采动影响下地面井抽采瓦斯运移影响因素数值模拟研究.pdf
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1、中国矿山工程China Mine Engineering2023 年 8 月第 52 卷摇 第 4 期摇 摇应用研究 煤矿 采动影响下地面井抽采瓦斯运移影响因素数值模拟研究Numerical Simulation of Factors Affecting Gas Migration in SurfaceWells Under the Influence of Mining唐建平1,2,李日富1,2(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)摘摇 要:为充分揭示采动影响下地面井抽采瓦斯运移的主要影响因素,实现地面井瓦斯的
2、高效抽采,在建立含瓦斯煤体的多物理场的耦合数学模型的基础上,推导出煤体应力及渗流方程,进而得出孔隙率及渗透率与应变、瓦斯压力等参数之间相互关系。以山西某矿为工程背景,利用 COMSOL Multiphysics 软件对地面井瓦斯抽采实践进行模拟,并确立了数值模拟的初始和边界条件,分析不同地应力条件、不同的初始渗透率及不同初始瓦斯压力对钻井抽采产量及效率的影响。结果显示:地面钻井瓦斯抽采速率及抽采量受地应力、瓦斯压力、渗透率影响明显,其中渗透率是其决定性参数,但渗透率主要受到了地应力的影响。在一定地应力条件下,孔隙率及渗透率随着抽采时间的增加先行减小,而后增大,存在着一个临界残余瓦斯压力点;而初
3、始渗透率对地面井瓦斯抽采影响明显,初始值越大,瓦斯压力下降越显著,抽采速率和抽采量同时变大。因而在地面井进行抽采时,提高煤层初始渗透率不失为实现钻井高效抽采的一种方法。通过采动地面井现场实际试验表明,受到采动充分卸压以及渗透率的提高影响,抽采浓度及纯量皆有阶跃式地增长,极大地提升了地面井抽采效率。关键词:地面井;瓦斯运移;抽采效率;模拟;渗透率中图分类号:TD722摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:1672鄄鄄609X(2023)04鄄鄄0030鄄鄄07Abstract:In order to reveal the main influencing factors of gas
4、migration in surface wells under the influence of mining and realizeefficient gas extraction in surface wells,the stress and seepage equations of coal body were deduced,based on the multi鄄physical fieldcoupling mathematical model of coal body containing gas,and then the relationship between the poro
5、sity and permeability and theparameters such as strain and gas pressure was obtained.Finally,with a mine in Shanxi Province as the engineering background,COMSOL Multiphysics software was used to simulate the surface well gas extraction practice,the initial and boundary conditions ofnumerical simulat
6、ion are established,and the influences of different in鄄situ stress conditions,different initial permeability and differentinitial gas pressure on drilling production and efficiency were analyzed.The result shows:The gas extraction rate and quantity ofsurface drilling are obviously affected by ground
