关于流固耦合模型在穿层钻孔瓦斯抽采中的模拟分析研究

简介：
本研究探讨了流固耦合模型在穿层钻孔瓦斯抽采的应用，通过数值模拟分析其效能，为煤矿瓦斯治理提供科学依据和技术支持。 为了研究钻孔瓦斯抽采过程中的渗流规律，并为合理布置钻孔提供依据，本段落提出了一个考虑气-水两相流动的瓦斯抽采流固耦合模型。基于多孔介质的有效应力原理，结合瓦斯吸附和解吸产生的应力影响，推导出了煤体的应力应变本构关系；同时分析了水分与瓦斯运移过程中的气-水两相流动特性，并通过相对渗透率建立了相应的数学桥梁，给出了水渗流方程以及考虑Klinkenberg效应下的瓦斯渗流方程。此外，在耦合项中构建了煤层孔隙度和渗透性的动态演化模型，并结合成庄矿4321工作面进行了数值模拟。 研究结果表明：对于该矿区的底抽巷穿层钻孔，将预抽期设定为90天是合理的；在瓦斯抽采过程中，渗流速度呈现出阶段性变化的特点。此外，在一定范围内增大负压对提高瓦斯抽采效果的影响并不明显。基于此模型和数值模拟结果推荐的最优布置方案是在终孔间距为9米、钻场间距同样设定为9米时进行穿层钻孔。 工程实践验证表明，实际测量得到的煤层瓦斯压力变化情况与通过上述理论计算及数值分析所预测的结果基本一致。抽采后该区域煤层中的瓦斯含量降低至6.46~7.67立方米/吨之间，并且在4321巷道中测得的瓦斯浓度下降了约37%，表明这种新型钻孔布置方式具有显著的实际应用效果和良好的抽采效率。