受載含瓦斯煤水氣兩相滲流規(guī)律與流固耦合模型研究.pdf

1、煤層瓦斯既是威脅井下安全作業(yè)的重大危險因素，又是一種清潔的高熱值能源。煤儲層中水的存在使瓦斯的單相流動變?yōu)閺?fù)雜的水氣兩相流，研究瓦斯和水的兩相流對瓦斯抽采和煤層氣開采具有重要意義。基于煤的孔隙裂隙雙重特性，本文分析了煤體的結(jié)構(gòu)特征、瓦斯和水的賦存狀態(tài)及瓦斯擴(kuò)散機(jī)理，為深入研究水氣兩相滲流理論奠定了基礎(chǔ)。
　　本文中實驗所用煤樣取自山西晉煤集團(tuán)葦町煤礦，利用自主設(shè)計的實驗系統(tǒng)進(jìn)行等溫吸附實驗和水氣兩相滲流實驗，得出以下主要結(jié)論：①飽

2、和水煤樣的甲烷吸附量明顯降低，Langmuir體積明顯下降，Langmuir壓力有所增加，隨著平衡壓力的增加，水分對甲烷吸附量的損害趨于減小并最終穩(wěn)定。②根據(jù)水氣相滲曲線，在等滲點右側(cè)，水的相對滲透率遠(yuǎn)大于甲烷，水的流動占據(jù)主導(dǎo)作用；在等滲點左側(cè)，甲烷的相對滲透率大于水，甲烷的流動占據(jù)主導(dǎo)作用，并且這種變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系。③在殘余水狀態(tài)下甲烷相對滲透率趨于穩(wěn)定時，甲烷的相對滲透率只有0.14～0.34，煤樣中的水分對甲烷滲透率造成了極大

3、的損害。④殘余水飽和度在43.25％～77.91%之間，水氣兩相共滲范圍較窄，表現(xiàn)出低孔低滲的特征，顯示出極強(qiáng)的親水性。
　　水氣兩相流動過程中，孔隙壓力和飽和度的變化會導(dǎo)致孔隙度和相對滲透率的動態(tài)變化，基于煤體的Warren-Root模型，提出孔隙度動態(tài)模型和相對滲透率演化模型。煤體中液態(tài)水和瓦斯的流動都遵從廣義達(dá)西定律，且吸附態(tài)瓦斯服從Langmuir平衡方程，游離態(tài)瓦斯服從氣體狀態(tài)方程，將上述方程代入連續(xù)性方程得到水相和氣相

4、的流動控制方程。根據(jù)多孔介質(zhì)彈性理論，在太沙基有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上，聯(lián)立平衡方程、幾何方程和本構(gòu)方程，建立了考慮吸附作用的煤體變形場控制方程。滲流場方程和變形場方程相結(jié)合就是完整的受載含瓦斯煤水氣兩相流固耦合數(shù)學(xué)模型。
　　利用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得到了不同時刻孔隙壓力、含水飽和度、孔隙度及相對滲透率的變化規(guī)律，研究結(jié)果顯示：①原煤達(dá)到平衡狀態(tài)所需要的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于型煤；②初期孔隙