考虑时效影响的深部煤层瓦斯运移特性

考虑时效影响的深部煤层瓦斯运移特性

张雷;周宏伟;王向宇;荣腾龙;陈超凡

【摘要】为了考虑长期抽采过程中时间效应对煤体渗透率的影响,结合平均有效应力建立了时间效应和气体解吸效应耦合作用下的深部煤体孔隙率及渗透率演化模型.运用COMSOL Multiphysics对钻孔周围瓦斯运移过程进行了定量计算,结合现场数据对是否考虑时间效应的瓦斯渗流场变化规律进行了对比分析,并对长期抽采过程中深部煤层瓦斯运移规律进行了模拟分析.结果表明:煤层渗透率随瓦斯压力的下降呈指数型上升趋势;考虑时间效应的孔隙率、渗透率模拟结果明显小于未考虑时间效应模型的结果,且随着抽采时间的增长,蠕变本构中的黏弹性元件使得煤体更为致密,深部煤层的时间效应越发明显,考虑时间效应的孔隙率、渗透率模拟结果与未考虑时间效应的结果差值逐渐增大;考虑时间效应的模拟结果与现场数据匹配度较高,更符合深部煤层孔隙率和渗透率的实际演化特征.在同一抽采时刻,随着距钻孔中心距离的减小,渗透率呈现升高的趋势,压力呈现降低的趋势,当模拟抽采时间为1d 时,临近钻孔中心处渗透率较大、瓦斯压力较小;在不同抽采时刻,当抽采时间逐渐增长时,相同位置处的渗透率逐渐增大,瓦斯压力逐渐减小,当抽采时间由1d增至30 d 时,临近钻孔中心处的渗透率增长近1.4倍,瓦斯压力降低近3.8倍,且模型内渗透率与瓦斯压力的演化趋于平衡状态.

【期刊名称】《煤炭学报》

【年(卷),期】2019(044)006

【总页数】9页(P1771-1779)

【关键词】深部煤体;时间效应;渗透率模型;瓦斯运移

【作者】张雷;周宏伟;王向宇;荣腾龙;陈超凡

【作者单位】中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;

中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;德国亥姆霍兹环境研究中心(UFZ),德国莱比锡04318

【正文语种】中文

【中图分类】TD712.6

随着煤炭资源开采向深部发展，资源地质赋存条件更加的复杂，煤岩与瓦斯的赋存环境处于高地应力、高地温、高渗透压[1]的状态，导致煤与瓦斯突出矿井和突出

煤层数量不断增加，瓦斯突出灾害的发生次数和突出强度相比于浅部煤层呈现上升趋势。瓦斯同时又是一种高效的清洁能源[2]，若能得到合理开发利用，可以有效

地改善能源结构。研究深部煤层瓦斯抽采运移特征对煤气资源的安全高效开采具有重要意义[3-4]。

前人基于不同假设条件，针对煤岩体的孔隙率、渗透率模型进行了深入研究。SEIDLE等[5]提出了一个动态的孔隙率演化模型，该模型考虑了煤体的膨胀收缩效应。PALMER等[6]考虑了孔隙压力和基质膨胀收缩对割理裂隙的孔隙率演化影响，提出了一个基于单轴应变和恒定垂向应力假设的渗透率模型。SHI等[7]提出的渗

透率模型考虑了吸附解吸引起的煤体变形，并提出了考虑水平有效应力的渗透率模型。CUI等[8]使用线弹性多孔弹性介质理论，考虑吸附解吸效应推导出了与平均

有效应力有关的渗透率模型。渗透率随着有效应力的变化归根结底是孔隙率随着有

效应力的变化[9]。

上述研究均未考虑时间效应对煤岩体渗透性的影响，而时间效应对于煤岩体的强度和变形有较大影响，同时也会造成渗透率的改变。在煤岩体时效特性的研究方面，周辉等[10]通过分析岩石破裂过程中强度的演化规律和机制，建立了岩石强度时效性演化模型，定量描述了恒定应力条件下岩石强度的弱化过程，从理论和机制上解释了岩石强度的时间效应问题。周宏伟等[11] 从分数阶导数出发,在常黏性系数Abel黏壶基础上提出了一种新的变黏性系数的Abel黏壶元件。利用两种分数阶Abel黏壶代替经典西原模型中Newton黏壶的方法,建立了基于分数阶导数的盐岩流变本构模型,并给出了该模型的解析解，较好地反映了盐岩流变的三阶段尤其是加速流变阶段。尹光志等[12]对煤层顶底板岩层试件进行卸围压蠕变及周期加载蠕变实验，并采用Burgers 体模型对采动影响下的岩体进行蠕变理论分析，建立了采动下煤岩蠕变损伤模型，较好地反映岩体蠕变曲线特征。周长冰等[13]分析了高温三轴应力下气煤蠕变特征，通过对不同温度下气煤的渗透率和孔隙率的分析,可以初步判断气煤蠕变特征发生变化的临界温度。许江等[14]进行了考虑时间效应的蠕变对含瓦斯煤渗透率影响的试验分析，发现在相同温度和有效应力条件下，经历蠕变后煤的渗透率会降低。郝富昌等[15]建立了钻孔周围煤体黏弹塑性模型和蠕变-渗流耦合作用下瓦斯运移模型，认为不同埋深钻孔均会随时间产生缩孔现象，进而确定了不同埋藏深度钻孔的有效抽采半径。

为了考虑煤岩体的时效性特征对瓦斯在煤层中运移的影响以及准确描述煤岩的孔隙率和渗透率演化过程，笔者以煤层割理裂隙的渗透性受三向应力影响的角度出发，借鉴CUI等[8]引入平均有效应力变化量来描述煤层渗透情况的思想，利用CUI等[8]建立的孔隙率、渗透率与平均有效应力变化量之间的指数关系，并结合蠕变本构建立了考虑时效性的孔隙率和渗透率模型，对比和分析了在模拟深部瓦斯运移过程中的作用。

1 考虑时效性的煤体本构方程

随着埋深的增加和瓦斯抽采时间的延长，含瓦斯煤的时效性特征越来越明显。NISHIHARA[16]提出了准静态流变模型——西原模型，用来描述时间效应影响下岩石的应力应变关系，如图1所示。该模型中包括胡克体，黏弹性体和黏塑性体。图1 经典西原模型Fig.1 Classical Nishihara model

根据不同元件的串联方式，整个模型的总应变可表示为

ε=εe+εve+εvp

(1)

式中，εe,εve和εvp分别为胡克体、黏弹性体和黏塑性体的应变。

本文只考虑煤层所受应力小于其屈服应力σs的情况，则西原模型的蠕变本构关系可表示为

(2)

式中，Ee为煤体的弹性模量,GPa;Eve为煤体的黏弹性模量,GPa;ηve为煤体的黏

塑性模量,GPa。

不考虑时间效应的应力应变本构方程由JAEGER[17]提出:

(3)

则考虑煤体基质蠕变效应、瓦斯吸附解吸的有效应力应变本构关系可由式(3)改写

成

(4)

式(4)中系数A,B，C表达式为