含瓦斯煤巖固氣耦合動(dòng)態(tài)模型與數(shù)值模擬研究

崔 巍 王 瑾 王 靜 宋姣姣 張圓圓

（西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109）

0 引言

預(yù)抽煤層瓦斯的關(guān)鍵技術(shù)，主要就在于合理的鉆孔間距，如果在此過(guò)程中，鉆孔間距過(guò)大的話，就會(huì)嚴(yán)重的影響到抽采的盲區(qū)，從而達(dá)不到治理的效果。反之，如果鉆孔間距過(guò)小，不僅僅只是浪費(fèi)了人力，物力方面也會(huì)造成浪費(fèi)。因此，在實(shí)際的過(guò)程中，氣體開(kāi)采半徑,主要通過(guò)流法、壓力法和其他現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，基于此，本文摘要全面考慮孔隙壓力與有效應(yīng)力、基體收縮效應(yīng)對(duì)孔隙度和滲透率的影響，建立了含煤巖氣體耦合動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)建立了徑向氣體流動(dòng)模型，并建立了氣體流動(dòng)分析板、多孔性的規(guī)律，得出了單井筒有效抽采半徑，以從井筒布置中抽采。因此，固氣耦合是指巖體工程中流體氣、液固巖體、煤體等之間的相互作用。通常，由于流體的流動(dòng)和巖體的變形破壞，會(huì)發(fā)生耦合。因此，我們主要研究巖體滲透性的演化和力學(xué)行為的影響。但根據(jù)目前我們對(duì)固氣耦合相似材料及規(guī)律方面的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)固氣耦合相似模擬材料的研發(fā),大部分的理論研究還處于剛開(kāi)啟的階段，因此，我們將先基于固液耦合相似理論，推導(dǎo)出“氣體”耦合相似判據(jù)，并利用相似材料的力學(xué)性能進(jìn)行試件的測(cè)試，同時(shí)開(kāi)發(fā)了固氣耦合相似材料仿真和相似材料的實(shí)體仿真，同時(shí)比較了試件的滲流速度，也考慮了在多孔介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合效應(yīng)。

1 模擬結(jié)果的相關(guān)分析

根據(jù)《中國(guó)排水采氣達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，脫氣量≤4m /t，達(dá)標(biāo)。因此，失磁氣體的含量為4m2/t(殘余氣體含量為5.58m2/4)，是測(cè)試鉆孔有效提取半徑的指標(biāo)。

從圖中可以看出,氣體含量的變化與提取時(shí)間、氣體含量在同一點(diǎn)通常隨時(shí)間的增加,和有效半徑增加氣體流場(chǎng)的影響范圍增加。與鉆孔的距離越小，氣體含量降低的梯度越大。然而，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在相同的時(shí)間差內(nèi)，兩種殘余氣體含量之間的差將越來(lái)越小。通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析表明，如果我們從10個(gè)月開(kāi)始開(kāi)采，那么有效的鉆孔開(kāi)采半徑為1.68 m，但為了保證正常生產(chǎn)，為了成功，我們可以根據(jù)有效半徑1.5 m，在工作面進(jìn)行鉆孔開(kāi)采，同時(shí)也采用雙排錯(cuò)排的方式進(jìn)行鉆孔布置，鉆長(zhǎng)180 m，孔封12 m，底部孔距為煤層16 m，在底部鉆20厘米,鉆從1.5米,鉆孔半徑115毫米。通過(guò)這種方式,分析了雙排鉆孔布置數(shù)值來(lái)確定提取的效果。

2 順層鉆孔效果及固氣耦合相似材料試件參數(shù)測(cè)試

假設(shè)pre-pumping時(shí)間最長(zhǎng)的485 d和365 d在最短的。n，從穩(wěn)定工作面提取后，鉆孔的所有流量和濃度都會(huì)隨時(shí)間變化，約為 10%，同時(shí)氣體濃度和純流量約為2.3 m/min，至2015年11月，累計(jì)煙氣采亮1.4293 Mm，按照實(shí)測(cè)解吸量平均為3.735 m/t的暫行規(guī)則，最大值為3.81 m/t，排水效果小于4.0 m/t。因此,它是非常合理的安排根據(jù)鉆井有效提取半徑為 1.5米。其次,它的測(cè)量和分析是脆性參數(shù)E / A的標(biāo)本。通過(guò)試驗(yàn)，采用YYW手動(dòng)無(wú)側(cè)限壓力儀對(duì)同類材料試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。從實(shí)驗(yàn),獲得完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率彈性部分標(biāo)本的類似材料的彈性模量。結(jié)果表明,材料與E / < 3屬于脆性破壞的材料。測(cè)試基本保持在商業(yè)周期見(jiàn)頂前的彈性模量和甲流模量模量降低的標(biāo)本,并分析蝕脆性特征參數(shù)值 E/λ。所以這種材料像巖石一樣易碎。

3 對(duì)固氣耦合相似材料的研發(fā)

（1）在試樣制作中，類似的以石蠟作為膠結(jié)劑的材料應(yīng)易于壓實(shí)。型號(hào)材料在室溫下不易揮發(fā)，性質(zhì)穩(wěn)定，可重復(fù)使用。因?yàn)闉榱舜_保充填骨料顆粒之間的差距的影響。因此,我們必須選擇石油作為另一個(gè)粘合劑減少試樣的抗壓強(qiáng)度,通過(guò)調(diào)整油的內(nèi)容,以便它可以模擬巖石的條件。同時(shí),石油也在室溫下?lián)]發(fā),具有輔助作用在控制材料的滲透率標(biāo)本。然后,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中,石蠟融化的溫度必須保持常數(shù)在50°c,以避免損失的石蠟由于過(guò)度的溫度。切忌必須等到石蠟完全融化,能夠把總倒進(jìn)攪拌均勻,然后倒入指定的數(shù)量的液壓油,繼續(xù)攪拌。然后，將攪拌均勻的材料倒入模具中。為了保證試件壓實(shí)強(qiáng)度的一致性，我們需要對(duì)不同落錘次數(shù)和落錘高度的試件的滲透性進(jìn)行測(cè)試，從而進(jìn)一步確定夯實(shí)過(guò)程的參數(shù)。然后，在標(biāo)本冷卻后，將其取出，并對(duì)每組標(biāo)本按不同的比例編號(hào)，以供實(shí)驗(yàn)使用。（2）原材料的選取及試件制作。對(duì)于模擬巖石的固氣耦合模擬相似材料而言,我們必須所需的材料應(yīng)該嚴(yán)格滲透率較低,可以人為的控制。只有用這種方法可以模擬巖石具有不同滲透率的目的。同時(shí)，選擇類似材料的膠結(jié)劑，有利于試樣的生產(chǎn)，室溫下不揮發(fā)，有效填充骨料顆粒間的孔隙。為了減少之間的差距總粒子,石蠟油易熔程度較低和高質(zhì)量的被選為鞏固代理商和河沙作為骨料。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，通過(guò)耦合應(yīng)力場(chǎng)的煤層氣體流場(chǎng)的孔隙度和滲透率煤層,煤含有天然氣的氣固耦合動(dòng)力學(xué)模型建立。然后,根據(jù)數(shù)值分析,我們確定了有效提取井眼半徑和天然氣開(kāi)采。通過(guò)具體分析，說(shuō)明了鉆孔的有效性，說(shuō)明數(shù)值模擬對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。