煤層瓦斯運移機理的分數階動力學模型及套用基礎研究

《煤層瓦斯運移機理的分數階動力學模型及套用基礎研究》是依託中國礦業大學，由康建宏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：煤層瓦斯運移機理的分數階動力學模型及套用基礎研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：康建宏
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

研究煤層瓦斯運移機理對於防治瓦斯災害、開發利用煤層氣等具有現實意義。國內外眾多學者一直致力於尋找形式比較簡單且更加切合實際的理論模型，以此闡明煤層瓦斯運移的力學機理。目前的理論模型以經典Fick定律和達西定律為理論基礎，將煤層孔隙-裂隙雙重多孔介質看成一種大尺度上均勻分布的虛擬連續介質，與實際情況有較大誤差。本項目將刻畫分形介質的分數階微積分套用到這一研究領域，基於反常擴散和分數階非達西滲流理論，建立非均質煤層類三相體（固體煤、吸附態瓦斯、游離態瓦斯）之間的多物理場（煤體變形、吸附瓦斯的解吸擴散、游離瓦斯的滲流）耦合分數階動力學模型。套用此模型，理論分析、數值模擬與實驗研究相結合，定量分析瓦斯在煤屑和鑽孔周圍煤層內運移的時空動力學特徵，揭示瓦斯運移過程中解吸擴散、滲流與煤體變形之間的多場耦合作用機制。本項研究旨在完善現有理論模型，為預防煤與瓦斯突出、提高煤層瓦斯抽采率等提供理論依據和指導。

結題摘要

煤儲層是由固體煤、吸附態瓦斯、游離態瓦斯構成的類三相體，煤層瓦斯運移是一個複雜的多場耦合過程，涉及煤基質瓦斯吸附解吸、煤裂隙內瓦斯滲流以及煤體的變形，如何構建和發展切合實際情況的理論模型，揭示煤層瓦斯運移的動力學機理，是國內外學者競相研究的熱點課題之一。本項目運用分數階微積分進行理論建模，通過數值模擬、實驗驗證、現場測試，將新的套用數學理論和礦業科學的基本問題結合起來，為研究煤層瓦斯運移的力學機理提供一種新思路。本項目建立了煤基質內瓦斯吸附解吸過程的分數階反常擴散動力學模型、吸附解吸傳熱過程的分數階熱擴散模型、多尺度列席內游離瓦斯滲流的分數階非達西模型、高地應力作用下煤體變形的分數階損傷蠕變模型。為了驗證模型的正確性，分別從貴州山腳樹煤礦、寧夏石嘴山煤礦、河南躍進煤礦和平頂山礦採集不同煤樣，分析了煤基質孔隙分布特徵，開展了瓦斯吸附解吸實驗以及煤體蠕變實驗。數值模擬結果發現，分數階模型比傳統模型能夠更好的擬合實驗數據。反常擴散和反常熱傳導是非均勻煤基質內瓦斯吸附解吸的主導熱動力學機理，Fick擴散模型預測瓦斯解吸量偏大，Fourier導熱模型預測吸附熱量偏高。分數階非達西滲流模型考慮煤裂隙的多尺度性、非均勻孔隙與裂隙之間的質交換關係等因素，更適合描述煤裂隙內的氣體流動。粘彈塑性損傷變形在煤體蠕變過程起主導作用，分數階非線性蠕變模型能夠準確預測蠕變的加速破壞階段。本項目建立了鑽孔周圍瓦斯運移的多場耦合模型，數值模擬了瓦斯濃度分布的時空動力演化規律，定量分析了初始地應力、初始滲透率、鑽孔直徑、抽采壓力、鑽孔間距與布置方式等因素對瓦斯抽采濃度、累計瓦斯抽采量、抽采速率和有效抽采半徑的影響，揭示了瓦斯運移過程的多場耦合作用機制，獲得了鑽孔抽采的最佳化參數，為煤層瓦斯抽采等工程實踐提供了理論依據。