煤层水力压挤三相耦合数值模拟研究.pdf

中图分类号 旦2 1 2论文编号 安徽理工大学 硕士学位论文 煤层水力压挤三相耦合数值模拟研究 作者姓名 筮亟 专业名称 塞全撞苤及工程 研究方向塞全王程信息丝堇苤 导师姓名 王鱼题塾援 导师单位塞筮理王太堂 答辩委员会主席 述俊里熬拯级直工 论文答辩日期2 0 1 3 年6 月6 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 3 年6 月日 AD i s s e r t a t i o ni ns e c u r i t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g - 一，一 一 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o a ls e a mh y d r a u l i ce x t r u s i o nt h r e e p h a s e sc o u p l i n gr e s e a r c h C a n d i d a t e X uS h u o S u p e r v i s o r W a n g B a iS h u n S c h o o lo f e n e r g ya n ds a f e t y A n H u i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 0 1 ，P ．R ．C H I N A 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀理王态堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 主蓥爱及一⋯日期三丝年j 月皇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀．翌三太堂有保留、使用学位论文 的规定，郎研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位 属于塞邀壅墨太鲎。学校有权保留并向国家有关部} ．】或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阙和借阅。本人授权安 徽理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编 学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名豫石定 签字日期旃L , - G 争目 导师签名 ≥，，1 蛋’’} 乡＼签字目期勿哆年占月争尸 摘要 摘要 运用多相渗流力学、煤岩体介质变形与瓦斯赋存及流动理论、渗流耦合理论和多孔 介质流体力学等基础理论知识，建立了考虑煤岩体介质非均匀的力学性质、压力水作用 下煤体致裂过程中其透气性的非线性变化特征及煤岩固体、液态水及气态瓦斯三相流固 耦合作用的数学模型。给出了基于F E P G 软件的耦合模型数值求解方法和计算过程，并 编制相应的程序文件。 以两淮矿区祁南煤矿3 4 4 工作面的水力压挤过程为研究对象，利用考虑煤体弹性模 量、孔隙率、均质度、透气性系数、泊松比及渗透率等力学参数的三相流固耦合数值模 型，对该采煤工作面实施水力压挤技术措施后影响煤体破裂及瓦斯挤排效果的主要技术 参数注水压力、注水时间和封孔深度进行了数值模拟。模拟结果显示随着注水时间 的推进，煤体逐渐损伤并被破坏，裂隙结构面系统进一步扩展、延伸，煤体渗透能力大 大提高；高压水体将煤体致裂并使煤体向采煤工作面方向产生一定的位移，提高了煤体 卸压带宽度，降低了靠近煤壁一定范围的煤体应力，部分煤体逐渐由弹性进入塑性。 通过分析模拟结果，优化出了3 4 4 工作面合理的水力压挤技术参数值。现场试验与 数值模拟结果比较吻合，证明了模拟结果的正确性，也有力的说明了模型的可靠性与稳 定性。利用该数学模型可以为煤矿水力压挤技术参数提供现场试验依据，大大节省人力 物力，提高生产效率。 图[ 2 l 】表【3 】参[ 5 0 】 关键词水力压挤；技术参数；流固耦合模型；F E P G 。 分类号 T D 7 1 2 ； 安徽理工大学硕士学位论文 摘要 A b s 仃a c t T h ee s t a b l i s h m e n to fam a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hc o n s i d e r i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fn o n - - u n i f o r m i t yc o a l - r o c km a s sm e d i a , t h en o n l i n e a rv a r i a t i o no fp e r m e a b i l i t yi nt h e f r a c t u r i n gp r o c e s so fc o a l r o c ka t t h ep r e s s u r eo ft h ew a t e ra n dt h es o l i d ，l i q u i d ，g a s t h r e e - p h a s ef l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni nt h ep r o c e s so fc o a l - r o c kd e f o r m a t i o na n df r a c t u r e 谢t ht h eb a s i ct h e o r e t i c a lo fm u l t i - p h a s es e e p a g em e c h a n i c s ，c o a l - r o c km a s sd e f o r m a t i o na n d g a sf l o w , s e e p a g ec o u p l i n ga n dp o r o u sm e d i af l u i dd y n a m i c ．G i v e st h en u m e r i c a lm e t h o da n d c a l c u l a t i o np r o c e s so fc o u p l e dm o d e lw h i c hb a s e do nF E P Gs o f t w a r e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g p r o g r a mf i l e s ． T ot h eQ i n a n ，L i a n g h u a im i n e ，c o a lm i n e3 4 4f a c ea se x a m i n a t i o n ，u s i n gam a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h et h r e e p h a s ec o u p l i n gt h ec o a ls t r e s sf i e l dm o d u l u so fe l a s t i c i t y , h o m o g e n e i t y , p o i s s o n ’Sr a t i o ，f r i c t i o na n g l e ，a n ds e e p a g e f i e l d p o r o s i t y , p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ， p e r m e a b i l i t yp a r a m e t e r s ，g i v i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r sw h i c h i n c l u d ew a t e ri n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o nt i m ea n ds e a l i n gd e p t hw h e np r e s st h ec o a lm i n e s 诵t l lh y d r a u l i ce x t r u s i o nw h i c ha f f e c tc o a lr u p t u r ea n d g a sc r o w d e dr o we f f e c t ．