含瓦斯煤岩体热-流-固多物理场耦合模型构建与数值模拟研究

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随着煤炭开采深度的增加,煤层温度和地应力也随之增加,瓦斯渗流的环境变得更加复杂,给煤矿瓦斯抽采和防治带来了很多技术难题。研究“热-流-固”耦合场下瓦斯的运移规律,可为煤矿瓦斯抽采和防治提供理论依据。本文采用压汞仪对不同埋深的含瓦斯煤岩体进行了孔隙率特征研究,同时采用瓦斯吸附常数测定仪对含瓦斯煤岩体的吸附特征进行实验研究。最后以沙曲矿为背景,构建瓦斯抽采模型,对瓦斯抽采过程中钻孔周围压力、渗透率、孔隙率和温度的特征进行研究,以此分析瓦斯在“热-流-固”三场耦合作用下的运移分布规律。主要结论如下:(1)煤岩体的孔隙连通性和孔容大小与埋深有关。浅部储藏煤相对于深部储藏煤,大孔、中孔和过渡孔的孔容明显增加。(2)在30℃下瓦斯压力从0.775MPa提升到6.027MPa,瓦斯吸附含量由8.239ml提升到16.124ml,提升了195.7%。在其他温度下随着瓦斯压力的提升瓦斯吸附含量都有明显的提升,在40℃、50℃、60℃、70℃下的瓦斯吸附含量提升了208.7%、210.7%、222.3%、223.1%,由此看来压力对瓦斯吸附有促进作用。(3)在恒定压力0.775MPa下,温度由30℃提升到70℃,吸附含量由8.239ml逐渐降低到6.892ml,下降了16.4%。随着温度的升高,吸附常数a值和b值逐渐减小,温度从30℃提升到70℃,a值降低了10.6%,b值降低了42.8%。(4)以沙曲矿为背景构建瓦斯抽采模型,对瓦斯抽采钻孔周围压力、温度、孔隙率和渗透率进行研究。发现瓦斯含量随着抽采时间的增长而减少,钻孔附近的瓦斯被大部分抽采,距钻孔远的瓦斯压力也在降低,从开始1.7MPa降到了1.0MPa,瓦斯压力下降了42.2%,而渗透率分布变化较大,距离钻孔越远,渗透率越大。离孔最远的渗透率为3.76m D。煤的孔隙率由钻孔附近向外呈现减小的趋势。随着瓦斯抽采的时间增加,煤体瓦斯压力、瓦斯含量和煤体温度都有所降低。
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