基于二维离散裂隙网络模型的瓦斯流动规律及抽采研究.pdf

中文摘要 摘 要 煤岩是一种包含裂隙与孔隙的复杂多孔介质。裂隙作为煤层瓦斯的主要运移 通道，其几何特征与空间分布对煤层瓦斯渗流有着重要影响并控制着瓦斯抽采的 工程效果。煤层瓦斯的流动涉及固体力学场与瓦斯渗流场的动态耦合作用。本文 以工程尺度含瓦斯煤体为研究对象，通过Matalb 编程生成了表征煤层裂隙的二维 离散裂隙网络模型；以理论分析和数值模拟为手段，系统探讨了裂隙结构特征对 煤岩渗透性的影响；研究了瓦斯抽采钻孔周围煤岩的应力与渗透率分布规律；建 立了煤层瓦斯运移的流- 固耦合数学模型，并结合裂隙网络模型，在 COMSOL Multiphysics 中开展了瓦斯抽采数值模拟，获得了瓦斯压力、瓦斯流速的时空演化 规律。论文主要研究内容及结论如下： ①基于蒙特卡罗法，在Matlab 中编制了二维离散裂隙网络模型的生成程序， 并在Matlab 中对生成的裂隙网络模型进行处理并导出为图片；通过使用图像函数 将裂隙图导入到COMSOL Multiphysics 并转化为区分煤岩裂隙与基质的计算域。 ②通过控制单一变量在Matlab 中生成了不同几何参数及不同参数分布规律的 裂隙网络模型，结合COMSOL Multiphysics有限元数值计算，讨论了不同几何参数、 不同裂隙类型、不同几何参数分布规律对煤岩渗透性的影响。煤岩渗透率随裂隙 密度、裂隙迹长、裂隙宽度的增大而增大，随裂隙与瓦斯压力梯度夹角的增大而 减小；大尺寸裂隙对煤体渗透率起主导作用；当裂隙几何参数服从指数分布时煤 岩渗透率最大，当裂隙几何参数服从均匀分布时煤岩渗透率相对最小。 - ③结合前人对水力压裂钻孔周围应力分布的研究成果，通过引入应力 渗透率 经验模型，构建了区分瓦斯抽采钻孔周围破碎区，塑性区和弹性区的渗透率模型， 并以重庆渝阳煤矿工程地质参数为依据，基于构建的渗透率模型，研究了各地质 参数与施工参数对钻孔周围煤岩应力与渗透率的影响。 ④通过生成近似工程地质特征的煤层二维离散裂隙网络、构建单场煤层瓦斯 渗流模型，在COMSOL Multiphysics 中进行了瓦斯抽采的数值模拟，对瓦斯流动规 律进行了分析。结果表明：随着时间的推移，钻孔周围的气体压力逐渐减小，且 越远离钻孔中心，压力减小的速度越慢。这种现象导致钻孔周围形成了压降漏斗； 裂隙中的瓦斯流速远大于基质中的流速，且瓦斯抽采有效半径先增大后减小，体 现了实际工程中瓦斯抽采先易后难的现象。 ⑤基于弹性力学与渗流力学基本理论、瓦斯吸附作用、孔隙压力作用，构建 - 了煤层瓦斯运移的流 固耦合数学模型，并结合无耦合瓦斯抽采模拟中生成的煤层 COMSOL Multiphysics - 裂隙网络模型，在 中进行了瓦斯抽采的流固耦合数值模拟。 I 重庆大学硕士学位论文 结果表明：随着抽采时间增加，瓦斯压力下降速逐渐变慢，这说明抽采难度初始 较容易，随着压力降减小，抽采难度增加；随着抽采时间的增加，瓦斯流速逐渐 减小，且远离钻孔区域的瓦斯流动速度明显小于钻孔附近瓦斯流速。 - ⑥通过对比瓦斯抽采无耦合与流 固耦合模拟的结果可得：在不考虑固体变形 - 场耦合作用时，煤层瓦斯压力下降更快，瓦斯压力总体低于考虑流 固耦合作用时 - 的瓦斯压力；在相同的抽采时间，考虑流 固耦合作用的瓦斯流速高于不考虑耦合 作用的瓦斯流速；在固体力学场的影响下，储层瓦斯流速的分布与单场抽采模拟 时的瓦斯流速分布明显不同，体现在无耦合抽采模拟中，裂隙与基质中瓦斯流速 变化更加均匀、平缓。 关键词：离散裂隙网络；煤层气；瓦斯抽采；流-固耦合