瓦斯抽采的案例
Comsol在能源行業仿真中的應用——基于多工況下瓦斯抽采的多物理場耦合
<p> Comsol以其強大的多物理場耦合能力、強大的網格劃分以及高精度仿真結果廣泛應用于能源行業，多工況下瓦斯抽采的多物理場耦合是一個復雜且關鍵的研究領域。</p><p> 在瓦斯抽采過程中，主要涉及到的物理場包括煤體變形場、瓦斯滲流場、溫度場等，這些物理場之間的耦合作用對瓦斯抽采效果有著重要影響。瓦斯抽采過程中涉及多種工況：不同滲透率工況、不同負壓工況以及不同溫度工況。</p><p><strong>研究多工況下瓦斯抽采具有以下重要意義：</strong></p><ul><li class="ql-align-justify">優化瓦斯抽采方案： 通過對多工況下瓦斯抽采多物理場耦合的研究，可以深入了解瓦斯抽采過程中的物理機制和耦合規律，為優化瓦斯抽采方案提供科學依據。</li><li class="ql-align-justify">保障瓦斯抽采安全： 瓦斯抽采過程中存在著煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等安全隱患。 通過多物理場耦合分析，可以預測不同工況下煤體變形和瓦斯滲流的變化趨勢，提前采取有效的防治措施，保障瓦斯抽采的安全進行。</li><li class="ql-align-justify">提高煤炭資源回收率： 瓦斯是煤炭伴生的資源，合理高效地抽采瓦斯不僅可以降低瓦斯災害的風險，還可以將瓦斯作為能源加以利用，提高煤炭資源的回收率。
展開 comsol鉆孔瓦斯抽采半徑數值模擬 ￥80
為考察鉆孔設計參數的差異對瓦斯抽采半徑的影響，采用COMSOL數值模擬研究瓦斯抽采半徑在不同鉆孔布置方式和設計參數下的影響規律。研究發現，消突區域隨著抽采鉆孔間距的增大而增大，不同鉆孔間隔下的布置方式對抽采效果有較大影響。另外，消突區域直徑隨著鉆孔直徑的增大也逐漸增大，相比單個順層鉆孔，鉆孔耦合時，鉆孔直徑的變化對瓦斯抽采效果影響不大，因此在順層多孔耦合的條件下，通過增大鉆孔直徑的方法來擴大消突區域是不可行的。隨著抽采時間的延長，順層、多孔耦合鉆孔的消突區域逐漸增大，其消突區域有一個閾值，一段時間后，再繼續抽采瓦斯已經沒有效果。隨著抽采負壓的增大，鉆孔抽采影響半徑有小范圍增大，但增大的幅度遠遠小于抽采負壓的增大幅度，直到穩定在某個定值上。隨著抽采時間的增加，順層鉆孔單孔的抽采瓦斯流量逐漸降低，且降低的幅度逐漸減弱，最終逐漸靠近于某一個定值。單孔瓦斯流量與抽采時間之間呈現指數關系，并對此結論進行現場驗證，研究結果對煤礦瓦斯抽采鉆孔設計具有一定指導意義。
展開 瓦斯抽采鉆孔間距優化三維數值模擬量化研究
為了識別鉆孔間距對煤層瓦斯抽采的影響及如何實現高效抽采，基于流固耦合模型，建立三維幾何模型，使其更接近現場實際，借助 COMSOL 軟件模擬某煤礦鉆孔不同間距的瓦斯抽采過程，利用瓦斯壓力為 0.74 MPa 等壓面三維立體圖使有效抽采區域可視化，通過計算有效抽采區域體積大小，量化分析鉆孔間距對抽采效果的影響。結果表明：單一鉆孔抽采 120 d 時，有效抽采半徑約為 1.5 m；當布置多個鉆孔且鉆孔間距 d 為 5 m，抽采 120 d 時，瓦斯壓力為 0.74 MPa 的等壓面圍繞所有鉆孔近似呈圓柱狀但向內部凹陷(即出現空白帶)；鉆孔間距 d 為 2.1、3、4、5、6 m時，有效抽采區域體積 V 的大小順序隨著時間的增長而改變，抽采 120 d 時，Vd=5 m>Vd=4 m>Vd=3 m> Vd=2.1 m>Vd=6 m。綜合分析瓦斯壓力等壓面三維立體圖和有效抽采區域體積的大小順序，確定該礦鉆孔的較優間距為 4 m。研究提出的以有效抽采半徑、疊加效應、三維瓦斯壓力等壓面的形狀及有效抽采區域體積大小為指標的鉆孔間距數值計算考察方法，可為煤礦井下鉆孔間距優化布置提供參考。
