基于热-流-固耦合的松软煤层瓦斯抽采数值模拟研究

６松软EQ\*jc3\*hps45\o\al(\s\up12(基于),煤层)EQ\*jc3\*hps45\o\al(\s\up12(热),瓦)EQ\*jc3\*hps45\o\al(\s\up12(流),抽)EQ\*jc3\*hps45\o\al(\s\up12(固),数)EQ\*jc3\*hps45\o\al(\s\up12(耦合),值模)EQ\*jc3\*hps45\o\al(\s\up12(的),拟)研究摘要:为了探索热－流－固耦合作用下煤储层渗透率的变化规律,本研究应用探讨抽采时间为、、、时山西潞安五阳煤矿工作面煤层瓦斯抽采效果ꎮ研究结果表明:在不同抽采时间下渗透率变化较大;随着抽采时间增加,渗透率随之变小;渗透率较大的区域瓦斯渗流速度快,瓦斯抽采效率高;随着抽采时间增加,煤体孔隙率逐步减少;距离钻孔越远,煤体孔隙率越增加ꎮ关键词:渗透率;热－流－固耦合;瓦斯压力;瓦斯抽采;数值模拟煤层气是在煤化活动过程中产生的以甲烷和一氧化碳为主的混合气体,是与煤炭伴生、共存的资源,在世界气候变暖的条件下,已变成一种清洁优质资源,有效五”计划推行,煤层气开发和利用被视为占重要地位的新能源产业,得到政府大力支持。同时,煤层气开发和利用在我国能源政策中占据较大比重,在减少煤层气排放时,对环保提供较大帮助。我国煤层气可采储量较高,但相比美国,煤储层渗透率较低,高储低渗是制约我国煤层气开发的主要因素之一[１]。煤层气开发的主要手段是瓦斯抽采,瓦斯吸附/解析受煤岩体变形、气体流动和温度升高等因素影响,并对瓦斯抽采效率有较大影响,因此,瓦斯抽采是应力场、渗流场和温度场多场耦合效应的综合作用过程。随着矿井进入深部开采,原岩应力增加,初始瓦斯压力提升,地下温度升高,煤质变软和煤体透气性降低导致瓦斯抽采难度越来越大[２]。其中,煤的渗透率不仅与本身孔隙、裂隙和煤层尺度相关,还由于煤层的瓦斯压力、气体含量、温度和地应力等多种因素而变化,结合这些因素可以得出煤层变化特性。研究瓦斯抽采过程中煤层渗透率变化规律及对抽采的影响范围,对于提高瓦斯抽采效率具有指导意义。近年来,众多学者对瓦斯抽采的热－流－固耦合条件下煤层渗透率的变化规律进行探索,张民波等[３]考虑抽采时煤层温度的变化,基于煤体渗透率的各向异性建立热－流－固三场耦合模型,研究温度和瓦斯压力对有效抽采区域的影响,发现有效抽采区域面积随着温度和瓦斯压力增加而减少,随着抽采时间增加而减少;李明等[４]采用耐腐蚀气液两相渗透仪,进行不同埋深不同温度无烟煤渗流试验,研究有效应力、孔隙压力和温度对渗透性的影响规律,分析热刺激下滑脱效应的变化规律;范超军等[５]建立深部煤层瓦斯抽采流－固－热耦合模型,进行深部煤层瓦斯抽采数值模拟实验,研究了渗透率、瓦斯压力和温度等深部煤层参数对瓦斯抽采的影响;郝建峰等[６]基于不同压力梯度下温度变化规律,并进行煤体吸附/解吸瓦斯热效应实验,建立含瓦斯煤层热－流－固耦合模型,分析吸附/解吸热效应在煤与瓦斯相互作用中是否起到较大作用;舒才等考虑解吸热能项优化了温度场控制方程,基于煤层瓦斯两能态吸附热理论构建煤层瓦斯流动的热－流－固多场耦合模型,分析煤层瓦斯流动规律,并通过对比实验结果验证模型准确性和合理性。