煤层钻孔瓦斯抽采的流-固-热（HMT）多场耦合模型与应用基础

It is a significant measure of gas control and resource utilization using in-seam boreholes to drainage underground coal seam gas. Gas extraction is a complex hydrological-mechanical-thermal(HMT) coupling process in the deep coal mining with high temperature and high stress.Temperature and stress has important influence on coal deformation and gas desorption, diffusion and flow in the coal, besides the air-leakage of objective existence also has is important influence on gas drainage. However, the gas low-concentration extraction mechanism has not been quantitatively described by now under thermal-mechanical coupling condition, causing prediction results of gas extraction effect has a big deviation with the engineering practices. Based on previous theoretical researches, the mechanical experiment of stress-damage-seepage-temperature of gassy coal will be conducted under the thermal-mechanical coupling condition, and then the damage constitutive and permeability model under will be established. Based on above theoretical model, the evolving law of air-leakage fracture field and its permeability around the borehole can be quantitatively described. Finally, the HMT coupling model of in-seam gas drainage will be established to reveal the thermal-mechanical coupling effect, leakage characteristics of borehole, adjacent boreholes interference effect and borehole engineering parameters (e.g. borehole spacing, sealing depth and negative pressure etc.) on the influence mechanism of gas drainage. Thus, the sensitive parameters and their optimal values can be found. Research results can provide theoretical and technical supports for the effect prediction and quantitative design of in-seam gas extraction.

煤层钻孔瓦斯抽采是井下瓦斯治理和资源化利用的重要措施。深部煤炭开采的高温和高应力环境中，瓦斯抽采是一个复杂的流固热多场耦合过程，热力耦合作用对煤变形和瓦斯解吸-运移有着重要影响，同时钻孔客观存在漏气也直接影响着瓦斯抽采效果。热力耦合下瓦斯抽采浓度逐渐衰变的产气规律一直缺乏科学定量的理论描述，抽采效果预测与工程实际存在很大偏差。本项目在前期研究基础上，拟开展热力耦合下含瓦斯煤损伤-渗流力学实验，建立热力耦合下含瓦斯煤损伤本构和渗透性演化模型，定量刻画钻孔周边煤体漏气裂隙场及其渗透性演化规律；进一步发展并建立煤层钻孔瓦斯抽采的流固热耦合模型，研究揭示热力耦合效应、钻孔漏气特性、钻孔群叠加-干扰效应，以及不同抽采工程参数（间距、长度、直径、封孔深度和负压）等对瓦斯抽采效果的影响机制，定量确定关键敏感参数及其最佳值。研究成果可为煤层钻孔瓦斯抽采效果科学预测与抽采方案定量化设计提供理论和技术支撑。

项目围绕深部煤层钻孔抽采的热-固-流耦合问题开展了相应的实验和理论研究，主要成果如下：（1）研发了一种非常规天然气岩-气-热多过程耦合试验系统，提出了一种模拟热力耦合下煤体流固热化多场耦合的实验方法；开展了温度作用下煤粉吸附CO2和CH4的实验研究，采用SLD-PR模型研究分析了不同温度下煤粉对CH4和CO2的吸附特性；为探讨煤体的联通特性，建立了多孔介质煤样吸水力学模型，利用自发渗吸实验平台和孔隙特征综合探测技术，分析了孔隙特征参数对煤岩吸水量、吸水速率以及吸水时间的影响，评价了六种煤样的孔隙连通性。（2）提出了煤岩体跨尺度裂隙场瓦斯渗流安全度的概念，发展了煤层瓦斯抽采流-固-热-化多场耦合模型，能够定量计算瓦斯抽采的流量、浓度和温度等参数，揭示瓦斯抽采特征参数的时效性演化规律，为瓦斯抽采工程参数定量化设计提供了理论基础。（3）开发了煤矿瓦斯抽采工程参数设计的网络化服务平台，实现了设计对象与服务中心之间的线上和线下交互，完成了在线提交数据、在线审核材料、在线设计方案、在线评审等环节，极大的提高瓦斯抽采设计的效率和规范性。（4）基于瓦斯抽采的安全原则与效率原则，提出了瓦斯智能抽采的原理；以最大瓦斯抽采纯流量为目标函数，建立了瓦斯抽采管网参数的优化模型，分别从瓦斯浓度、流量以及效能比等单参数约束条件定量判定瓦斯抽采安全与效率；针对钻孔抽采区域温度高于临界温度、钻孔抽采纯量效率低于抽采纯量下限，以及钻孔抽采浓度低于瓦斯安全浓度下限等工况条件开展了理论分析和数值计算，提出了瓦斯抽采系统优化策略及智能提效调控技术方法，为管网抽采参数定量化设计与安全运行提供了理论基础和技术支撑。相关研究成果在屯兰煤矿、东曲煤矿和唐安煤矿转化应用，资助期间第一完成人申请发明8件（授权2件），著作软件著作权1件，发表SCI论文8篇、EI论文2篇，参加国内、国际会议5次，受邀组织一期Geofluids（SCI JCR1区）专刊。