钻孔抽采半径测定研究报告 - 图文(4)

淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 3 抽采钻孔瓦斯渗流数值模拟分析 本章运用流体力学软件FLUENT建立数值模型，模拟抽采钻孔周围煤体中瓦斯压力分布，研究抽采过程中煤体瓦斯渗流规律。通过改变模型参数及边界条件模拟抽采时间、煤层渗透率、抽采负压、瓦斯压力及钻孔直径等因素对抽采钻孔周围煤体瓦斯压力分布的影响规律，得出抽采钻孔瓦斯渗流规律及影响因素，为抽采半径测定提供理论指导。

3.1 数值模型建立

3.1.1 数值模拟软件简介

Fluent是目前国际上较领先的CFD软件之一，在流体建模中有广泛的应用。用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而达到了最佳的收敛速度和求解精度。Fluent软件有如下特点：

（1）惯性或非惯性坐标系、复数基准坐标系、滑移网格以及动静翼相互作用模型化后的接续界面在Fluent中可以很方便地找到并设置。

（2）Fluent内部集存大量的物性参数的数据库，里面提供了多种材料属性参数，此外用户可以非常便捷地指定自己的材料。

（3）高效并行计算能力，提供相关自动/手动分区算法；内设MPI并行机制，大幅提高了并行运算速度。此外，Fluent的动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算。

（4）Fluent软件开发出便捷的图形窗口面向广大用户，并向用户提供了二次开发接口(UDF)。

（5）Fluent具有后续数据导出功能，可对图形分析处理后的数据进行整理分析，而后创建可视化的图形并且给出相应的图表、曲线分析图等。

Fluent计算主要步骤有：（1）绘制几何模型，生成网格；（2）选择适当的求解器；（3）导入网格文件，检查网格；（4）选择计算模型，确定解的基本模型方程：无粘流、层流还是湍流、考虑有无化学反应、考虑传热与否、是否使用多孔介质模型；

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淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 （5）确定附加模型，指定材料的物理性质；（6）确定边界条件；（7）调节解的控制参数，计算求解。图3-1为Fluent求解计算的基本程序结构示意图。

GAMBIT设置几何形状生成2D或3D网络其他软件包，如CAD,CAE等2D或3D网络边界网格prePDFPDF查表PDF程序FLUENT网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理网格Tgrid2D三角网络3D四面体网络2D和3D混合网络图3-1 基本程序结构示意图

3.1.2 钻孔瓦斯渗流模型的建立

（1）基本假设

模拟方案中需要假设的条件包括：

①煤层各向同性，煤层中的瓦斯压力变化不影响其透气性系数及孔隙率，但在钻孔周围内的卸压范围内增大；

②可将瓦斯按理想气体，瓦斯渗流过程视为等温过程处理； ③煤层中瓦斯解析在瞬间完成； ④可以将煤层顶底板视为不透气岩层； ⑤瓦斯在煤层中的流动符合达西定律；

⑥煤层中的瓦斯含量满足以下方程：

p100?M?Aabp????? (3-1)

pN100?(1?0.31M)1?bp式中，a是煤的最大瓦斯吸附量，单位m3/t；b是煤的吸附常数，单位MPa?1；

p是瓦斯压力，单位MPa；?是煤的密度，单位t/m3；φ是煤的孔隙体积，单位

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淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 m3/m3；A是煤的灰分，单位%；M是煤的水分，单位%。

（2）几何模型的建立

根据现场实际情况建立了顺层抽采钻孔的二维模型，包括水平与竖直走向的切面模型，并进行网格划分，水平走向的横切面模型其中煤储层沿钻口方向距离设置为120m，煤储层宽50m，钻孔长60m，钻孔在煤层中间位置，封孔深度为10m，共划分了14410个网格，其中对钻孔加密部分5140个网格。煤壁切面的数值模型的大小为20×3（长×宽），钻孔孔径分别设置为75mm、95mm、110mm，共划分了2796个网格，其中对钻孔加密部分为876个网格。通过模型建立与网格划分后的二维模型图，如3-2所示。整个模型区域采用了结构化网格，由于钻孔周围压力梯度比较大，对此处网格进行了加密。

图3-2 数值模拟的网格划分图

3.2 模拟参数设置

3.2.1 模型基础参数设置

根据实验要求，将煤层设置为多孔介质渗流边界，k??模型应用于层流条件下的计算，瓦斯在煤层中的渗流模型选择多孔介质，分组进行五种不同条件下的模拟实验，条件参数设置如下：

抽采时间分别为（2d、4d、10d、20d、50d） 钻孔抽采负压分别为（-8KPa、-15KPa、-30KPa）

煤层渗透率分别为（2.22?10-15、2.22?10-17、2.22?10-19单位：m2） 钻孔直径分别为（75mm、95mm、110mm） 煤层原始瓦斯压力分别为（2MPa、2.5MPa、3MPa）

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淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 3.2.2 模型边界设置

将上面得到的网格模型（图3-2）导出，采用FLUENT进行解算。假设气体为理想气体，加入能量方程；由于煤层中瓦斯流速很小，设为层流；气体流动采用标准的k??模型，煤体采用多孔介质模型；由于抽采与时间有关，流体设为非稳态流；通过不同抽采时间、改变煤层抽采负压、渗透率、钻孔直径等参数，来模拟不同参数下流场抽采规律，在对进口边界进行初始化后，进行数值解算。

3.3 数值模拟结果及分析

3.3.1 抽采时间的影响

图3-3～3-7是在煤层渗透率为2.22×10-17 m2，钻孔直径75mm，瓦斯压力2MPa及抽采负压-8KPa情况下，不同抽采时间（2d、4d、10d、20d、50d）阶段煤层压力分布。

图3-3 抽采时间为2d时的瓦斯压力分布

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淮北矿区钻孔抽采半径测定研究报告 图3-4 抽采时间为4d时的瓦斯压力分布

图3-5 抽采时间为10d时的瓦斯压力分布

图3-6 抽采时间为20d时的瓦斯压力分布

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