7、 stress,gas pressure and permeability,among which permeability is the decisiveparameter,but permeability is mainly affected by ground stress.Under certain in鄄situ stress conditions,porosity and permeabilitydecrease first and then increase with the increase of extraction time,and there is a critical
8、residual gas pressure point;Initialpermeability has an obvious influence on surface well gas extraction.The larger the initial value is,the more significant the gaspressure drops,and the higher the extraction rate and quantity simultaneously.Therefore,increasing the initial permeability of coalseam
9、can be regarded as a way to realize efficient extraction in surface wells.The field test of mining surface well shows that theextraction concentration and pure quantity increase step by step under the influence of full mining pressure relief and permeabilityincrease,which greatly improves the extrac
10、tion efficiency of surface well.Key words:the ground well;gas migration;extraction efficiency;simulate;permeability作者简介 唐建平(1991),男,江西赣州人,工程师,主要从事煤岩瓦斯灾害防治研究工作。基金项目 山西省科技重大专项(20201102001)引用格式 唐建平,李日富.采动影响下地面井抽采瓦斯运移影响因素数值模拟研究J.中国矿山工程,2023,52(4):30-36+61.1摇 前言煤炭在我国能源开发及消费中长期占据着主体地位,支撑着经济不断地向前发展,是关系我国国家
11、经济命脉的重要基础产业,在能源消费比重中,煤炭03摇第 4 期摇 唐建平等:采动影响下地面井抽采瓦斯运移影响因素数值模拟研究产量占比超过 50%,是我国主体能源之一。与之同时,煤炭行业安全形式严峻,煤与瓦斯突出事故是煤矿事故的主要表现形式,强化瓦斯抽采是杜绝突出事故的最根本途径。同时,煤矿瓦斯(煤层气)又是一种优质的清洁能源,是保证能源供应安全的重要部分。采动区地面井瓦斯抽采技术正日趋成熟,广泛运用于全国各大矿井中,是保证瓦斯充分抽采的重要举措之一,地面井瓦斯抽采技术可以实现对煤层采前预抽、采动抽采及采空区抽采进行全范围覆盖,地面井抽采对井下工作面回采几乎不产生影响1-2。从目前地面井抽采瓦斯
12、的实际情况观察,实现瓦斯高效抽采仍然是目前急需解决的问题,解决这一问题的关键是弄清瓦斯在煤体中的流动情况及运移规律,从而进行井位的合理布置,进而实现地面井瓦斯的高效抽采。影响瓦斯运移主要是地应力、渗透率、瓦斯压力等因素3-4,针对这这些影响因素,众多专家、学者做了大量的研究。李东印5将流体流动的主要方程如 N鄄S 方程、Brinkman 方程和 Fick 扩散方程运用于煤层工作面及采空区,在考虑有效应力影响的基础上,利用煤体的变形性能建立动态的孔隙率方程,并通过数值模拟软件来反映地面井瓦斯的流动规律。徐剑良和狄军贞等人6以地面井煤层气开发中气体滑脱效应、解吸扩散过程和启动压力梯度为变量,在此基
13、础上建立反映煤层气流动的流固耦合数学模型,通过数值软件模拟得到煤层气单井产能。大多数情况下需考虑煤体瓦斯的吸附作用,杨天鸿等7建立了含瓦斯煤岩气固耦合模型,并利用该模型探讨了卸压后瓦斯抽采过程。刘延保8以统计损伤为理论基础,结合含瓦斯煤岩气固耦合的特点,建立了煤岩损伤本构模型,之后结合瓦斯应力场、浓度场及渗流场,推导出煤岩破裂过程中瓦斯的耦合模型。易俊等9在考虑温度影响的情况下,经过室内实验得出煤岩渗透率与温度、应力的表达式,并通过达西定律得出了在温度和地应力作用下的瓦斯渗流方程。井下工作面的采动及地面井的抽采影响了煤层中的原先的应力平衡状态,主要表现形式的煤体的变形及孔隙率产生变化,煤层瓦斯
