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《基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、基于含瓦斯煤岩固气耦合模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟mentalSciences,ChongqingUniversity,Chongqing 400030,China;3．SchoolofPetroleumEngineering,SouthUniversity,Chengdu 610500,China)Abstract:Aneffectivestresscalculationformulaedia.Referringtodynamicmodelofporosityandpermeabilityincoalcontaininggas,solid-gascouplingmode
2、labilityofcoalcontaininggasandthepressibilityofgasunderthesolid-gasinteractionconditionadeex-cavationonthethree-dimensionalmodelbasedonthephysicalparametersofPingdingshantenthcoalminetoobtainthestressdistributionofcoalseamafterexcavatedinsteadofeasyuniformloading.Thenulatedthegasdrainagefr
3、omboreholesbasedonconstructedmathematicalmodel.Fromtheresultsdecreasedgraduallyovertime.③Theeffectiveradiusin-creasedgraduallytoafixedvalueovertime.Keyeability;solid-gascouplingmodel;numericalsimulation;coalcontaininggas我国煤层瓦斯赋存丰富,其储量大致与天然气的储量相当。随着煤矿开采深度进一步延伸,煤层中的瓦斯含量也逐渐增大,工作面更易发生瓦斯涌出和煤与瓦斯
4、突出等动力灾害事故。我国煤层普遍具有低渗透性的特点,特别是西南地区地质条件复杂,常为无保护层可采的单一煤层。钻孔抽采瓦斯不仅可以大幅降低煤层瓦斯含量,减少发生瓦斯动力灾害的机率,还可将瓦斯作为一种清洁能源加以利用。钻孔抽采瓦斯过程中煤层中的渗透率变化非常复杂,是一个瓦斯气体运移与煤层固体变形之间相互耦合的复杂过程。国内外学者在研究煤层瓦斯渗流规律的基础上进行了一些钻孔抽采瓦斯的理论研究分析工作和应用。肖晓春、潘一山[1]建立了考虑滑脱效应影响的煤层气渗流模型,并模拟分析了煤层气运移的规律;赵阳升等[2-3]建立了固气耦合作用下的均质煤层瓦斯流动数学模型;梁冰等[4]考虑温度
5、场作用下瓦斯渗流对煤体本构关系的影响,提出了煤与瓦斯耦合作用的数学模型;尹光志等[5-6]在考虑煤岩体为各向同性弹塑性介质的基础上引入瓦斯吸附的膨胀应力,建立了含瓦斯煤岩固气耦合动态模型;杨天鸿等[7-8]通过考虑煤层吸附、解吸作用的含瓦斯煤岩固气耦合作用模型模拟研究了煤层瓦斯卸压抽放过程;司鹄等[9]运用多孔介质渗流的基本定理和流固耦合的基本理论建立了瓦斯流固耦合计算方程,模拟分析了顺层钻孔抽采条件下的瓦斯运移规律。前人的研究加深了人们对钻孔抽采瓦斯的机理认识[10-20]。但对建立的三维模型先进行开挖处理,得到开挖后煤层应力分布状态,而非简单均布载荷,此时再利用煤岩固气
6、耦合模型进行模拟的研究还鲜见报道。本文基于能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩弹塑性固气耦合模型,充分考虑受瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对其本体变形的影响,以Kozeny-Carman方程为桥梁,建立含瓦斯煤渗透率理论模型,以平顶山十矿的相关物性参数为基础模拟分析了钻孔抽采瓦斯条件下的煤层瓦斯运移规律。1 理论模型1．1含瓦斯煤岩有效应力根据多孔介质有效应力原理,考虑煤岩吸附瓦斯产生的膨胀应力[5,10],可得到含瓦斯煤岩有效应力原理:σ′ij=σij-δijφp+2aρsRT
7、ln(1+bp)3Vmæèöø(1)式中,φ为煤岩的等效孔隙率;δij为Kronecher符号,摩尔气体常数R=8．3143J/(molK);T为绝对温度,K;a为给定温度下的单位质量煤岩极限吸附量,m3/kg;b为吸附常数,MPa-1;ρs为煤岩视密度,kg/m3;p为瓦斯压力,MPa;摩尔体积Vm=22．410-3m3/mol。1．2 孔隙率和渗透率动态变化模型根据孔隙率定义并且考虑由瓦斯压力变化引起的骨架体积变形,可得到考虑了骨架变
