煤体随机孔隙结构分布对瓦斯微细观渗流影响的LBM模拟研究

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煤体孔隙结构直接影响着煤体孔隙内部瓦斯渗流,探究煤体孔裂隙结构分布对瓦斯微细观渗流的影响规律,对于完善煤体瓦斯渗流理论十分重要。随着煤层瓦斯渗流问题研究的不断深入,仅通过宏观方法已难以完全揭示其内在的规律机理,而微观模拟方法局限于单个孔隙空间内的瓦斯分子间或与煤体间的相互作用,缺少局部与整体性之间的联系,因此,从微细观角度入手更容易发现和研究煤体孔隙结构对瓦斯渗流的影响规律。本文采用随机四参数生长法(QSGS)构建了随机分布的煤体微细观孔隙结构模型,研发了煤体孔裂隙图像识别分析软件,对煤体孔隙结构图形结构特征进行分析,通过格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method)对瓦斯微细观渗流过程进行数值模拟,讨论了煤体不同孔隙率、相同孔隙率的不同孔隙结构分布(核分布概率、孔隙倾角等)、压力等因素对瓦斯微细观渗流的影响规律,获得如下结论:(1)对重构的煤体随机孔隙结构图像识别分析结果显示,随着孔隙率的增大,煤体孔隙数量、平均孔径、开放孔隙面积占比均会增加。孔隙率相同时,核分布概率Pc越小的煤体孔隙结构,孔隙数量越少,孔径尺寸越大,分形维数越小,甚至会出现“贯通型”孔隙。孔隙结构模型孔径分布呈现大孔数量较少,中孔数量占比较多的特征,中孔数量占比达75%~90%。(2)建立了 REV尺度上的煤体瓦斯渗流LBM模型,研究煤体孔隙中瓦斯渗流局部特性。研究表明,孔隙率越大的煤体,孔隙内的瓦斯渗流速度越大,煤体渗透率越大,孔隙率大于0.18的孔隙结构渗透率增幅远大于孔隙率小于0.18的孔隙结构,高出10倍以上;相同压力条件下,孔隙率为0.32的孔隙结构的渗透率比孔隙率为0.12的孔隙结构的渗透率高2个数量级以上,其主要原因在于孔隙率越大的煤体,开放型孔隙占比相对更多,平均孔径相对更大,导致煤体连通性更好。(3)对比相同孔隙率的不同孔隙分布结构中的瓦斯渗流规律,“贯通型”孔隙导致瓦斯渗流速度、渗透率均远大于没有贯通孔的孔隙结构,瓦斯平均渗流速度是没有贯通孔结构的3倍以上,渗透率是没有贯通孔结构的10倍以上。“贯通型”孔隙为煤体中瓦斯渗流提供优势渗流通道,造成煤体中瓦斯渗流速度分布不均匀,在连通性较好的孔隙区域瓦斯渗流速度较大,在封闭孔区域瓦斯渗流速度很小甚至停滞。在工程实际中应更关注“贯通型”孔隙分布特征对瓦斯渗流的影响。(4)瓦斯渗流特性随孔隙倾角不同而不同,瓦斯平均渗流速度及渗透率均随着孔隙倾角的增大而减小,孔隙倾角为0°的孔隙结构中瓦斯平均渗流速度比倾角为45°和90°的孔隙结构高出3倍以上。因此,在实践中应该更关注与瓦斯压力梯度方向相同的孔裂隙分布对渗流的影响。瓦斯平均渗流速度随着压差的增加而增加,煤体孔隙率越大,压差对平均渗流速度的影响作用越大。本文通过格子Boltzmann方法探究了煤体随机孔隙结构分布对瓦斯微细观渗流的影响规律,研究结果对瓦斯微细观渗流理论进行补充完善,有助于进一步认识煤层瓦斯渗流规律,为煤层瓦斯的高效开发提供理论基础。
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