基于熱流固耦合的瓦斯抽采數(shù)值模擬研究.pdf

1、為解決深部礦井中煤層瓦斯突出問題，需要對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采，深部煤層中瓦斯抽采不同于淺煤層瓦斯抽采，在深部礦井中地應(yīng)力大、溫度高，如沿用傳統(tǒng)的抽采方式會(huì)不適應(yīng)新的環(huán)境，從節(jié)約資源、合理布置鉆孔和設(shè)計(jì)方案出發(fā)，需要從理論上研究深部高溫礦井中瓦斯流動(dòng)規(guī)律，建立包含多個(gè)影響因素的瓦斯流動(dòng)方程。此方程求解需要用到數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算并用圖片的形式表示出來，COMSOL Multiphysics軟件是一款基于偏微分方程組的多物理場(chǎng)耦合軟件，此軟

2、件利用有限元分析相關(guān)方法，可以很好的解決瓦斯在煤層中流動(dòng)的求值問題。
　　本文闡述了煤層中孔隙的分布形態(tài)及影響孔隙分布的各個(gè)要素，從孔隙率的定義出發(fā)結(jié)合考慮各要素建立了孔隙率數(shù)學(xué)表達(dá)式和在Carman-Kozeny方程基礎(chǔ)上建立了煤滲透率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。研究了游離瓦斯和吸附瓦斯在煤體中的賦存形態(tài)，闡述了影響吸附瓦斯含量的各因素，利用Langmuir方程建立了游離瓦斯和吸附瓦斯間的相互關(guān)系方程，結(jié)合達(dá)西定律將其擴(kuò)展為描述瓦斯流動(dòng)的滲流

3、方程?？紤]到地應(yīng)力對(duì)瓦斯的作用，從Terzaghi有效應(yīng)力入手，建立了描述含瓦斯煤的變形方程。通過從能量的觀點(diǎn)出發(fā)，建立了瓦斯流動(dòng)的溫度場(chǎng)方程。綜合上述方程，建立了描述瓦斯在煤層中流動(dòng)的熱流固耦合方程。
　　通過COMSOL Multiphysics軟件求解瓦斯流動(dòng)的熱流固耦合方程，模擬了單一和多個(gè)鉆孔條件下穿層鉆孔和順層鉆孔中瓦斯在煤體中的流動(dòng)情況，同時(shí)比較了不同溫度、不同載荷下、不同鉆孔間距和不同初始滲透率條件下瓦斯壓力、瓦斯

4、含量、滲透率和孔隙率的變化情況。從模擬的結(jié)果可知，在瓦斯抽采的初期，瓦斯鉆孔周圍瓦斯壓力迅速，抽采范圍逐漸擴(kuò)大，瓦斯壓力和瓦斯含量隨時(shí)間逐漸降低，由于游離瓦斯壓力急劇下降，鉆孔周圍孔隙率和滲透率因此而降低，鉆孔周圍煤體溫度同樣降低，一方面因?yàn)闊醾鲗?dǎo)的作用，另一方面因?yàn)槊后w瓦斯的解吸。多個(gè)鉆孔抽采瓦斯對(duì)瓦斯抽采有強(qiáng)化作用，可有效的降低煤中瓦斯含量，縮短抽采時(shí)間。通過比較不同載荷下瓦斯流動(dòng)規(guī)律，較高的地應(yīng)力不利于煤體中瓦斯流動(dòng)，因此對(duì)地應(yīng)力