (10): 1487-1492.

【摘要】针对淮南矿区深部矿井丁集煤矿煤的突然压出区域瓦斯地质特征,分析了综掘面煤的突然压出摩擦滑动失稳力学机制,并研究得出了其预测敏感指标钻屑量及、钻孔瓦斯涌出初速度及衰减系数的临界值。创新性地提出了采用孔深系数预测以地应力为主导作用的低指标突出,并可提高预测准确率,在试验区

信 息 检 索

索 结 果

近3000m巷道掘进过程中,预测不突出危险率87%,不突出准确率100%,其研究成果对类似矿井异常瓦斯动力灾害治理具有重要借鉴作用。

[3] 许灿荣. 基于COMSOL的近距离下保护层开采瓦斯流动模型[D]. 河南理工大学, 2012.

【摘要】采用数值模拟方法对保护层工作面上覆岩层和被保护层应力分布、瓦斯运移规律进行深入研究，并利用平面应变压缩实验得出了煤应力作用下煤体渗透性特征。结合瓦斯卸压流动理论，构建了基于COMSOL的近距离下保护层开采瓦斯流动耦合模型;利用COMSOL Multiphysics软件求解得到整个流场瓦斯分布与运移规律，并实现了结果的可视化；利用该模型对豫西矿区不同覆岩条件下保护层开采效果进行预测。

[4] 陆秋琴. 地下煤矿瓦斯运移数值模拟及积聚危险性评价研究[D].西安建筑科技大学, 2010.

【摘要】应用LBM对地下煤矿瓦斯运移进行模拟计算并对瓦斯积聚的可能性进行评价,掌握地下煤矿瓦斯运移规律,为矿山安全管理提供决策依据。 [5] 高尔新, 邸建友, 狄燕涛. 矿井深度对甲烷气体解吸量影响规律研究[J]. 煤炭技术, 2014, 7: 093.

【摘要】 根据新汶矿业集团孙村煤矿13#煤层的地质资料及实验室分析,运用数值计算软件拟合出了孙村煤矿地温与深度的关系式,并在此基础上根据实验室实验得出了该煤层甲烷气体的解吸量与矿井深度的关系式。

文 献 信 息 检 索

[6] 戚灵灵, 彭信山, 王兆丰, 等. 基于 COMSOL 模拟的无烟煤合理吸附平衡时间研究[J]. 煤矿安全, 2015, 46(3): 51-53.

【摘要】 通过Comsol软件建立模型,模拟瓦斯在煤内的吸附扩散过程,从而研究

无烟煤达到吸附平衡所需时间。研究表明,对于无烟煤,标准中规定的吸附平衡4 h检

并不足以使瓦斯完全吸附在煤的孔隙中,测试无烟煤的瓦斯吸附常数时,应延长索

其吸附平衡时间。 结 果

[7] 丁厚成. U+ L 型通风采空区瓦斯运移数值模拟与实验研究[J]. 自然灾害学报, 2012, 21(6): 192-198.

【摘要】依据渗流理论和质量守恒定律，建立综采采空区瓦斯运移方程并在矿区验证；从数值模拟和实验结果证明采用FLUENT 数值模拟方法研究采空区瓦斯运移规律是合理可行；U+L型通风可明显降低工作面和上隅角瓦斯浓度。 [8] 王魁军, 张兴华. 中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景[J]. 中国煤层气, 2006, 3(1): 13-16.

