基于流固耦合模型的穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

李胜^1,2，毕慧杰¹，范超军¹，罗明坤¹，兰天伟¹

1. 辽宁工程技术大学矿业学院2. 深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室

摘 要：为研究钻孔瓦斯抽采渗流规律,为钻孔合理布置提供依据,提出了考虑气-水两相流的瓦斯抽采流固耦合模型。在多孔介质的有效应力原理基础上,考虑瓦斯吸附/解吸产生的应力,推导出煤体应力-应变本构关系;分析水和瓦斯运移的气-水两相流过程,以相对渗透率为桥梁,给出水渗流方程和考虑Klinkenberg效应的瓦斯渗流方程;构建作为耦合项的煤层孔隙率和渗透率动态演化方程,结合成庄矿4321工作面进行数值模拟。结果表明:成庄矿4321底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采预抽期定为90 d是合理的,抽采过程中瓦斯渗流速度具有阶段性,增大抽采负压对抽采效果影响不明显;穿层钻孔布置方式为终孔间距9 m,钻场间距9 m。工程实践表明,测得的煤层瓦斯压力变化情况与数值模拟结果基本吻合,抽采后煤层瓦斯含量为6.46⁷.67 m³/t,43212巷瓦斯浓度降低了37%,抽采效果良好。

关键词：瓦斯抽采;流固耦合模型;穿层钻孔;钻孔布置;