具體部分內容見下文。掌握了這個案例就基本掌握瓦斯抽采相關內容，需要的私信聯系。
展開 COSMOL瓦斯抽采
COSMOL模擬瓦斯抽采，歡迎大家下載學習。
COSMOL瓦斯抽采.rar
巷道開挖采動應力作用下鉆孔瓦斯抽采案列
此案例為巷道開挖過程鉆孔施工煤巖體應力擾動時，煤體滲透率演化發展以及鉆孔抽采。該模型與傳統抽采模型相比具有以下創新點：傳統抽采模型并未考慮巷道開挖引起的采動應力對煤體滲透率的影響，該模型同時考慮巷道開挖與鉆孔施工引起的采動應力對滲透率分布影響，進而引起煤層瓦斯抽采效果。此模型可以看到巷道、鉆孔周圍塑性區域分布，可分析巷道鉆孔周圍主應力、主應變分布，此外該模型為三維抽采模型與二維模型相比更能反映實際抽采狀態。該建模過程分為三步：1.確定初始地應力；2.確定巷道、鉆孔施工引起的采動應力下煤體滲透率分布；3.調用采用應力下煤體滲透率，設置抽采負壓，進行鉆孔抽采瓦斯。
初始應力分布
巷道開挖應力分布
巷道周圍塑性分布
瓦斯壓力分布
鉆孔周圍滲透率分布
鉆孔周圍瓦斯壓力分布
展開 基于雙重孔隙介質模型的煤層熱流固瓦斯抽采 ￥200
該模型為低滲透煤層注熱，鉆孔瓦斯抽采過程。本模型采用雙重孔隙介質模型，在此基礎上耦合溫度場、煤巖變形場。需要該模型的請聯系：QQ1045343728
網格劃分
瓦斯壓力云圖
鉆孔周圍x方向應力分量
鉆孔周圍y方向應力分量
鉆孔周圍z方向應力分量
鉆孔周圍x方向應變分量
鉆孔周圍y方向應變分量
溫度云圖
煤層瓦斯壓力變化曲線
體載荷
體應變
煤層氣微波注熱的電磁-熱-流-固全耦合模型
微波能量可以通過波導和天線導入煤層，首先，由底板巷向煤層施工瓦斯抽采鉆孔；然后，將波導與天線連接并和抽采管一起放入鉆孔內；天線與鉆孔壁之間安裝特氟龍護管；最后密封鉆孔，打開微波發生器后實施瓦斯抽采。微波發生器產生的微波通過矩形波導、波導轉換器及同軸波導傳遞到鉆孔內的天線處，并由天線向煤層輻射注熱，一方面，微波輻射熱效應提高了煤體溫度，瓦斯氣體大量解吸；另一方面，微波輻射改變了煤體物性結構，煤層含水飽和度大大降低，煤體孔隙率、滲透率迅速提高，從而極大地促進了瓦斯抽采。由于煤基質是微波透明體，而煤中水分是微波吸收體，利用微波的穿透性對水進行選擇性加熱決定了其比注熱水或熱蒸汽更加節能，更加經濟。
煤儲層的微波注熱增產示意圖
煤層內的瓦斯運移涉及煤體變形、氣體滑移、吸附導致的基質收縮/膨脹、及熱傳遞，研究瓦斯運移必須兼顧各物理場的交互耦合。溫度是影響煤體變形及瓦斯運移的關鍵。瓦斯賦存具有極強的溫度敏感性；煤的異質性可能會引發不均勻受熱從而產生熱應力，這些熱應力會引起煤體形變并改造滲透率；煤體升溫會驅使氣體從煤基質中解吸出來并處于一種自由、活躍狀態。溫度的升高會促使瓦斯由吸附態轉變為游離態，微波熱改造會導致煤層溫度及含水率的改變，從而觸發復雜的氣-固耦合作用。近年來，眾多學者為定量表征煤層氣開采中復雜的氣-固耦合過程已建立了一系列數值模型，然而涉及微波電磁-熱耦合效應的煤儲層滲透率模型罕有報道。本模型的首先通過介質損耗將電磁場與傳熱場聯立起來以實現微波注熱，這是一個雙場雙耦合過程；然后，通過熱膨脹耦合模塊、熱流動耦合模塊、熱解吸效應、吸附膨脹效應建立起滲透率模型并將傳熱場、固體力學場及滲流場耦合起來，這是一個多場耦合過程；最終建立起一個電磁-熱-流-固全耦合模型。
展開 不同載荷條件下煤與瓦斯氣固耦合模型及其滲透率演化
單軸壓縮瓦斯壓力變化
