地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究_张宝.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合数值模拟研究 张宝 1， 华明国2， 李建伟3， 傅国廷1， 姚邦华1,4 （1．潞安集团 瓦斯研究院， 山西 长治 046204； 2．潞安集团余吾煤业有限责任公司， 山西 长治 046100； 3．山西晋煤晟泰能源有限公司， 山西 晋城 048000； 4．河南理工大学 安全科学与工程学院， 河南 焦作 454000） 摘要 基于弹性力学、 渗流力学等理论， 建立了地面井预抽瓦斯应力-渗流耦合模型， 在此基础 上结合工程实例， 分析了地应力对瓦斯抽采效果的影响。计算结果表明 在地面井抽采作用下， 煤层瓦斯压力不断减小， 且地应力越大， 瓦斯压力下降速度越慢； 随着抽采的持续进行， 造成煤 体的有效应力增加和渗透率降低， 同时由于瓦斯解吸， 煤层孔裂隙重新变大和渗透率增加， 2 种 效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增加趋势；地应力对地面井抽采效率影响显著， 两 者呈现负相关关系， 即随着地应力的增加， 煤层中的基质孔隙率下降和裂隙趋于闭合， 造成煤层 渗透性下降， 最终导致了瓦斯抽采量的下降。 关键词 地面井； 预抽瓦斯； 地应力； 渗透率； 应力-渗流耦合； 数值模拟 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0018-04 Numerical Simulation of Stress-seepage Coupling of Pre-extraction Gas in Surface Well ZHANG Bao1, HUA Mingguo2, LI Jianwei3, FU Guoting1, YAO Banghua1,4 （1．Gas Research Institute of Lu’ an Group, Changzhi 046204, China;2．Lu’ an Group Yuwu Coal Industry Limited Liability Company, Changzhi 046100, China;3.Jinmei Group Shengtai Energy Limited Liability Company, Jincheng 048000, China; 4．School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 45400, China） Abstract Based on the theory of elastic mechanics, rock mechanics and seepage of porous media, the stress-seepage coupling model of pre-extracted gas through ground wells is established． Combined with the specific engineering examples, the influence of ground stress on the pre-extraction gas effect of the ground well is analyzed． The study results indict that under the action of surface well extraction, the gas pressure of coal seam decreases continuously, and the larger the ground stress is, the slower the gas pressure decreases; as the extraction continues, the gas pressure decreases and the effective stress of the coal increases, the permeability decreases, and due to gas desorption, the pore and fracture of coal seam become larger and the permeability increases, and the permeability of coal seam generally presents a nonlinear increase trend under the joint action of the two effects． The in-situ stress has a significant influence on the extraction efficiency of surface wells, and the two have a negative correlation, that is, with the increase of in-situ stress, the matrix porosity in coal seam decreases and the cracks tend to close, resulting in the decrease of coal seam permeability, and finally the decrease of gas extraction amount． Key words ground well; gas pre-extraction; ground stress; permeability; stress-seepage coupling; numerical simulation 瓦斯抽采是开发利用煤层气资源的重要前提， 也是防治瓦斯灾害的有效手段[1]。