【摘要】 回顾中国煤矿瓦斯抽采技术的发展历程,介绍了近年来煤矿瓦斯抽采新技术的发展,较详细地阐述了适合于中国煤层瓦斯赋存条件的几种典型抽采方法,并对中国的瓦斯抽采技术的发展趋势做出了展望。

[9] 韩磊. 热流、固耦合模型的瓦斯抽采模拟[J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2013 (12): 1605-1608. 【摘要】 根据煤体变形和瓦斯渗流的基本理论,同时考虑温度效应影响,建立含瓦斯煤解吸、吸附作用的热流、固耦合模型.应用该模型模拟研究了初始温度不同的煤层在瓦斯抽采过程中煤层温度的演化规律及抽采孔周围瓦斯压力和瓦斯含量的变化规律,其结果对于深入理解瓦斯抽采作用机理并采取相应的瓦斯预防和控制措施具有重要的理论和实践意义. [10] 韦善阳, 马科伟, 李波波. 基于 COMSOL-Multiphysics 研究煤与瓦斯突出[J]. 煤, 2010, 5: 006. 【摘要】 文章分析多物理场耦合分析软件——COMSOL- Multiphysics在研究煤与瓦斯突出方面的可行性和优越性,并指出其实现方式和技术路线。介绍新的研究煤与瓦斯突出的工具和提出研究煤与瓦斯突出的另一个视角。 [12] Zhao, Chongbin,Valliappan, S, Finite element modelling of methane gas migration in coal seams[J] Computers & Structures,1995,55(4):625-629. 【摘要】本文从相关的物理原理对煤层瓦斯运移控制方程进行推导，介质形变、两相流及固气转化等影响因子也纳入分析范围。由于方程本身具有复杂性及非线性性质，本文将提出有限元法，用以解决甲烷气体在多孔介质的迁移问题。此外, 本文给出了相关的有限元公式详细推导过程。 [13] D. Jasinge, P.G. Ranjith, S.K. Choi，Effects of effective stress changes on permeability of latrobe valley brown coal[J].Fuel, 2011 :1292-1300. 【摘要】本文利用重组煤炭标本与自然煤的对比实验探究了地应力增大及煤体肿胀是如何影响煤层的透气性的，结果表明当应力增加时，重组煤的透气性与自然煤的透气性相当。

[14] Beamish, B Basil,Crosdale, Peter J, Instantaneous outbursts in underground coal mines: An overview and association with coal type. International Journal of Coal Geology, 1998. 【摘要】本文从煤矿粒径大小，煤体压力大小等方面讨论了煤层瓦斯解吸速度的快慢，以及对瓦斯解吸速度对瓦斯爆炸的影响。 [15] Kulatilake. Investigation of stability of a tunnel in a deep coal mine in China[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2013. 【摘要】利用3DEC软件建立模拟周围的高应力条件下的3D矿道，通过该技术检验不同形状的深矿井抗高应力效果。 文 献 检 [16] Valliappan, S,WOHUA, Z, numerical modeling of methane gas migration in dry coal seams[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1996. 【摘要】本文建立了一个煤层瓦斯运移规律的数学模型，主要焦点是固体煤的索 气体流动和变形之间的耦合，并研制出的一种有限元模型模拟煤层中瓦斯运移结 压力和浓度的分布。 果 [17] Zhou, Hongwei, Numerical simulation of gas flow process in mining-induced crack network[J]. International Journal of Mining Science and Technology,2012. 【摘要】本文建立了基于煤矿综采工作面的二维物理模型模拟瓦斯流动，并应用comsol-physics对矿井缝隙内的瓦斯运移进行多场模拟以研究其运移规律。 [18] C.Ö. Karacan, Numerical analysis of the influence of in-seam horizontal methane drainage boreholes on longwall face emission rates[J].International Journal of Coal Geology, 2007, 15-32. 【摘要】本研究利用动态3D储层建模调查了不同的甲烷水平排水钻孔模式,井眼长度和脱气时间在减少瓦斯排放方面的效果，本研究的结果表明,双和三方水井更有效地减少排放。 信 息 检 索