T h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w 谢t l lt h ea d v a n c eo fw a t e ri n j e c t i o nt i m e ，c o a lg r a d u a l l yd a m a g e da n dt h e n d e s t r o y e d ，t h es y s t e m o ft h ef r a c t u r es u r f a c e e x p a n df u r t h e r , t h ec o a l ’Sc a p a c i t yo f p e r m e a b i l i t yi n c r e a s e dg r e a t e r ；h i g h - p r e s s u r ew a t e rf r a c t u r i n gc o a la n dm a k ec o a lm i n i n g w o r k f a c et ot h ed i r e c t i o no fac e r t a i nd i s p l a c e m e n tt oi m p r o v ec o a lr e l i e fw i d t h ，r e d u c et h e s t r e s so fac e r t a i nr a n g en e a rt h ec o a lw a l lc o a l ，c o a lg r a d u a l l yb yt h ee l a s t i c i t yt ot h ep l a s t i c ． T h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，o p t i m i z i n gt h ef a c er e a s o n a b l eh y d r a u l i c e x t r u s i o nt e c h n o l o g yp a r a m e t e r ．T h ef i e l dt e s tc o n f n m e dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f h y d r a u l i ce x t r u s i o nw h i c ho p t i m i z e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t sc a np l a yah o m o g e n i z i n ge f f e c t o ft h e w o r k i n gf a c eg a sc o n c e n t r a t i o n ，a n dp r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o n ，a n da l s oap o w e r f u ld e s c r i p t i o no ft h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h em o d e l ．U s eo f t h em a t h e m a t i c a lm o d e lC a np r o v i d eo n s i t et e s tb a s i sf o rc o a lm i n e sa b o u tt h eh y d r a u l i c e x t r u s i o n t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s ，s i g n i f i c a n ts a v i n g si nm a n p o w e ra n dr e s o u r c e s ，a n di m p r o v e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ． F i g u r e [ 21 】t a b l e 【3 】3r e f e r e n c e 【5 0 】 K e y W o r d s h y d r a u l i ce x t r u s i o n ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，f l u i d ．s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm o d e l ， F E P G ．．I I I ．． 安徽理工大学硕士学位论文 C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 712 一I V 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．．⋯．I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V l绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1国内外煤层水力压挤发展及数值模拟现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1国内外煤层水力压挤技术发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 水力压挤与相关技术的区别⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．1 ．3 煤层水力压挤数值模拟发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 主要研究目的、内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．2 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．3 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 论文课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 水力压挤防治瓦斯煤尘机理及三相耦合理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 水力压挤技术简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．1 ．1 水力压挤的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 水力压挤的关键技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 水力压挤防治瓦斯煤尘机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 水力压挤过程中煤体的致裂机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 2 ．2 ．2 水力压挤防治瓦斯机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 4 2 ．2 ．3 水力压挤防治煤尘机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 煤层中气、固、液介质系统及理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 三相耦合数值模拟在水力压挤技术中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 水力压挤三相耦合数值模型建立及计算过程解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．1 水力压挤数值模拟基础理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．1 水力压挤过程中渗流场对应力场的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 3 ．1 ．2 水力压挤过程中应力场对渗流场的影响作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～2 1 3 ．2 水力压挤多相耦合数值模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．1 数学模型的基本方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．2 ．2 数学模型求解过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 - 3小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 F E P G 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 4 ．1F E P G 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．