随着瓦斯抽采技 术的发展，地面钻井抽采瓦斯已经成为矿区瓦斯开 采以及区域瓦斯治理新的技术方向[2-5]。根据抽采与 煤炭采掘的时间关系，地面抽采方式又分为采前地 面预抽、 采动区抽采和采空区抽采[6]。地面井预抽瓦 斯不仅实现了煤层气资源的有效开发和利用、有效 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．005 张宝， 华明国， 李建伟， 等．地面井预抽瓦斯应力－渗流耦合数值模拟研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 18．21． ZHANG Bao, HUA Mingguo, LI Jianwei， et al． Numerical Simulation of Stress-seepage Coupling of Pre-ex－ traction Gas in Surface Well ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 18-21． 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 （2016ZX05067006- 001） ；国家自然科学基金资助项目 （51774110, U1704129） 移动扫码阅读 18 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 图 1数值计算模型 Fig.1Numerical calculation model 降低了煤层瓦斯含量，且与煤炭采掘互不干扰， 从 而实现了煤矿的抽、 掘、 采平衡， 在我国淮南、 淮北 等矿区对该技术进行了大量现场试验[7]， 取得了较 好的现场应用效果。目前， 国内外学者通过实验、 理 论分析、数值模拟以及现场实践等手段围绕地面井 预抽煤层瓦斯相关问题开展了一系列相关研究[8-11]。 纵观地面井抽采瓦斯相关研究可以看出，虽然众多 学者研究了不同因素下地面井瓦斯抽采效果，但是 地面井预抽瓦斯的理论模型研究还较少，地应力对 地面井预抽瓦斯产能的影响尚缺乏系统的研究。因 此基于现有研究成果，建立地面井抽采过程中瓦斯 应力-渗流耦合力学模型，利用多物理场耦合数值 模拟软件 COMSOL Multiphysics 对不同地应力下的 地面井预抽瓦斯效果进行了模拟研究。研究结果对 于指导地面井抽采钻孔的布置、提高地面井预抽瓦 斯效果具有一定的指导意义。 1气固耦合模型的建立 1） 基本假设。瓦斯在煤层中的流动过程中包括 了煤的力学变形，流体流动以及吸附作用等多物理 场耦合作用。为建立地面井预抽瓦斯的应力-渗流 耦合模型， 现作以下假设 ①煤体是弹性孔隙介质； ②煤体的变形为弹性小变形； ③不考虑温度对煤和瓦 斯气体性质的影响； ④瓦斯符合理想气体状态方程。 2） 煤的变形方程。煤体的平衡微分方程为[12] Gux,zz G 1-2v uz,zx-αp,x-K εLpL （ppL） 2 p,xf,x0（1） 式中 G 是剪切模量； u 为煤体位移； x、 y、 z 为空 间坐标； v 是煤体泊松比； α 为 Biot 系数； p 为瓦斯压 力； K 为煤的体积模量； εL为 Langmuir 体积应变； pL 为 Langmuir 压力常数； f 为体积力。 3） 瓦斯渗流方程。瓦斯渗流方程可表示为[13] （p （α-φ） 1M ∂εv ∂p ）∂p ∂t （φ p （α-φ） Ks（1M）- p （α-φ） εLpL （ppL） 2 （1M） ρcVLpapL （ppL） 2 ）∂p ∂t -▽ （k μ p▽p） 0 （2） MεV 1 Ks p-εs（3） εs εLpL pLp （4） 式中 Ks为煤骨架的体积模量； εv为煤的体积 应变； t 为时间； φ 为煤层孔隙率； ρc为煤层密度， VL 为 Langmuir 体积常数； pa为大气压力； k 为渗透率； μ 为瓦斯动力黏度。 式 （1） 和式 （2） 即为煤层抽采的煤层变形－瓦斯 渗流方程， 可见， 方程中不但包含了煤层变形、 瓦斯 渗流、 而且考虑了瓦斯的吸附解吸等的影响。 2数值模型的建立 根据某矿区地面井钻孔布置资料，抽采钻孔井 距为 250 m300 m。根据模型的对称性， 取其 1/4 模 型来进行数值建模分析。基于包含煤层变形、气体 扩散渗流、气体吸附以及气体渗流的气固耦合力学 模型， 根据研究对象地质条件， 应用 COMSOL Multi－ physics 建立了相应的数值计算模型， 数值计算模型 如图 1。 模型长 125 m， 高 150 m， 厚 3 m， 产气井位于模 型的左下部， 半径为 0.1 m。模型应力边界条件为 井壁为自由边界，左边界和下边界是对称位移边 界， 其余为应力边界； 对于瓦斯渗流边界， 井壁边界 压力为大气压 0.1 MPa，其余模型的边界均设置为 无渗流边界。 初始煤层瓦斯压力为 1.5 MPa 左右。 煤 层主要物理力学参数如下 ①杨氏模量1.0 GPa； ② 泊松比 ν0.25； ③煤体密度 ρc1 450 kg/m3； ④吸附 瓦斯密度 ρg0.72 kg/m3； ⑤瓦斯的动力黏度系数 m 1.8410-5Pa s； ⑥煤体初始孔隙率 φ00.08； ⑦煤体 初始渗透率 k05.010-15m2； ⑧大气压 pa0.1 MPa。 