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钻孔抽放瓦斯固气耦合数值模拟研究

李孟阳  
【摘要】:煤炭是我国的最主要能源,瓦斯灾害作为煤矿生产中最严重的灾害之一,其防治不容松懈。钻孔抽放瓦斯是我国治理和利用瓦斯最主要的方法,对其进行数值模拟研究具有重大的理论和实际意义。本文利用COMSOL Multiphysics软件,选择重庆能源投资集团松藻煤电公司打通一矿E2707对拉工作面为研究背景,主要工作有: ①从瓦斯在煤层中运移的实际过程出发,结合Terzaghi有效应力原理,建立了含瓦斯煤岩的变形场控制方程。分析了煤的变形机制,结合孔隙率的定义,建立了含瓦斯煤岩中孔隙率的动态模型。利用Kozeny-Carman方程推导出了含瓦斯煤岩中渗透率的动态模型。通过质量守恒定律,分析得到含瓦斯煤岩的连续性方程。最后,通过基本假设和方程以及连续性方程,得出含瓦斯煤岩的渗流场控制方程。建立了以变形场控制方程与渗流场控制方程为基础的煤层瓦斯固气耦合模型。 ②验证了固气耦合模型的正确性。对不同条件下单孔抽放瓦斯运移变化的规律进行了研究。抽放初期瓦斯压力变化较大,瓦斯压力梯度较大。随着抽放时间的推移,抽放范围逐渐扩大,有效应力逐渐增加,煤层孔隙率和渗透率逐渐减小,抽放难度加大。通过对不同钻孔半径条件下抽放瓦斯的分析,得出了不同钻孔半径条件下,有效抽放半径与时间的关系。分析了不同埋藏深度条件下和不同抽放负压条件下,瓦斯压力、孔隙率以及渗透率的变化和分布。不同初始瓦斯压力条件下,随着煤层初始瓦斯压力的降低,瓦斯压力明显减小,瓦斯压力梯度逐渐减小,而孔隙率与渗透率逐渐增大,且二者的变化规律十分一致。分析了不同的初始渗透率对抽放瓦斯的影响,初始渗透率越大,瓦斯越易抽放。 ③通过模拟E2707对拉工作面上E回风巷上邻近层钻场多孔瓦斯抽放,对比不同上覆煤岩条件下4个钻孔周围瓦斯压力分布曲线,揭示卸压抽放瓦斯是改善煤层透气性,提高瓦斯抽放效率的有效技术手段。模拟结果基本符合实际瓦斯抽放的一般规律,进一步验证了本文建立的固气耦合模型的正确性。


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