單軸壓縮瓦斯壓力變化顯示，考慮基質收縮時的滲透率瓦斯壓力下降幅度最大，僅考慮裂隙滲流瓦斯壓力下降幅度最小，其與煤層滲透率演化有關系。
但是僅考慮裂隙單孔滲流的瓦斯抽采量在前期確實最大的，其與是否考慮基質中瓦斯擴散有關系。
非單軸壓縮情況下各滲透率演化
非單軸壓縮情況下，ZHANG的模型滲透率影響在煤層左右邊界附近的滲透率和單軸壓縮有所不同，其主要原因在于煤層變形的影響。而在煤層右邊界的兩個ZHANG的邊界條件相同時，滲透率變化也是相同的。PM模型的在不同條件下，其滲透率變化結果是相同的。
左右邊界無約束時的煤體體應變
左邊界受到水平壓應力時的煤體體應變
非單軸壓縮的兩種情況中左邊界煤體的變形明顯不同，導致其滲透率演化趨勢不同。而右邊界煤體變形相同，所以其滲透率演化趨勢也是相同的。從以上幾種情況上看，煤體的滲透率受到煤層變形影響較大。PM模型未考慮煤體變形，則其邊界條件改變時，不會影響滲透率的變化。
以上案列是在技術鄰上發布課程的一部分，歡迎大家交流學習。
展開 COMSOL-雙重介質煤層瓦斯抽采模擬 ￥38
基于擴散滲流的雙孔介質煤層瓦斯流動模型，可模擬抽采半徑，分析不同工況的抽采效果等
單孔抽采模擬-不同初始瓦斯壓力
單孔基質.jpg
單孔裂隙.jpg
單孔壓力分布.png
多孔抽采模型-不同抽采負壓
多孔裂隙.jpg
多孔基質.jpg
多孔壓力分布.jpg
附參考文獻
comsol考慮流-固耦合理論的煤層瓦斯抽采數值模擬 ￥100
煤儲層中瓦斯的吸附、解吸過程也會引起煤的膨脹變形和基 質收縮。因此，研究水射流擾動煤層后的瓦斯運移產出過程，必須要綜合考慮應 力場、變形場和瓦斯滲流場三場互相耦合作用。
基本假設 瓦斯在煤儲層中的運移產出是一個涉及多學科的及其復雜過程，包括滲流力 學、固體力學、材料力學、巖體力學等，需要引入必要的假設作為建立流-固耦合 偏微分方程的基礎。本文根據前人對流-固耦合理論的不斷研究，為建立含瓦斯煤 巖流-固耦合理論模型提出如下假設條件：
(1)含瓦斯煤巖可視為各向同性線彈性介質；
(2)將煤層視為均質，即煤層中各部分物理性質處處相同，并不隨著位置的變 化而變化；
(3)煤層溫度保持恒定；
(4)煤層中所含瓦斯視為理想氣體，且服從理想氣體狀態方程；煤層瓦斯解吸 服從 Langmuir 方程；
(5)煤巖的變形屬于小變形，含瓦斯煤巖變形所產生的應變與有效應力之間的 關系遵從廣義胡克定律；
(6)煤層中只有單相飽和的瓦斯飽流體，并且只有游離和吸附兩種狀態；
(7)設模型與外界隔絕，不發生任何形式的能量和物質交換。
求解結果
孔隙率數學模型
滲透率演化數學模型
應力場方程
滲流場方程
含瓦斯煤巖流-固耦合理論模型方程組
數學模型嵌入
應力場嵌入
展開 Risk Management: 降低土木|采礦事故(6/24/2021)
(4) 2021年6月21日9時55分，山西柳林寨崖底煤業有限公司井下3912回采工作面輔助運輸巷900m處，1名管道工在維護抽采管路時，被吸入直徑520mm的低負壓瓦斯抽采管路，經搶救無效死亡。說實話, 沒想到會發生這樣的事故. 同一設備維修和運行不能同時工作. 當設備需要進行檢修時, 一定得在停止工作后才能進行.
(5) 2021年6月22日下午14點, 在福州海峽國際會展中心附近潘墩路和濂水路交叉口，往東方向車道上，一輛大型水泥攪拌車行經此處突然路面塌陷，車尾部及后車輪掉入長約2米、深約1米多的大坑中，可能是頂管施工作業導致路面塌陷. 地面塌陷是國內城市逐漸顯現出來的一個問題, 近年來已經發生過多次重大事故, 今后也還會發生這樣的事故. 淺部的地下空間開挖是造成地面塌陷的主要原因.
