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煤层水力压裂三相耦合数值模拟研究

陈小奎  
【摘要】: 在高瓦斯矿井中,瓦斯压力是煤层水力压裂过程中不可忽略的影响因素。通过对煤层宏观地质结构的研究和对煤体微观多孔隙—裂隙结构进行分析,建立了一个连续的固、液、气三相耦合模型。利用渗流规律Darcy定律,扩散规律Fick定律来描述煤层中瓦斯的运动规律;采用Mohr—Coulomb准则的单元渗透率—损伤耦合方程对渗流耦合问题进行研究,进而研究了含瓦斯煤体固、液、气相互作用中的变形、破裂与耦合作用。 以祁南矿3410掘进工作面的水力压裂过程为研究对象,考虑煤的均质度、弹性模量、抗压强度、湿润边界角和瓦斯压力等建立了三相耦合计算模型,应用RFPA—2D软件对祁南矿3410掘进工作面煤层进行了数值模拟。得出了煤层水力压裂过程中煤体破裂程度与注水压力、煤层瓦斯压力之间的变化关系。模拟结果表明:瓦斯压力抵消了部分水压,阻碍了煤体的裂隙发育,但随着煤体破裂的进行,瓦斯受压转移,并有部分被挤出,瓦斯压力趋于稳定,煤体破裂进程加快。 祁南矿3410掘进工作面的现场试验与数值模拟结果比较吻合,这表明:在考虑瓦斯压力下,水力压裂过程的三相耦合试验能直观的描述注水压力和瓦斯压力对煤体破裂进程的影响。


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