[研究生课题] Numerical assessment of the critical factors in determining coal seam permeability based on the field data

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[研究生课题] Numerical assessment of the critical factors in determining coal seam permeability based on the field data

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课题承担人:褚鹏(点击查看


研究背景

煤层渗透率表征瓦斯在煤层中流动的难易程度,是控制煤层瓦斯运移的关键因素,准确获取煤层渗透性对瓦斯抽采具有重要意义。确定煤渗透性最直接的方法包括现场测量和实验室测量。但是,由于实验室与现场在煤样尺度、煤样裂隙、地质状况等方面的差异,实验室很难模拟现场情况,只能进行定性的、规律性的研究,要准确获得煤层的渗透率必须进行现场测定。目前,我国应用最广泛的煤层渗透率现场测定方法是周世宁院士提出的径向流量法,它是以径向不稳定流动为基础,根据达西定律和质量守恒推导出来的。

径向流量法虽然得到广泛应用,其存在许多不足之处。首先,煤层是典型的双孔介质,而径向流量法是基于单孔介质的瓦斯流动模型建立的,单孔介质模型忽略了基质瓦斯的扩散过程,认为瓦斯流动完全遵循达西定律,然而基质瓦斯通过扩散流动到裂隙这一过程一般是十分缓慢的,不能被忽略,尤其是当基质尺度较大时。其次,径向流量法推导过程中,使用抛物线方程代替朗格缪尔方程和理想气体状态方程来表征煤层瓦斯含量。然而,朗格缪尔方程包含朗格缪尔体积和朗格缪尔压力有两个参数,而抛物线方程只有瓦斯含量系数一个参数,它们是不同的曲线,所以抛物线不能准确的表示煤层瓦斯含量。最后,导出径向流量法的煤层瓦斯径向流动方程是一个变系数二阶偏微分方程,难以直接求解,将变系数看作常数,并用数值积分和模型试验的方法得出结果。以至于径向流量法在使用时需要多次试算才能找到合适的计算公式,有时甚至无法找到合适计算公式或存在两个互相矛盾的计算公式,这些是其数学计算上的缺点。因此,径向流量法获得的煤层渗透率会产生误差。

基于以上分析,本文建立了三个煤层瓦斯流动的数学模型,包括双孔理论的瓦斯流动模型(代表真实煤层瓦斯流动)、单孔理论的流动模型(忽略扩散过程)和抛物线方程的单孔理论的流动模型(忽略扩散过程并简化了煤层瓦斯含量)。径向流量法就是基于第三种模型建立的。通过数值模拟研究了不同裂隙间距、朗格缪尔体积和朗格缪尔压力下三种模型的差异,由此分析了对于不同参数煤层,使用径向流量法测定煤层渗透率的精确度。


课题进展

  • 2018.07-2018.09 阅读文献、书籍,学习煤层瓦斯运移、渗透特性相关知识,学习COMSOL Multiphysics数值模拟软件
  • 2018.10-2018.12 确定文章思路,进行数值模拟和结果分析,撰写初稿
  • 2019.01-2019.02 修改草稿
  • 2019.03-2019.05 文章翻译、润色、修改工作
  • 2019.05-2019.12 投稿、修改
  • 2019.12.04 录用(点击查看论文海报

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