煤層卸壓開采
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-02
煤層卸壓開采的實例教程
煤層卸壓開采瓦斯越流以及塑性變形 ￥100
煤層工作開挖過程，會引起鄰近煤巖層應力、變形場發生變化，以及引起臨近煤層卸壓，從而達到保護層開挖目的。本模型根據煤巖層之間的位置關系，建立瓦斯流動場、煤巖彈塑性變形場，供大家參考。
等效塑性應變
塑性范圍
煤層滲透率變化
煤巖層瓦斯壓力
本案例提出一種增強瓦斯開采的方法，即煤層注入CO2，增強甲烷開采的方法(CO2-ECBM)。在雙碳減排大背景下，煤層中注入CO2，一方面可以將其封存煤層中，減少其排放到大氣中；另一方面，利用CO2和甲烷之間的競爭吸附作用，CO2的吸附性大于甲烷的吸附性，這樣可以驅替甲烷，進而增強瓦斯開采。此方法的技術難點具有以下幾方面：一、煤層中注入CO2，涉及到雙組分，氣體運移更復雜；二、煤層的滲透率、孔隙率方程增添由CO2吸附擴散引起的變化項；三、涉及到的物理場增多，方程更復雜，數值求解中模型收斂性很難。
本文構建的物理場方程來自已公開發表的文獻，對于具體的數值求解方法，限于篇幅，會做出一部分解釋，主要從CO2-ECBM的機理角度出發。首先構建模型的物理場方程，如圖1。該物理場方程主要分為氣體擴散對流方程、溫度場方程、煤體變形控制方程，其中還有一些輔助方程，如滲透率方程、孔隙率方程等。煤體的有效應力方程考慮了基質、裂隙中的孔壓，基質變形引起的應力、煤層溫度變化引起的熱應力。同時在煤體變形控制方程中，考慮有效應力變化的煤體變形方程。煤體的對流擴散方程分為擴散項、對流項。此過程，將裂隙和基質假設為一個整體，在這個整體上獲得統一的CO2與甲烷的對流擴散方程，其中該系統的源項為0。溫度場需要考慮煤層本身的傳熱以及內部對流換熱與基質、煤體變形引起的溫度變化。將三個物理場方程耦合解算，是該數值模擬的一個難點。本案列選擇多物理場求解工具COMSOL,其在多場求解方面廣泛應用。
圖1 CO2-ECBM物理場方程
COMSOL中求解步驟主要為參數、變量設置，幾何模型設置，物理場設置，網格劃分，求解器設置，后處理。參數變量設置中，需要把CO2-ECBM耦合方程中，相關的參數、變量設置到全局參數中。同時把一些物理場方程用到的變量設置到局部變量中。
展開 基于朱萬成老師于2011年發表的文章《A model of coal–gas interaction under variable temperatures》，建模。控制方程如下所示：
得到的部分結果如下：
瓦斯壓力云圖
溫度云圖
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基于朱萬成老師于2011年發表的文章《A model of coal–gas interaction under variable temperatures》，建模。控制方程如下所示：
得到的部分結果如下：
瓦斯壓力云圖
本案例提出一種增強瓦斯開采的方法，即煤層注入CO2，增強甲烷開采的方法(CO2-ECBM)。在雙碳減排大背景下，煤層中注入CO2，一方面可以將其封存煤層中，減少其排放到大氣中；另一方面，利用CO2和甲烷之間的競爭吸附作用，CO2的吸附性大于甲烷的吸附性，這樣可以驅替甲烷，進而增強瓦斯開采。此方法的技術難點具有以下幾方面：一、煤層中注入CO2，涉及到雙組分，氣體運移更復雜；二、煤層的滲透率、孔隙率方程增添由
煤層工作開挖過程，會引起鄰近煤巖層應力、變形場發生變化，以及引起臨近煤層卸壓，從而達到保護層開挖目的。本模型根據煤巖層之間的位置關系，建立瓦斯流動場、煤巖彈塑性變形場，供大家參考。
等效塑性應變
塑性范圍
煤層滲透率變化
煤巖層瓦斯壓力
