含瓦斯煤流固耦合数学模型及其应用

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为了研究含瓦斯煤岩中瓦斯运移规律,以多孔介质有效应力原理为基础,考虑含瓦斯煤岩的孔隙率、渗透率动态变化规律以及煤岩的弹塑性本构关系,建立起了含瓦斯煤弹塑性流固耦合数学模型。借助于COMSOL Multiphysics多场耦合数值分析软件对模型的正确性予以验证,同时分析了煤岩中瓦斯钻孔抽放影响因素。本文取得了以下研究成果:  (1)建立起了含瓦斯煤弹塑性流固耦合数学模型。该模型能够充分反映煤岩变形条件下的煤岩孔隙率和渗透率的动态变化规律、弹塑性本构关系;气体的可压缩性以及气体渗流的滑脱效应;瓦斯渗流与煤岩变形之间的耦合关系。并通过实验室含瓦斯煤岩常规三轴试验结果与模拟结果进行对比,结果表明:本文所建立的模型能够较好的反映含瓦斯煤在三轴应力作用下瓦斯的渗流规律和煤岩的变形特性。  (2)对含瓦斯煤瓦斯钻孔抽放的影响因素进行了模拟分析,得出了以下结论:  ①煤层内瓦斯压力会随着钻孔抽放时间的增加而降低,而且在钻孔抽放初始阶段瓦斯压力下降明显,随着抽放时间的增加煤层内瓦斯压力下降速度降低。  ②瓦斯钻孔抽放的过程会煤岩骨架受到的有效应力增加,从而导致煤岩的孔隙率和渗透率下降,正是由于这个原因才使煤层瓦斯钻孔抽放后期瓦斯压力下降速度明显减缓。  ③围压对煤岩内瓦斯压力的分布有影响,当增加围压时,煤岩内瓦斯压力分布会高于低围压条件下的瓦斯压力,同时,煤岩内的孔隙率和渗透率都会下降,而且在靠近钻孔的地方下降得更为明显。煤岩卸压状态下有利于瓦斯的抽放。  ④负压抽放对于煤层内瓦斯压力的改变是非常有限的,负压抽采只是使钻孔周围局部区域的瓦斯压力略低于常用抽采,对于远离钻孔的大部分区域来说,负压抽放对煤层内瓦斯压力分布的影响几乎可以忽略不计。  ⑤增大钻孔半径有利于煤层内部瓦斯下降、扩大有效抽放半径,在同一时刻,瓦斯的有效抽放半径会随着钻孔半径的增加而增大,但是随着钻孔半径的增加,这种增加的趋势会不断的放缓。  ⑥多孔抽放过程中,在靠近钻孔的地方单一钻孔对煤层内瓦斯压力影响较大,越靠近钻孔瓦斯压力越低;在远离钻孔的地方,单一钻孔对瓦斯压力的影响作用降低,沿多个钻孔的周围形成了一个集中的瓦斯降压区。  
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