3数值模拟结果及分析 3.1瓦斯压力分布 当地应力 σxσy10 MPa 时， 不同抽采时间下的 19 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 4模型中点 （50， 50） 渗透率比率－时间变化曲线 Fig．4The permeability－time curve for the middle point （50， 50） 图 3不同地应力下瓦斯压力沿对角线 O－A 的变化曲线 （t＝1 000 d） Fig．3Gas pressure along the diagonal curve of O－A under different ground stress （t＝1 000 d） 煤层瓦斯压力分布云图如图 2，不同地应力下瓦斯压力沿对角线 O-A 的变化曲线如图 3。 图 2不同抽采时间的煤层瓦斯压力分布云图 （σxσy10 MPa） Fig．2Coal seam gas pressure distribution at different time （σxσy10 MPa） 由图 2 可知， 抽采时间越长， 抽采的影响范围越 大。由图 3 可知， 地应力越大， 相同抽采时间下模型 的瓦斯压力越大， 例如， 在第 1 000 d， 的模型的最大 孔隙压力为 0.95 MPa， 而同时时的模型的最大孔隙 压力为 1.17 MPa， 也即随着地应力的增加， 煤层抽 采效率在降低，这是由于较大的地应力降低了煤层 的孔隙率， 造成煤体渗透率减小。 3.2地应力对煤层渗透性的影响 不同地应力条件下， 煤层中点 （50， 50 ） 处的渗透 率比率（当前渗透率与初始渗透率之比） 随时间变 化曲线如图 4。 20 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 对比图中的结果可以看出， 一方面煤层渗透率与 地应力呈现负相关关系；另一方面，随着瓦斯抽采 时间的增加， 渗透率比率在非线性增大。 这是因为伴 随抽采进行，瓦斯压力下降和煤体的有效应力增 加，造成煤层孔隙裂隙的闭合和渗透率的减小； 同 时，随着抽采的持续进行，瓦斯压力下降同时促使 瓦斯解吸， 导致孔裂隙重新变大， 渗透率增加。在这 2 种效应共同作用下煤层渗透率总体呈现非线性增 加趋势。 3．3瓦斯抽采量 不同地应力条件下，煤层抽采量随时间变化曲 线如图 5。 从图 5 可知， 地应力越大， 产气总量相对较小 在第 1 000 d 时，地应力为 5 MPa 的模型累计抽采 量为 212 870．0 m3， 而同时 20 MPa 的模型的累计抽 采量为 124 824．6 m3， 比前者减少了 70．5。这是因 为， 随着地应力增加， 煤层孔裂隙趋于闭合， 煤层渗 透性降低， 导致产气量的下降。 4结论 1 ） 在地面井抽采作用下， 煤层瓦斯压力不断减 小， 并且地应力越大， 瓦斯压力下降速度越慢。 2） 在地面井抽采作用下， 瓦斯压力下降和煤体 的有效应力增加，造成煤层孔隙裂隙的闭合和渗透 率的减小； 同时， 随着抽采的持续进行， 瓦斯压力下 降同时促使瓦斯解吸，导致孔裂隙重新变大，渗透 率增加。在这 2 种效应共同作用下煤层渗透率总体 呈现非线性增加趋势。 3） 地应力对地面井抽采效率影响显著， 两者呈 现负相关关系，即随着地应力的增加，煤层中的基 质孔隙率下降和裂隙趋于闭合，造成煤层渗透性下 降， 最终导致了瓦斯抽采量的下降。 参考文献 ［1］ 吴静．基于数值模拟的玉溪煤矿地面预抽瓦斯治理效 果预测 ［J］ ．能源与环保， 2018， 40 （7） 40－43． ［2］ 孙东玲， 孙海涛．煤矿采动区地面井瓦斯抽采技术及 其应用前景分析 ［J］ ．煤炭科学技术， 2014， 42 （6） 49． ［3］ 袁亮， 郭华， 李平， 等．大直径地面钻井采空区采动区 瓦斯抽采理论与技术 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （1） 1． ［4］SANG Shuxun, XU Hongjie, FANG Liangcai, et al． Stressreliefcoalbedmethanedrainagebysurface vertical wells in China ［J］ ． International Journal of Coal Geology, 2010, 82 （3/4） 196－203． ［5］ 张遂安．采煤采气一体化理论与实践 ［J］ ．中国煤层气， 2006， 3 （4） 14－16． ［6］ 李丹．煤矿区煤层气地面钻井抽采方式及关键技术 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （6） 114－116． ［7］ 梁运培．淮南矿区地面钻井抽采瓦斯技术实践 ［J］ ．采 矿与安全工程学报， 2007， 24 （4） 409－413． ［8］ 张东升， 范钢伟， 任天祥．高瓦斯低透气性薄煤层地面 瓦斯抽采井设计及优化 ［J］ ．煤炭工程， 2010 （8） 4－7． ［9］ 张村， 屠世浩， 袁永， 等．卸压开采地面钻井抽采的数 值模拟研究 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 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