2 F E P G 软件应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 5 4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 5 水力压挤三相耦合数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 计算模型及其参数的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 ．1 模拟煤矿及煤层概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．2 计算模型及其参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．2 计算结果及其分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．3 现场试验与模拟结果比较分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 目录 C o n t e n t s C o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V lI n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1P r e s e n ts i t u a t i o no fc o a ls e a mh y d r a u l i ce x t r u s i o nd e v e l o p e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1C o a ls e a mh y d r a u l i ce x t r u s i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ts t a t u si nd o m e s t i ca n d f o r e i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．1 1 ．1 ．2T h ed i f f e r e n c eb e t w e e nh y d r a u l i ce x t r u s i o nt e c h n o l o g ya n dr e l a t e dt e c h n o l o g y ⋯．4 1 ．I ．3 H y d r a u l i ce x t r u s i o nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo ft h ed e v e l o p m e n to ft h es t a t u s q u o ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．⋯．⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．2 M a j o rr e s e a r c ho b j e c t i v e s ．c o n t e n t sa n dm e t h o d s ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．7 1 ．2 ．1R e s e a r c hp u r p o s e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯7 1 ．2 ．2R e s e a r c hc o n t e n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．3R e s e a r c hm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3S o u r c e so f t h e s i sw o r k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2T h e o r e t i c a ls t u d yo fh y d r a u l i ce x t r u s i o np r e v e n t i o nm e c h a n i s m sa n dt h r e e p h a s ec o u p l i n go fg a s a n dc o a ld u s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯9 2 ．1I n t r o d u c t i o nt oh y d r a u l i ce x t r u s i o nt e c h n o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．I ．IT h eb a s i cc o n c e p to f h y d r a u l i ce x t r u s i o n ⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．2 T h e h y d r a u l i c e x t r u s i o n k e y t e c h n i c a l p a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2T h eh y d r a u l i ce x t r u s i o np r e v e n t i o na n dc o n t r o lm e c h a n i s mo f g a sa n dc o a ld u s t ．．．．．．．．．．．．1 2 2 ．2 ．1C o a lf r a c t u r i n gm e c h a n i s mo f h y d r a u l i ce x t r u s i o np r o c e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．2 H y d r a u l i ce x t r u s i o np r e v e n tg a sm e c h a n i s m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．3 H y d r a u l i ce x t r u s i o np r e v e n tc o a ld u s tm e c h a n i s m ⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．3C o a ls e a mg a s ，s o l i da n dl i q u i dm e d i as y s t e m sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 2 ．4 T h r e e - p h a s ec o u p l i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh y d r a u l i ce x t r u s i o nt e c h n o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．5 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯I8 3 H y d r a u l i ce x t r u s i o nt h et h r e e p h a s ec o u p l e dn u m e r i c a lm o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o n sr e s o l u t i o n 一19 3 ．1T h eh y d r a u l i ce x t r u s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o u n d a t i o nt h e o r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 。V l I 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．1 ．1 H y d r a u l i ce x t r u s i o np r o c e s ss e e p a g ef i e l dc o r r e s p o n d st ot h ei m p a c to ft h ef o r c e f i e l da n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19 3 ．