为研究煤层瓦斯压力、渗透率和孔隙率对抽采效果的影响,以山西潞安五阳煤矿工作面煤样为对象,采用数值试验研究抽采时渗透率和孔隙率的变化对抽采效果的影响,通过与实验对比,分析抽采模型适用性。①假定随煤层温度提升,处于吸附态的瓦斯被瞬间解吸,含瓦斯煤岩体被视为各向同性的线弹性均与多孔基体;②煤岩体在因地应力产生形变过程中符合广义胡克定律;③瓦斯在煤体中的渗流遵循准则;煤体中处于吸附态的瓦斯遵循方程;④煤体为线弹性体且变形微小可恢复,遵守广义胡克定律。7基于太沙基有效应力原理,并考虑煤岩吸附瓦斯产生的吸附膨胀应力和温度产生的变形,结合应力方程、几何方程及本构方程得到应力场方程:引起煤岩体变形;流动方程中体积应变、瓦斯压力和温式中,μi,j为张量形式,i和j为张量,第一个下标i表示变量μ的i方向分量,第二个下标j表示对μi求j方向偏导数,第三个下标j表示对μi,j求j方向偏导数;G为煤体剪切模量,GPa;K为煤体体积模量,GPa;υ为泊松比;α为Biot有效应力系数;T为煤层温度,K;αT为煤体骨架热膨胀系数,1/K;εs为煤体骨架吸附瓦斯,Vsg为吸附煤层气含量,m3/kg,αsg为吸附应变系数,kg引起煤岩体变形;流动方程中体积应变、瓦斯压力和温结合Klinkenberg滑动效应,得出达西定律修正方程为:式中q为瓦斯在煤体中的渗流速度,m3/s;k为煤层渗透率,m2;μ为瓦斯的动力黏度系数,Pa·s;p为煤层瓦斯压力,MPa。根据质量守恒方程,在煤岩体中的连续性瓦斯流动方程为:式中,ρ为煤层密度,kg/m3;t为时间,d。煤中的瓦斯含量M可表示为:VLpL(4)朗缪尔气体常数。联立得裂隙内瓦斯压力随时间变化的表达式:式中,h为Klinkenberg效应系数吸附量,m3/kg;b为气体的吸附常数,1/MPa;Qs为源汇项,kg/(m3·s);▽p为煤层中瓦斯压力梯度,Pa/m;φ为孔隙率。煤层中,煤体骨架、瓦斯、水共同存在于一个单元体积系统,温度变化造成煤体中内能变化,煤体因地应力造成的体积应变发生变形做功,在瓦斯吸附解吸过程中伴随热量释放和吸收。同时,煤体与外界通过热对流和传递产生热能交换。因煤体遵守能量守恒定律,推出温度场控制方程为:式中,η为瓦斯的有效热对流系数,J/(m2·s);Q为煤体中瓦斯含量,kg/m3;Cv为比热容;εv为煤体体积应变;ρs为煤的真密度,kg/m3;Vm为标准情况下气体摩尔体积,22.4L/mol;T0为煤层初始温度,K;R为气体常数,J/(mol·K)。随温度升高,煤的瓦斯吸附量逐渐减少。根据吸附试验得到不同温度时的吸附常数,采用二次函数和线性方程拟合得到吸附常数a、b与温度T的关系:流－固耦合模型,应力场方程中的压力、温度项改变会式(1)、(5)、(6)、(7)、(流－固耦合模型,应力场方程中的压力、温度项改变会度项改变会使孔隙率和渗透率的方程结果发生变化,说明瓦斯抽采效率受到煤体变形影响。煤层是孔隙和裂隙结合的双重结构,瓦斯主要储存在孔隙中,大多在裂隙通道中进行瓦斯渗流。根据有效应力、温度变化和热膨胀系数等参数,得到煤体的孔隙度方程为:单位体积煤体瓦斯解吸引起的膨胀应变可表示如下:因温度变化造成煤基质内发生热膨胀效应,所以,温度变化后得到含瓦斯煤在线弹性阶段时的动态渗透率方程可表示为:式中,k0为煤层初始渗透率,m2。试验背景为山西潞安五阳煤矿8003工作面,主采整个抽采过程是在三维空间进行,设计二维几何模型进行数值模拟将问题简化,便于计算。