裂隙煤巖氣水兩相滲流與固體變形耦合作用研究.pdf

1、巖體是一種非均勻各向異性的裂隙型介質(zhì)，包含了大小不同的各種孔隙、裂隙，這些缺陷不但大大地改變了巖體的力學(xué)性質(zhì)，也嚴(yán)重影響著巖體的滲透特性。同時(shí)巖體滲流主要受控于巖體中廣泛發(fā)育的節(jié)理裂隙及其連通網(wǎng)絡(luò)。在原始地應(yīng)力條件下，其地質(zhì)屬性及巖體水力學(xué)特性相對(duì)穩(wěn)定，在采動(dòng)條件等工程外部荷載作用下，巖體及節(jié)理裂隙都受到擾動(dòng)，巖體結(jié)構(gòu)及裂隙張開度發(fā)生變化從而使巖體的物理力學(xué)屬性和節(jié)理裂隙的滲透特性發(fā)生變化，這也是產(chǎn)生工程地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因之一。建立準(zhǔn)確

2、描述裂隙巖體中應(yīng)力-滲流問題的耦合模型，是解決工程地質(zhì)災(zāi)害問題的一種有效手段。
　　考慮到天然節(jié)理裂隙的地質(zhì)屬性及應(yīng)力-滲流的耦合效應(yīng)，在滲流分析過程中視孔隙和微裂隙為孔隙結(jié)構(gòu)，而將較小尺度（μm級(jí)及以下）的節(jié)理裂隙統(tǒng)一視為裂隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)研究較大尺度（μm級(jí)以上）的節(jié)理裂隙其開度變化對(duì)滲透性的影響，從裂隙巖體表征方法入手，基于滲流廣義立方定律，考慮巖石節(jié)理變形對(duì)裂隙開度變化的影響，研究多重介質(zhì)裂隙煤巖體的氣水兩相滲流與固體變形耦合

3、特性，本文的主要工作如下:
　　1.研究了煤巖介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其滲流力學(xué)行為。通過掃描電鏡觀察巖石的孔隙特征及其連通性，用壓汞試驗(yàn)測(cè)定其孔隙率的大小，為后續(xù)描述煤巖介質(zhì)滲透性演化模型提供參考。巖石或巖體是一種多孔隙/裂隙的高度非均勻材料，巖石或巖體的孔隙和裂隙對(duì)其滲透性具有直接的作用，孔隙和裂隙的貫通、分布情況等因素對(duì)巖石的滲透性都有很大的影響。
　　2.煤層是典型的雙重介質(zhì)，孔隙作為流體的存儲(chǔ)空間，而裂隙則是流體的主要

4、滲流通道。瓦斯在煤層中的運(yùn)移包含吸附解吸、擴(kuò)散、滲流過程，又存在滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)耦合作用，為了研究其復(fù)雜的物理過程，需要建立考慮吸附解吸過程的裂隙巖體滲流氣固耦合模型。本文推導(dǎo)了孔隙/裂隙不同有效應(yīng)力系數(shù)αm和αf情況下的孔隙率-滲透率和裂隙率-滲透率模型，并綜合吸附變形的影響，分別采用連續(xù)介質(zhì)和雙重介質(zhì)模型的方法研究了煤層瓦斯抽采過程。研究發(fā)現(xiàn)吸附變形常數(shù)，瓦斯壓力及應(yīng)力大小對(duì)孔隙/裂隙體積的改變作用明顯。同時(shí)研究了煤層注水過程中

5、的氣水兩相滲流階段，建立了描述煤層氣水兩相滲流的雙重介質(zhì)流固耦合模型。
　　3.針對(duì)天然地質(zhì)巖體，忽略對(duì)其裂隙結(jié)構(gòu)特征的表達(dá)來研究其滲流力學(xué)行為是欠妥的。對(duì)一般工程問題而言，建立真實(shí)三維裂隙巖體系統(tǒng)，往往很難實(shí)現(xiàn)對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)特征的精細(xì)描述，建立的數(shù)值模型較大，會(huì)造成前處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并給數(shù)值求解帶來相當(dāng)大的難度。通過引入ECV耦合變量(Extrusion Coupling Variables)來實(shí)現(xiàn)二維平面和三維空間之間的數(shù)據(jù)傳遞，這

6、樣在很大程度上就克服了這一難題，并可以對(duì)裂隙面實(shí)現(xiàn)較高精度的表征，獲取真實(shí)裂隙的開度和裂隙滲透性的演化，同時(shí)利用自適應(yīng)網(wǎng)格方法來得到與開度變化較匹配的高精度解，獲得了一種較好地描述真實(shí)巖體的數(shù)值表征方法。
　　4.注意到裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的影響，那么其應(yīng)力滲流耦合特性當(dāng)然就不容忽視。借助Comsol Mutiphysics的彈性層概念來對(duì)裂隙面的力學(xué)特性進(jìn)行描述，并結(jié)合裂隙滲流廣義立方定律，通過弱項(xiàng)PDE方程和ECV耦合變量來描述裂隙

7、滲流的耦合特性，將煤層氣水兩相滲流的雙重介質(zhì)流固耦合模型與之結(jié)合起來構(gòu)建了多重介質(zhì)裂隙巖體滲透性演化模型，建立了有效的裂隙巖體表征方法和數(shù)值模型，并基于前人單裂隙滲流試驗(yàn)的研究基礎(chǔ)，驗(yàn)證了該方法的可靠性。
　　5.采用有限單元法和并行計(jì)算技術(shù)對(duì)耦合模型進(jìn)行數(shù)值離散、求解和對(duì)比分析。結(jié)果表明，裂隙是巖體水力學(xué)特征的主要控制因素之一，多重介質(zhì)裂隙巖體表征方法及數(shù)值實(shí)現(xiàn)能夠比較好地描述一般工程條件下的煤巖地質(zhì)體的應(yīng)力-滲流變化規(guī)律。宏觀