煤層中水驅(qū)瓦斯建模與數(shù)值模擬.pdf

1、煤層中水驅(qū)瓦斯建模與數(shù)值模擬重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文（學(xué)術(shù)學(xué)位）學(xué)生姓名：許小龍指導(dǎo)教師：曾忠教授專業(yè)：流體力學(xué)學(xué)科門類：工學(xué)重慶大學(xué)航空航天學(xué)院二O一五年五月重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要I摘要水驅(qū)瓦斯是一種簡單高效快捷的瓦斯開采方法。在開采過程中，多孔介質(zhì)流固耦合是其重要的一部分。合理使用水驅(qū)瓦斯技術(shù)，可以提高瓦斯開采效率并確保瓦斯開采過程中的安全施工。注水開采瓦斯的過程中，涉及到非常復(fù)雜的多相流的流固耦合問題。因此，為了保證煤礦安全開采

2、和提高瓦斯利用率，對水驅(qū)瓦斯中的流固耦合問題的基礎(chǔ)研究對于改善水驅(qū)瓦斯的開采技術(shù)非常有必要。目前主要的流固耦合研究思路為流體采用歐拉法描述，固體采用拉格朗日法進行描述或者例如無網(wǎng)格法中，流體與固體均采用拉格朗日法進行描述。本文不同于上述方法，對流體與固體均采用歐拉法進行統(tǒng)一描述，并統(tǒng)一離散。本文基于有限體積法對水驅(qū)瓦斯過程中復(fù)雜流固耦合的問題使用歐拉法進行統(tǒng)一建模并數(shù)值模擬。首先，利用歐拉描述方法，將煤層簡化為多孔介質(zhì)，建立多相流多孔介

3、質(zhì)流固耦合的數(shù)學(xué)模型，該流固耦合模型對于流體與固體均采用歐拉法進行統(tǒng)一描述，流固耦合通過添加外力項實現(xiàn)耦合作用。然后，對于已建立的數(shù)學(xué)模型，進行無量綱化，并采用有限體積法對該偏微分方程組進行統(tǒng)一離散和數(shù)值求解，同時對模型正確性進行驗證。最后，對幾種典型工況的水驅(qū)瓦斯過程進行了數(shù)值模擬，并對模擬得到的的流動的速度場、壓力場以及固體的應(yīng)變場等數(shù)值結(jié)果進行了詳細分析。結(jié)果表明：（1）本文建立數(shù)學(xué)模型的驗證算例數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果在趨勢上吻合，可

4、以從整體趨勢上對水驅(qū)瓦斯效果進行評估，但具體數(shù)值仍存在誤差，這主要因為模型簡化時忽略吸附解吸的作用，以及實驗測量誤差等因素綜合作用。（2）模擬計算不同的開采入口與出口距離和不同的入口速度的結(jié)果表明：當(dāng)入口出口距離增加或入口速度增加時，煤層的運動速度、應(yīng)變以及孔隙率均會增加。（3）確定了應(yīng)力應(yīng)變較大的三個區(qū)域為：緊挨入口上端處，水與上壁接觸以及水與左側(cè)固壁接觸的位置，其易引起煤層斷裂破壞。其中入口處和水與上壁接觸區(qū)域斷裂破壞獲得實驗驗證。