1 ．2 H y d r a u l i ce x t r u s i o np r o c e s s ，t h ei m p a c to f t h es t r e s sf i e l do f t h es e e p a g ef i e l d ⋯．．2 1 3 ．2 H y d r a u l i ce x t r u s i o nm u l t i p h a s ec o u p l e d n u m e r i c a lm o d e l i n g ．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 ．1T h eb a s i ce q u a t i o n so f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 ．2M a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es o l u t i o np r o c e s s ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4F E P Gs o f t w a r ed e s c r i p t i o na n dh y d r a u l i ce x t r u s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 4 ．1F E P Gs o t t w a r ed e s c r i p t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．2F E P Gs o f t w a r ea p p l i c a t i o ns t u d y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 5T h eh y d r a u l i ce x t r u s i o nm u l t i p h a s ec o u p l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1C a l c u l a t et h es e l e c t i o no f t h em o d e la n di t sp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 ．1S i m u l a t e dc o a lm i n ea n dc o a ls e a mp r o f i l e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 5 ．1 ．2 C o m p u t i n gm o d e la n di t sp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．2C a l c u l a t et h er e s u l t so f i t sa n a l y s i s 。，．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯。．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．4 0 5 ．3F i e l dt r i a l sa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t s ．．．．．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．5 1 5 ．4S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 6 6C o n c l u s i o na n do u t l o o k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1C o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 6 ．2O u t l o o k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 A c k n o w l e d g e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 A u t h o ra n dg r a d u a t es c h o o ld u r i n gt h em a i ns c i e n t i f i ca c h i e v e m e n t s ．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯- 6 5 ．．V 1 I I ．． 1 绪论 1绪论 1 ．1国内外煤层水力压挤技术发展及数值模拟现状 1 ．1 ．1国内外煤层水力压挤技术发展现状 煤层水力压挤概念是王佰顺教授在总结和归纳了煤层注水技术、地面及井下 煤层水力压裂技术及煤层水力挤出技术的发展动态及不足之处首次提出来的。因 此，了解水力压挤的机理，首先应知与其相关技术的发展和国内外研究现状。 2 0 世纪5 0 年代，几大主要煤炭生产国 英国，美国，比利时，德国和苏联等 对煤层注水技术已经进行了大量的理论和现场试验研究【1 】。这些国家在总结和分析 试验结果的基础上，将其推广应用于矿井中。我国煤矿的煤层注水实验最初开始 于1 9 5 6 年，该次试验地点位于本溪彩屯煤矿。到1 9 9 0 年煤层注水防尘技术己广泛 应用于采煤工作面中【2 1 。煤层注水技术原理是预先在煤壁上打若干个钻孔，然后向 钻孔注入压力水，使其渗入煤岩体内部，破坏煤体内原有的煤体应力场和煤体中 瓦斯渗流场原始的平衡体系，在此基础上形成煤岩固体、煤层中液态瓦斯和气态 水的三相体系结构。固、液、气三相体系内各个介质之间相互影响作用，改变煤 岩体的物理化学性质和力学性质等。煤层注水工艺参数是影响实施煤层注水效果 的重要因素。目前，煤层注水工艺日趋完善，全世界范围内的煤炭国家非常重视 煤层注水参数的研究。2 0 世纪6 0 、7 0 年代德国、法国及前苏联等国家分别对煤层 注水技术参数进行了相关研究并得到的结论是①煤层注水的速度与煤体吸水速 度相等时，注入水可以渗透到的煤体孔隙占其总孔隙9 0 ％。②若注水压力过高将 会引起煤体骨架的严重破坏，造成煤体中裂隙跑水，影响注水效果，因此合理的 注水压力至关重要。法国采用低压、小流量和长时间煤层注水参数工艺取得了较 好的注水防尘效果。由于德国大部分煤矿开采深度已超1 0 0 0 m ，而深部煤层瓦斯 压力较大，因此采用的注水压力技术参数一般均在I O - - 2 0 M P a 以上。我国煤矿注 水以中、低压 小于I O M P a 为主【3 J 。注水参数的设计、选择及其应用必须与各 煤矿煤岩体的构造特征与力学性质相结合，因此，煤层注水的工艺参数的设置依 然是依靠经验。而这种通过工程类比进行选择确定的工艺参数，存在很大的随意 性和盲目性。由于各国的经验不能简单地借用，煤层注水参数的研究又不系统， 有些学者悲观地认为，注水参数的研究只有概略性的经验认识，而没有系统的研 安徽理工大学硕士学位论文 究结论。而随着计算机技术的不断发展，专家系统的广泛应用，针对不同特质煤 层，利用数值模拟的方法模拟出便于工程人员使用的注水工艺参数已成为可能。 地面钻孔水力压裂技术自1 9 4 7 年在美国堪萨斯州实验成功至今近半个世纪了 H 。其较早应用于在石油开采中，其他工程领域也相继广泛应用此技术。西方国家 美国主要利用地面钻孔水力压裂技术开采煤层气，仅阿拉巴马州利用地面钻孔开 采煤层气的数量就达到4 0 0 0 个【5 】。地面和井下钻孔煤层水力压裂抽采气体瓦斯试 验在我国开始于1 9 7 0 年。我国煤矿如阳泉一矿、白沙红卫煤矿、焦作中马村煤矿、 抚顺北龙风矿井和沈阳等多个矿相继开展此试验。在这些试验中有些煤矿取得了 较理想的效果，有的在试验过程中发现了一些问题，总结了一些知识经验[ 6 1 。水力 压裂技术就是在孔隙水压作用下岩石、混凝土等准脆性的破裂过程受控于原有的 孔隙系统、微裂纹等结构【7 】。对其破坏过程描述实际上是水压驱动下材料的微裂纹 逐渐萌生、进一步扩展和贯通，直到最后宏观大裂纹产生，导致破裂失稳的过程【8 】。 对于煤体而言，注水过程中水在煤岩体中的渗流运移，就是水在煤岩体裂隙一孔 隙中的流动问题。即水在煤层中的运移就是水在煤层中的渗流问题L 9 l 。 煤层发生破裂的压力大小主要取决于地层的垂向压力。煤层破裂压力尸与煤 层赋存深度日之间可用直线关系描述，即【1 0 1 P 0 ．0 2 6 5 H 3 ．5 1 ．1 式中尸_ ．煤层破裂压力，M P a ； 月r - 煤层赋存深度，m 。 地面钻孔水力压裂的钻孔直径一般采用1 6 5 m m ，固井采用1 2 7 m m 的钢套管， 并用水泥浆封固钻孔与套管之间的