[发明专利]一种基于流固耦合的瓦斯抽采影响因素分析方法

说明书

本发明公开了一种基于流固耦合的瓦斯抽采影响因素分析方法，所述方法包括如下步骤：首先煤岩可假设为由煤基质孔隙及裂隙构成的一种双孔隙度、单渗透率的弹性介质。在瓦斯抽采过程中，随着煤层瓦斯压力的降低，基质孔隙中的吸附瓦斯解吸为游离瓦斯，通过扩散作用运移至裂隙中，经裂隙渗流至钻孔中，根据煤层瓦斯的运移规律，建立基于流固耦合的瓦斯抽采模型，借助comsol multiphysics数值模拟软件，结合某矿工作面实际条件进行数值模拟分析，得出影响瓦斯抽采效果的主控因素。本发明所述分析方法基于某矿工程地质背景，结合瓦斯抽采过程中的瓦斯运移规律，建立瓦斯抽采流固耦合模型，并对不同瓦斯抽采方案进行数值模拟，为煤矿瓦斯治理提供理论依据。

技术领域

本发明涉及井下瓦斯抽采技术领域，更具体地说是一种基于流固耦合的瓦斯抽采影响因素分析方法。

背景技术

矿井瓦斯抽采是降低煤层瓦斯含量，减少瓦斯涌出量，预防瓦斯灾害的重要手段。但是煤储层的瓦斯渗透率等其他因素，也严重的影响着瓦斯抽采效果。

解决这一问题的关键就是研究出影响瓦斯抽采效果的主控因素，对矿井瓦斯进行合理的抽采布置，从而降低煤层瓦斯含量，减少瓦斯涌出量，预防瓦斯灾害，保障煤矿的安全生产，要达到这一目的，还有许多问题亟待解决。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于流固耦合的瓦斯抽采影响因素分析方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于流固耦合的瓦斯抽采影响因素分析方法，包括以下方法：

S1瓦斯抽采流固耦合模型的构建

S1.1瓦斯运移场控制方程

煤岩可假设为由煤基质孔隙及裂隙构成的一种双孔隙度、单渗透率的弹性介质。在瓦斯抽采过程中，随着煤层瓦斯压力的降低，基质孔隙中的吸附瓦斯解吸为游离瓦斯，通过扩散作用运移至裂隙中，经裂隙渗流至钻孔中。其中，基质瓦斯扩散遵循Fick定律，裂隙瓦斯渗流过程遵循Darcy定律。考虑裂隙中瓦斯渗流的滑脱效应，则基质瓦斯和裂隙瓦斯运移方程为：

式中：V_L为Langmuir体积，m³/kg；p_L为Langmuir压力，Pa；ρ_s为煤的密度，kg/m³； p_s为标况大气压力，Pa；M_g为瓦斯摩尔质量，kg/mol；R为瓦斯摩尔常量，J/(mol·K)；T_s为标况温度，K；T为煤层温度，K；为基质孔隙度；为裂隙孔隙度；b₁为滑脱因子， Pa；k_f为裂隙渗透率，m²；μ_g为瓦斯动力粘度，Pa^.s；τ为瓦斯解吸时间，s，表示基质放散能力；p_m为基质瓦斯压力，Pa；p_fg为裂隙瓦斯压力，Pa；为哈密顿算子。

S1.2应力场控制方程

煤岩的物理力学特性受地应力、基质孔隙和裂隙流体压力及瓦斯吸附/解吸特性等因素的影响。在未受采动影响的煤层中，煤岩处于应力平衡状态。随着瓦斯抽采的进行，应力平衡状态被打破，煤基质孔隙及裂隙结构发生形变。则煤层瓦斯运移应力场方程为：