A nonlinear seepage theory model is developed using nuclear magnetic experiment and fractal theory

物理 分形 分形维数 磁导率 曲折 压力梯度 有效应力 孔隙水压力 多孔介质 多孔性 煤矿开采 机械 岩土工程 地质学 数学分析 化学 数学 生物化学 有机化学
作者
Shuai Dong,Zhen Liu,He Yang,Muyao Zhu,Zheng Li,Sun Zhao-hui
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (8) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0221614
摘要

The threshold pressure gradient becomes notably evident during water injection in soft, low-permeability coal seams. This phenomenon reduces the pressure hydrodynamic force and limits the effectiveness of dust reduction measures in coal mines through water injection. In this study, several mathematical models were developed to clarify the mechanism behind the threshold pressure gradient and identify the key parameters affecting permeability changes during this process. This model combines the stress sensitivity properties of the fluid boundary layer and coal body with fractal theory. The validity of the mathematical model was confirmed by comparing it with both visual experimental results from nuclear magnetic resonance water injection and other theoretical models. Particularly, the Bingham model effectively predicts the effective permeability of coal. Through the analysis of the influencing factors, it is found that the effective permeability increases with the pressure difference, pore compression coefficient, porosity, and maximum pore radius. Conversely, it decreases as the yield stress, fluid viscosity, tortuosity fractal dimension, and pore size distribution fractal dimension increase. Upon considering the impact of various factors, the pore compression coefficient was identified as having the most significant effect on coal permeability, whereas the yield stress has the greatest influence on the threshold pressure gradient. Collectively, our findings provide a theoretical foundation for enhancing the efficacy of water injection in soft, low-permeability coal seams.
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