[19]C.F Rodrigues, M.J Lemos de Sousa,The measurement of coal porosity with different gases[J].International Journal of Coal Geology, 2002, Pages 245-251. 【摘要】本文利用不同分子大小的气体（氦气、氮气、二氧化碳和甲烷）吸附度测定了煤的孔隙度。实验证明氦气、氮气对煤孔隙度测量的影响微小，可忽略不计，二氧化碳影响最大，可导致煤体膨胀，甲烷对煤体孔隙度的影响不可 逆转，因此不容忽视。 [20] LI Pei-chao, Department of Mechanics and Mechanical Engineering[C].University of Science and Technology of China,2003. 文 检 【摘要】将基于多孔介质的有效应力原理引入流、固耦合渗流中 ,并根据平衡条件得出了应力场方程 ;充分分析流、固耦合渗流的物理特性 ,建立起孔隙度和渗透率动态模型 ;依据流体力学连续性方程 ,考虑流、固耦合情形下多孔介质骨架变形特性和流体的可压缩性 ,得到了孔隙流体的连续性方程 ,即渗流场方程。 [21]ZIENKIEWICZOC ,Dynamic behavior of saturated porous media: the generalized Biot formulation and its numerical solution[J].Int. J. Num. And Analy. Meth in Geomech, 1984. 【摘要】本文对多孔介质的基本运动方程相关的变量和近似值进行了探讨，并论述了其替代形式和它们相对效率的解决方案。 献 信 息 检 索 索 结 果 [22] M.A.Biot,New Variational-Lagrangian Irreversible Thermodynamics with Application to Viscous Flow, Reaction ,Diffusion and Solid Mechanics[J].Advances in Applied Mechanics, 1984. 【摘要】本文基于虚拟耗散的原则提供了一个全面展现热力学不可逆过程的视图方法。

（本栏填写所采用的其他方法如：访谈法、实地考察法等收集信息的结果） 其他 一、 实地考察 信息 重庆松藻煤矿矿井实地考察。 收集 信息分析：（着重针对课题的研究现状、研究热点、重要的研究人员、有价值的文献、发展趋势等进行综述） 1、研究现状 瓦斯抽采是煤矿采矿工作安全进行的重要保障环节，由于其无色无味的物理性质，目前对瓦斯抽采工作的研究热点集中于综采工作面、采空区以及上隅角瓦斯聚集问题的处理，根据查阅文献可知目前的研究方向集中于探清瓦斯来源并对瓦斯运移进行数值模拟，对矿道设计进行3D建模模拟真实物理场，以期更加科学设计矿道和跟踪探查瓦斯运移路径，指导实际采矿工作。随着矿井开采深度的逐年增加，不同于浅矿井，深矿井由于受到地应力、地热等增加的影响，煤层瓦斯解吸率发生改变，运移规律也有所不同。故本文试探究深矿井的高地应力、地热综合物理场对瓦斯运移的影响。Comsol-physics综合物理场模拟软件是近年来在物理场模拟方面较为成熟的软件，它能够真实耦合多个物理场，让软件应用者能根据实际所需自由组合。Comsol physics多物理场耦合软件符合本文的设计要求。 对于钻孔周围的煤体来讲，一方面由于煤的蠕变变形，致使煤体骨架的体积和孔隙的体积随时间发生改变，引起煤的渗透率的变化，煤层瓦斯压力逐渐降低；另一方面，由于瓦斯压力的降低，致使煤体骨架所受的有效应力发生变化，这些变化又反过来影响煤层瓦斯的流动和压力的分布。瓦斯的运移受渗流和应力场的控制，是一个瓦斯渗流和煤层变形相互耦合的过程。因此，若使煤层瓦斯流动理论的研究更符合实际，就必须研究煤体瓦斯的流、固耦合作用。 流、固耦合理论是流体力学与固体力学二者相互交叉而形成的一门较新的力学边缘分支。流、固耦合理论最早由Terzaghi于1923年提出的，主要应用于土力学研究，他将多孔介质中流体的流动作为流动变形的耦合问题来看待，提出了著名的有效应力的概念，并建立了一维固结模型。Biot 将Terzaghi的工作推广到了三维固结问题，并给出了一些经典的、解析型的公式和算例，奠

