低渗透煤层瓦斯流固耦合理论的研究

论文摘要

煤层瓦斯是在煤的形成过程中生成并赋存于煤层及煤系地层的一种天然气。它的存在对煤矿的安全生产构成了极大危害，已造成了多次重大伤亡事故。瓦斯抽放是预防瓦斯灾害的有效方法之一，但是随着煤层开采深度的增加，煤层透气性随之减小，从而影响了煤层瓦斯的抽放率和瓦斯抽放效果。因此，解决低渗透煤层的瓦斯抽放已成为确保煤矿安全生产、提高生产效率的关键环节。随着社会经济的发展和人类对能源需求的增大，煤层气资源的开发与利用也日益倍受关注，因此研究低渗透煤层的瓦斯流固耦合理论具有重要的社会价值和经济效益。本文首先对煤层瓦斯的地质特征及储存特征进行了概述，为耦合物性参数和煤岩有效应力的分析研究与建立煤层瓦斯流固耦合渗流模型提供了依据。然后在考虑低渗透煤层启动压力梯度的影响下，通过对瓦斯和水在煤岩孔裂隙中渗流规律的分析，建立了反映渗流过程的低渗透双重介质气—水两相流流固耦合模型。并利用有限差分法和有限元法对耦合方程进行了离散处理。最后编制计算机程序，以巷道钻孔瓦斯流动为例进行计算，并和未考虑耦合效应的渗流模型的模拟结果进行了比较分析，证明了流固耦合效应对煤层气渗流的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的内容
• 第二章 煤层的地质特征及瓦斯的储存特征
• 2.1 煤岩双重介质结构
• 2.2 连续介质场
• 2.2.1 连续流体
• 2.2.2 连续多孔介质
• 2.3 煤层瓦斯的赋存
• 2.3.1 吸附态储存机理
• 2.3.2 游离态储存机理
• 2.3.3 煤层瓦斯含量及其计算方法
• 第三章 低渗透煤层气-水两相流流固耦合模型的建立
• 3.1 基本假设
• 3.2 煤岩骨架数学模型
• 3.2.1 多孔介质的受力分析及有效应力原理
• 3.2.2 连续性方程
• 3.2.3 平衡方程
• 3.2.3 几何方程
• 3.2.4 物理方程
• 3.3 流固耦合数学方程的建立
• 3.3.1 低渗透流体渗流规律的分析
• 3.3.2 运动方程
• 3.3.3 流固耦合渗流方程
• 3.4 辅助方程
• 3.5 渗流场和变形场的边界条件和初始条件
• 3.5.1 渗流场的边界条件
• 3.5.2 煤岩骨架变形场边界条件
• 第四章 耦合模型的数值解法
• 4.1 离散化和有限差分
• 4.1.1 离散化
• 4.1.2 有限差分法
• 4.2 流固耦合模型的差分离散
• 4.3 差分方程的求解
• 第五章 煤层瓦斯流固耦合数值模拟分析
• 5.1 基本思路
• 5.2 程序的编制
• 5.3 巷道钻孔瓦斯渗流耦合模拟
• 第六章 结论与建议
• 6.1 全文总结与结论
• 6.2 不足之处
• 参考文献
• 致谢
• 读研期间发表的论文