瓦斯抽采钻孔孔周THM多场耦合运移规律研究

摘要

瓦斯抽采对于治理解决煤矿井下安全问题非常高效。本文利用试验分析、理论推导、数值模拟等综合手段对瓦斯抽采钻孔周围含瓦斯煤岩体进行研究分析，基于煤岩体内部动态变化的孔隙率、渗透率，结合弹性力学基本方程以及煤岩体有效应力获得位移场控制方程；根据考虑Klinkenberg效应后的Darcy定律、质量守恒定律给出了瓦斯运移方程：基于能量守恒定律、热力学定律得出了温度场控制方程，最终确立了煤岩体抽采钻孔孔周热流固多场耦合瓦斯运移规律。主要内容和结论如下： 1．针对含瓦斯煤岩体的渗流特性，开展了恒载情况下不同粒径破碎煤样在瓦斯压力变化过程中的渗流试验。结果表明：流体在破碎煤样内部的渗透能力随着瓦斯压力的增大而增强，钻孔周围破碎煤样的粒径大小对其影响较大；破碎煤样的渗流过程符合达西定律。 2．基于渗流特性试验，建立了煤层顺层抽采钻孔孔周热流固多场耦合瓦斯运移规律模型并进行数值求解。结果表明：在抽采钻孔成孔后，煤体瓦斯压力、渗透率和孔隙率随着抽采时间的增加逐渐减小；煤体瓦斯含量减小，热传导、吸附瓦斯解吸以及解吸后瓦斯的运移共同作用使得其温度降低。 3．考虑吸附膨胀效应对动态孔隙率和渗透率的直接影响，建立了在全场吸附膨胀效应下的热流固多场耦合瓦斯运移规律模型，数值计算后并与抽采钻孔孔周热流固多场耦合瓦斯运移规律模型进行对比分析，最后讨论了参数变化对在全场吸附膨胀效应下的热流固多场耦合瓦斯运移规律模型的影响。上述研究可为煤层预抽采瓦斯钻孔的布置与确定实际抽采参数提供参考依据，对于增加煤层瓦斯利用率，保证煤矿安全生产具有重要意义。

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