定了地下流、固耦合理论研究的基础，随后将三维固结理论推广到各向异性多孔介质的分析中。进一步发展了流、固耦合理论模型，在连续介质力学的系统框架内建立了多相流体运动和变形孔隙介质耦合问题的理论模型。此后，伴随着计算机技术的发展，流、固耦合理论在一些行业取得了长足的发展，如石油天然气开采、煤矿的煤与瓦斯突出、开采引起的地面沉降等问题，在油藏工程方面，wong、rice、setta等在热流同耦合理论及方法等方面做了很多研究工作。lewis长期致力于石油领域的热流、固耦合理论研究，发展了以流体孔隙压力、温度和孔隙介质位移作为基本变量的流、固耦合模型。Bear研究了地热开采、地下污染物传递中的流、固耦合问题。国内孔祥言、王自明等对油藏的热流固耦合作用进行了系统研究，建立了非完全耦合与完全耦合两类热流同耦合数模型。在含瓦斯煤的流、固耦合研究方面，国外学者Litwiniszyn J、H.S.Price、A.Basu、Paterson L、Valliappan、Chongbin Zhao先后从同的度研究了煤与瓦斯的耦含作用。国内学者赵阳升等建立了煤体瓦斯耦合作用的数学模型：梁冰等提出了煤与瓦斯突出的流、固耦合失稳理论；刘建军等建立了应力作用下煤层气、水两相流、固耦合数学模型，并运用有限差分法对煤层：斯流场、煤屮的应力场分布和煤的漆透性演化进行了数值模拟；赵国景、丁继辉等建立了固、气两相介质耦合突出失稳的非线性大变形有限元方程；孙培德提出了煤层气越流，固气耦模型，对煤层瓦斯流流、固耦合进行了数值模拟：汪有刚、杨天鸿、许广明、李祥春、杨新乐、尹光志、郭永存等建立了等温、非等温条件下煤层瓦斯流、固耦合模型。渗透率是应力场和渗流耦合的桥梁。国内外学者普遍认为煤渗透率和地应力密切相关，在高应力区渗透率低，低应力区渗透率高。但是渗透率和地力具体是什么函数关系，研究结果分歧较大。Somerton W.H指出随着地应力的增加，煤透气率则按指数关系减小。Enever等在研究煤层渗透率与有效应力的关系时发现，煤层渗透变化值地应力的变化呈指数关系，而且煤层渗透率与有效应力关系式。 我国学者对地应力与煤层瓦斯渗透特性之间的联系进行了深入的研究，林柏泉、周世宁得出煤层瓦斯渗透率与地应力之间的函数关系，加载时服从指数方程。 1993年以来，以鲜学福院士为首的科研团队在煤的渗透性影响因素方面做了大量的研究，其成果主要为：（1）孔隙压力相对恒定吋，煤层瓦斯渗透率随有效体积应力增加而呈负指数规律降低（2）作用在煤样骨架上的有效体积应力相对恒定时，随着孔隙压力的变化，煤层瓦斯渗透率随指数曲线和抛物线的复合函数规律而变化；（3）孔隙压力与体积应力之比值较小吋，煤层瓦斯渗透 率随孔隙压力增大而变小，且会出现克林伯格效应；（4）当孔隙压力增大到某程度时，煤层渗透率随孔隙压力增大而增大，克林伯格效应会逐渐消失；（5）煤样的渗透率和温度关系密切，温度升高，渗透率降低。 2、存在的问题 综上所述，前人在利用多物理场耦合确定合理的瓦斯抽采参数方面进行了较为深入的研究，取得了重大的研究成果，但是还存在着如下问题： （1）前人成果普遍把煤体作为弹性体，采用广义胡克定律研究钻孔周围煤体的应力应变分布规律，大量研究成果表明，煤 属于弹塑性体，特别是松软突出煤层，煤的塑性更为明显； （2）在研究钻孔周围煤体的受力分析方面，没有考虑煤体 破坏后的塑性软化和剪胀扩容现象，确定的钻孔卸压范围偏低；大量的研究表明，钻孔施工完毕后，钻孔孔径并非一成不变，会随着时间的延伸发生蠕变变形，产生缩孔和塌孔现象，在抽放钻孔的蠕变变形方面的研究相对较少； （3）在确定抽放半径时，未考虑由于煤的流变特性产生的堵孔现象，确定的有效抽放时间不合理； （4）在进行流、固耦合研究方面，前人主要考虑渗流场的演化规律，对应力场的研究相对较少； （5）在确定瓦斯抽放半径和封孔深度等抽采参数吋，未考虑软硬煤层的差异性及埋藏深度的影响，致使软硬煤层和不同埋藏深度煤层布置同样的瓦斯抽来参数，导致抽放效果较差。 （6）不同突出煤层煤的变质程度不同，煤的吸附能力差别很大，从而导致瓦斯抽放效果考察瓦斯临界值差别很大，对于低变质；度煤层，瓦斯含量临界值定为8m³/t会偏高，有可能分致突出事故的发生，对于高变质无烟煤，斯含量临界值定为8m³/t会偏低。 目前对我的课题研究比较有帮助、有价值的文献主要为： [6] 戚灵灵, 彭信山, 王兆丰, 等. 基于COMSOL模拟的无烟煤合理吸附平衡时间研究[J]. 煤矿安全, 2015, 46(3): 51-53. [9] 韩磊. 热流、固耦合模型的瓦斯抽采模拟[J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2013 (12): 1605-1608. [11] 莫道平. 含瓦斯煤流、固耦合数学模型及其应用[D]. 重庆大学, 2014.

