含瓦斯煤固-流-热耦合数学模型及渗透特性研究

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含瓦斯煤渗透率是表征瓦斯在煤层中流动难易程度的物理量,也是评价瓦斯抽采效率的重要指标,其值受地球物理场(应力场、渗流场和温度场)的影响,而地球物理场又随着煤层赋存条件的改变发生变化,含瓦斯煤渗透率也随之动态变化。因此研究不同组合条件下含瓦斯煤的渗透率变化及瓦斯在固-流-热耦合作用下的运移规律始终是煤层气开采和瓦斯防治领域研究的重点。本文以西山煤电马兰矿8#煤层掘南五工作面为工程背景,利用理论分析、物理试验及数值模拟研究的方法,研究不同条件下瓦斯在煤层中的渗透特性及固-流-热耦合作用下的运移规律,对瓦斯事故防治及注热开采煤层气具有一定的理论意义和工程应用价值。具体的研究成果如下:(1)综合考虑瓦斯气体的可压缩性、煤体吸附瓦斯之后产生的膨胀应力、煤体的滑脱效应、瓦斯的动力黏度系数随温度的变化、瓦斯的真实气体状态方程等因素,建立含瓦斯煤固流热耦合数学模型,可以描述瓦斯在煤体中的运移规律,对瓦斯事故防治有重要意义。(2)在力热耦合的作用下,含瓦斯煤渗透率整体呈“L”型变化规律。在关系曲面的“上翼”处(有效应力较小为0.7 MPa),渗透率相对温度的梯度比渗透率相对有效应力的梯度略显著,且随温度的升高,渗透率由低到高变化;在关系曲面的“下翼”处(有效应力较大为2.7-8.7 MPa),渗透率相对有效应力的梯度明显大于渗透率相对温度的梯度,且随温度的升高,渗透率由高到低变化。(3)在水热耦合的作用下,含瓦斯煤渗透率随温度及含水率的增加均呈现出非线性递减规律。渗透率相对温度的梯度比渗透率相对含水率的梯度略显著,渗透率相对含水率的梯度随温度的增大有减缓趋势,渗透率相对温度的梯度随含水率的增大亦有减缓趋势。(4)在气固(瓦斯压力与体积应力)耦合的作用下,含瓦斯煤渗透率整体呈“V”型变化规律。渗透率随体积应力的增加而逐渐减小并趋于稳定值;随瓦斯压力的增加呈现出两翼高、中部低的曲面关系,在关系曲面的“凹陷”处,渗透率相对瓦斯压力的梯度与渗透率相对体积应力的梯度大致相当;在关系曲面的“两翼”处,渗透率相对瓦斯压力的梯度明显大于渗透率相对体积应力的梯度。(5)渗透率损失率与有效应力之间符合Boltzmann函数变化规律,即在温度变化的过程中,渗透率损失率与有效应力临界值有关,当有效应力低于临界值,渗透率损失率变化较大,到达临界值后,渗透率损失率减小且趋于稳定;当有效应力保持恒定时,随着温度的升高,温度敏感性系数的值逐渐减小,即煤样的渗透率对温度的敏感性逐渐减弱,其初始值为最大值,且值很小,数量级为10-2。因此,在温度较低时(70?C以下),含瓦斯煤渗透率受温度的影响相比于有效应力而言是微弱的。(6)运用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟研究时,充分考虑温度的增加对煤层、瓦斯物理力学参数的改变及对瓦斯吸附解吸特性的影响。通过数值模拟方法研究温度对渗透率的影响,发现当有效应力恒定为0.7 MPa时,渗透率随温度的升高逐渐增加;当有效应力恒定为2.7-8.7 MPa时,渗透率随温度的升高逐渐减小。数值模拟结果与物理试验结果具有很高的吻合度,验证本文所建立的含瓦斯煤固流热耦合数学模型的正确性。同时研究瓦斯压力对渗透率的影响,发现瓦斯压力与渗透率之间具有明显的滑脱效应,呈抛物线型变化规律,滑脱效应的拐点介于1.4-1.5 MPa之间。
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