14、吸附平衡状态发生改变,吸附于煤层的瓦斯逐渐解吸成游离瓦斯。随着瓦斯抽采的进行,抽采负压在煤层中产生了压差,加剧了煤层瓦斯压力的变化,瓦斯压力的变化必定导致应力场的改变。从另一个角度来看,煤体的渗透率及孔隙率随着应力场的改变而变化,影响着煤层瓦斯的渗流状态。因此,煤层在采动情况下应力场与渗流场存在较强的耦合关系,摸清其耦合规律是研究瓦斯抽采的重要依据之一。2摇 数值模型的建立2郾 1摇 数学模型的基本假设煤体瓦斯流动受到诸多因素影响,在研究过程中,需要对一些次要、影响不大的因素进行简化,在本次研究过程中,需要做如下一些假设10:淤煤层中瓦斯含量及压力之间的关系服从 Langmuir 方程;于煤层
15、只存在瓦斯单一气体,其他气体忽略不计;盂达西定律可以充分表述瓦斯在煤层中的流动;榆煤层视为均质单一的线弹性材料,分布着均匀的瓦斯含量及压力;虞不考虑温度的影响,均认为是恒温状态。作为一种裂隙-孔隙双重介质的煤体,游离态及吸附态是存在于煤层之中的两种形式,游离态主要存在于裂隙及较大孔中,而吸附态瓦斯则存于较小孔隙之中。因而瓦斯在煤层中的运动状态也分为两种类型:吸附解吸扩散、渗流状态。根据以上分析可知,煤体的变形及瓦斯的渗流存在耦合关系,如图 1 所示。图 1摇 煤体气-固耦合关系图摇2郾 2摇 动力学模型应力场方程利用有效应力原理,结合平衡方程、几何方程及本构方程。可得到的应力场方程见式(1)。
16、G滋i,jj+2G淄1-2淄着kk啄ij-琢Pi-K着s,i+fi=0(1)式中,G 为剪切模量,G=E/(2(1+淄);自 为泊松比;E 为煤层弹性模量;K 为体积模量,K=E/(3(1-2淄),MPa;滓忆ij为有效应力,MPa;滓ij为总应力,MPa;琢 为 Biot 系数,琢=1-K/Ks;P 为瓦斯压力,13中国矿山工程摇 2023 年(第 52 卷)MPa;dij为 kronecker 函数,啄ij=1i=j0i屹j,滓ij为总应力张量;fi为体积应力张量;着忆kk为有效体积应变,且有 着忆kk=1-2淄E专忆,专忆=滓x+滓y+滓z为体积应力。2郾 3摇 采动影响下煤层瓦斯渗流场
17、方程瓦斯的连续性方程、流动方程、状态方程及含量方程构成了瓦斯的渗流场方程。煤体是典型的双孔双渗介质,将孔隙气体看作是流向裂隙系统的供给源,从而可得到瓦斯流动的连续性方程为鄣(籽g准)鄣t+驻(籽sV)+鄣Ca鄣t+驻Jc=0(2)Ca=abcP籽n1+bP,c=籽c100-A-W100(1+0郾 31W)(3)式中,Ca吸附瓦斯量,kg/m3;A 为煤体所含灰分;W为煤体所含水分;a 为煤体极限吸附量,kg/m3;b 为煤体 Langmuir 压力参数,MPa-1;籽c为煤体密度,kg/m3;籽g为瓦斯压力 p 时瓦斯气体的密度,kg/m3;Jc煤体瓦斯的扩散速度,kg/sm2;Jc为瓦斯扩散
18、速度,kg/s m2,Jc=-D驻Ca;D 为扩散系数,m2/s;V=-k滋驻p,V 为瓦斯在煤体中的渗流速率,m/s;k 为煤层渗透率,m2。2郾 4摇 动态的孔隙率、渗透率模型在忽略温度影响的情况下,煤体体积变形受到颗粒的吸附及解吸的影响,进而得到煤体孔隙率的表达式为准=VpV=1-1-准01+着(V1+驻VSVs)0(4)驻VsVs0=着S1-准0-驻p/KS(5)式中,Vs0为原始煤体体积;驻Vs为采动影响下的煤体体积变化;Vp为煤体的总体积;准0为原始孔隙率;驻p 为瓦斯压力的变化量,驻p=P-P0,MPa;着s为单位体积吸附瓦斯的膨胀应力变化情况,吸附应变见式(6)。着s=2a籽c
19、RT3VmKln(1+bp)(6)Vm为气体摩尔体积,Vm=22郾 4 伊10-3m3/mol。由此可得到式(7)准=VpV=1+1-准01+着(v1-驻p/Ks+着s1-准)0(7)式(8)可表达孔隙率与渗透率之间的数值关系。kk0(=准准)0(31-准01-)准2(8)(上式中1-准01-)准2可以认为近似等于 1,所以k=k0(1+1-准01+着(v1-驻p/Ks+着s1-准)0准)03(9)3摇 数值模型的建立3郾 1摇 几何模型及参数将上述建立的应力-渗流耦合数值模型导入COMSOL Multiphysics 软件进行模拟,依据软件的计算结果,揭示煤层应力、初始瓦斯压力及初始渗透率对
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