[14] Beamish, B Basil,Crosdale, Peter J, Instantaneous outbursts in underground coal mines: An overview and association with coal type[J]. International Journal of Coal Geology, 1998. [16] Valliappan, S,WOHUA, Z, numerical modeling of methane gas migration in dry coal seams[J]. International Journal for Numerical and Analytical Metho ds in Geomechanics, 1996. 对课题研究的启示（值得研究的创新点）： 我国高瓦斯矿井众多，研究矿井瓦斯的运移规律对煤矿安全生产至关重要，特别是瓦斯易聚集区域瓦斯的运移状况，如综采工作面，采空区和上隅角的瓦斯抽采等。此外，在瓦斯预抽过程中（如采用水力压裂、水力割缝、深孔爆破等），判断有效抽采半径是抽采布置的关键。同时，随着开采深度的增加，深矿井所造成的地应力、瓦斯压力以及温度的增加作用对瓦斯吸附、解吸及渗流扩散等产生较大影响。 在现有技术条件下，难以在实地对瓦斯运移、扩散等进行有效和可靠的测量，通过。通过多物理场耦合模拟软件COMSOL对不同条件下的瓦斯运移、扩散规律进行数值模拟，能为实际生产提供有价值参考。 对本课程的评价和建议： 现在是一个信息爆炸的时代，我们身边有着成千万上亿的信息，科技文献检索课程提供给我们一种科学获取所需信息的途径。首先是搜索引擎的选取，信息关键词的提取，以及检索结果的甄别，其次，科技文献检索课程更教会我们利用学校丰富的电子资源，获取科研所需的文献资料和丰富课余生活的视听资料等，为今后的课题研究提供方便，有助于获取新知识，及时了解准专业和相关学科发展动态。另外，该课程提供了多种管理下载资源的方法，把所有信息管理的井井有条，方便了大家的鉴别和后期利用。 建议：在讲解的同时为提供现场操作的机会，让学生更深刻掌握文献检索的技能。丰富课堂内容，让文献检索更有趣。