建立长８同时刻的瓦斯压力、渗透率、孔隙率和温度ꎬ得出各因素对瓦斯抽采的影响ꎮ煤层上边界受地应力为.ꎬ左右两侧设置辊支撑ꎬ下边界为固定约束ꎻ四边界为零通量边界ꎮ模型左侧边界和右侧边界为煤层壁面ꎬ上下边界率、孔隙率和煤层瓦斯压力ꎬ分析对抽采效果的影响ꎮ实验煤样采用五阳煤矿工作面ꎬ模拟所需的部分参数通过实验获得ꎬ少数需要复杂实验获得的参数初始渗透率()初始孔隙度初始温度有效热对流系数η()泊松比()扩散系数(.)动力黏度系数５２抽采时间为ꎬ选取~煤层内部的瓦斯压力孔周围的瓦斯压力向外逐渐减少ꎮ图２不同抽采时刻下煤层瓦斯压力分布图图３不同抽采时间下瓦斯压力变化图力减少幅度变缓ꎻ监测点从左到右随抽采时间增加ꎬ瓦斯压力慢慢变小ꎮ抽采后ꎬ各个监测点的瓦斯压０.ꎮ距钻孔中心位置越远ꎬ瓦斯压力越小ꎮ因可以清晰看出随着抽采时间增加ꎬ瓦斯压力在煤层分布由外到内逐渐减少ꎬ并持续向外扩散ꎮ抽采减少ꎻ抽采后ꎬ监测点Ａ处瓦斯压力降低到天时瓦斯压力减少ꎮ通过对比同一点处的瓦斯压力变化ꎬ可以发现煤体瓦斯压力随抽采时间增加而逐渐降低ꎻ对比云图可以发现ꎬ随着距钻孔距离变远ꎬ煤层瓦斯压力有显著增加ꎮ图４不同抽采时间下渗透率变化图在打孔过程中ꎬ影响煤层的初始应力平衡ꎬ扩大了裂隙和孔隙范围ꎬ钻孔周围的瓦斯压力变小ꎬ煤层瓦斯压力逐渐变小ꎬ孔隙率和渗透率随之增大ꎬ瓦斯抽采量增加ꎬ并通过对比监测点发现瓦斯抽采对距离钻孔较远的瓦斯压力影响较小ꎮ９从图４渗透率变化可以发现,渗透率随着距钻孔中心位置增加逐渐增加,距抽采孔越远,渗透率越大ꎮ抽天时渗透率减少;在抽采后,监测点Ａ处渗透率为０.×,相比抽采时渗透率减少;现,渗透率随着抽采时间增加而不断降低;监测点从左到右的渗透率不断增加ꎮ同时,渗透率减少幅度随着距钻孔中心处越远而逐渐减少;在监测点Ａ处,不同抽采时间下,渗透率逐渐减少,可以明显看出在抽采和间渗透率减少幅度较大ꎮ通过对比各监测点渗透率变化可以得出,煤体渗透率随着抽采时间增加而减少,煤层瓦斯压力降低,煤基质受到地应力作用及钻孔钻进过程中对应力平衡的破坏造成收缩进而导致煤体孔隙率变小,渗透率减少ꎮ图５不同抽采时刻下孔隙率变化图通过观察图５可知,在同一时刻监测点从左到右,孔隙率逐渐增加,距离抽采孔越远孔隙率越大ꎮ抽采Ａ处孔隙率减少到０.,孔隙率相比抽采时下降;抽采时,监测点Ａ处孔隙率为０.,孔隙率相比时减少;当抽采时,Ａ点处孔隙率为０.ꎮ通过对比同一点处孔隙率变化可以发现,煤体孔隙率随着抽采时间增加逐渐降低;同一时刻随着监测点从左到右,煤体孔隙率不断增大ꎮ孔隙率随着距离钻孔中心位置越远而逐渐增加,增加幅度在减缓;任一点的渗透率随抽采时间增加逐渐减少ꎮ在抽采时,０.,孔隙率随距钻孔中心位置增加而增加,增加幅度由快变慢ꎮ通过对比孔隙率变化,可以发现随着抽采孔形成,在孔周围形成卸压区,这些区域的瓦斯压力降低使煤体产生压缩变形而导致基质收缩,造成孔隙率降低;受到的影响随着与钻孔距离增加而逐渐减少,瓦斯压力变化幅度平缓,孔隙率变化较小ꎮ五阳煤矿为背景建立瓦斯抽采模型ꎮ在一定边界条件下,得出各监测点瓦斯压力分布图以及不同抽采时间下孔隙率和渗透率随抽采时间变化的关系图ꎮ３.２因在打孔过程中,影响煤层的初始应力平衡,扩大裂隙和孔隙范围,钻孔周围的瓦斯压力变小,煤层瓦斯压力逐渐变小,孔隙率和渗透率随之增大