(6) 2021年6月22日上午8時30分，寧波市鄞州區東部新城芳草路和會展路交叉口一工地外，有一樁機倒塌至東側芳草路上，導致一黑色轎車被壓，車內有2人送醫搶救無效死亡。(類似事故: 2017年11月20日，山東聊城高唐縣尚品·福城三期項目2#樓，在進行打樁作業過程中樁機傾倒，砸中臨近的施工現場員工宿舍板房，致板房坍塌，造成4人死亡，4人受傷。) 在本學期的<基礎工程>課程講授中, 還專門提及到這個因素. 長螺旋鉆機的特點是重量大, 高度長, 無論是在預備狀態還是工作狀態下, 鉆機的位置一定要選擇在相對平穩堅硬的地層上, 否則鉆機的輕微偏斜會導致鉆孔發生偏斜, 大的差異沉降就會發生這樣的事故. 軟土地基上施工時尤其需要注意.
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技術鄰周報Q18：結構設計/Abauqs/氣固耦合/NVH/巖土/iSolver/超彈模型/CFD/動力總成...
2、不同擴散模型下煤與瓦斯氣固耦合
作者：康康學長
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1829822
本文章主要通過介紹不同擴散模型下煤與瓦斯氣固耦合案列，探討基質中瓦斯擴散對瓦斯抽采流量以及抽擦效果的影響。首先擴散模型分為3類：(1)雙孔擴散模型(2)單孔擴散模型(3)動態時變擴散模型。
3、Abaqus疑難雜癥——局部坐標系的那些事兒
作者：
易公子
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1829859
本篇文章將詳細講解Abaqus/CAE中局部坐標系的一些故事，內容來源于本人平時學習軟件時的心得和官方在線手冊以及曹金鳳老師、石亦平博士編寫的《ABAQUS有限元分析常見問題解答》，分為基礎小白篇（面向初學者）和高手進階篇（面向中級Abaqus仿真師）。
4、新能源汽車驅動電機NVH仿真中的電磁力處理
作者：
沉魚落雁
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1829916
電機NVH是一個多物理場耦合的問題，其中涉及到的電磁、機構運動、熱流等領域，對應仿真也需要采用多個不同領域的求解器聯合求解。目前，對于由于電磁載荷引起的電機噪聲仿真一般采取先進行電磁仿真提取電磁力，然后將提取的電磁力加載到結構有限元模型上進行結構振動噪聲仿真的流程。
展開 不同雙重介質幾何模型構建對煤體甲烷壓力、變形的影響
一般情況下，大尺度煤層抽采瓦斯過程，采用的是模型2。這也給建模提供方便，實際煤層情況復雜，裂隙排列隨機分布，再考慮裂隙與基質分開，會給建模帶來不方便。
熱力流(THM)煤層注入CO2驅替甲烷開采(CO2-ECBM)
幾何模型中，采用1/4煤層進行構建，在中心位置設置注氣孔，在右上角設置抽采孔。物理場選擇2個系數型偏微分方程和1個一般形式偏微分方程，其中CO2與甲烷的對流擴散方程、溫度場方程采用系數型偏微分方程，煤層變形控制方程采用一般形式偏微分方程。對于，對流擴散方程的邊界條件設置中，在注氣孔邊界只設置CO2注氣邊界，在抽采邊界只設置甲烷抽采邊界。煤層變形控制方程中，需要設置對稱邊界，即零通量。在上邊界設置應力載荷，在右邊界設置位移邊界。煤層變形控制方程在固體力學中設置，也可以使用PDE模塊，編寫相應表達式。溫度場可在多孔介質傳熱方程設置，也可以用PDE方程變形相應表達式。本模型全部選用PDE方程編寫表達式求解，其好處在于可在同一求解器中求解，方便方程收斂。求解器采用全耦合隱式算法，采用自動(牛頓)非線性方法終止。
圖2 參數變量設置
圖3 幾何模型設置
后處理設置：后處理主要展示煤層滲透率、CO2，甲烷的壓力、煤層應力、位移變化等。具體分析，限于篇幅不在贅述，詳細分析見文獻。本案例還可以用在CO2地質封存,無抽采瓦斯分析中，以及其他相關案列中。歡迎大家交流學習。
The coupling mechanism of the thermal-hydraulic-mechanical fields in CH4-bearing coal and its application in the CO2-enhanced coalbed methane recovery
圖4 甲烷壓力變化
圖5 CO2壓力變化
圖6 滲透率比值
圖7 煤層位移
圖8 對角線滲透率比值
圖9 對角線壓力分布
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