不同载荷条件下煤与瓦斯气固耦合模型及其渗透率演化

瓦斯抽采或煤层气开采过程中，煤层的渗透率随着载荷条件发生变化也发生变化。传统的PM渗透率模型应用范围比较局限，其仅适用于单轴压缩且煤层上覆载荷不发生变化，对于复杂煤层的载荷发生变化，则就不适应。本案列通过选取两个不同的渗透率模型，其一是Zhang等人提出的应用范围更广泛的模型，其二是在煤层渗透率使用广泛的PM模型。煤层周围载荷发生变化，探究煤层变形、基质变形、孔压变化对煤层渗透率的影响，以及讨论PM模型的局限。

工况一：单轴压缩，上覆载荷无变化。如上图几何模型所示，其左右下边界为约束边界，上边界为固体载荷垂直应力。此模型，采用(1)双重孔隙-裂隙介质模型；(2)仅考虑裂隙渗流。在(1)中双重介质模型中，采用改进的Zhang的渗透率模型以及PM模型,在Zhang的模型，分为(a)考虑基质变形和孔压变化；(b)仅考虑孔压变化。在(2)中采用PM渗透率模型。

双重介质模型中改进的PM渗透率模型

单轴压缩情况下各渗透率演化

ZHANG的渗透率模型考虑煤层变形对有效应力、渗透率的影响，而PM模型未考虑煤层变形对渗透压率影响。钻孔附近的煤层变形较大，导致钻孔附近的煤体渗透率比值增大的幅度更大。未考虑基质变形的ZHANG的模型，渗透率演化的趋势和考虑基质变形的演化趋势相反，可以看到基质变形对渗透率的影响较大。

 

考虑基质变时的体应变

未考虑基质变时的体应变

从煤体变形的体应变可以看出，考虑基质变形时的体应变小于未考虑基质变形时的体应变，可能与煤基质收缩有关系。同时，考虑基质变形时在钻孔附近的y方向的位移大于周围的位移，这个区域收到煤基质影响范围更大。

 

单轴压缩瓦斯压力变化

单轴压缩瓦斯压力变化显示，考虑基质收缩时的渗透率瓦斯压力下降幅度最大，仅考虑裂隙渗流瓦斯压力下降幅度最小，其与煤层渗透率演化有关系。

但是仅考虑裂隙单孔渗流的瓦斯抽采量在前期确实最大的，其与是否考虑基质中瓦斯扩散有关系。

非单轴压缩情况下各渗透率演化

非单轴压缩情况下，ZHANG的模型渗透率影响在煤层左右边界附近的渗透率和单轴压缩有所不同，其主要原因在于煤层变形的影响。而在煤层右边界的两个ZHANG的边界条件相同时，渗透率变化也是相同的。PM模型的在不同条件下，其渗透率变化结果是相同的。

左右边界无约束时的煤体体应变

左边界受到水平压应力时的煤体体应变

非单轴压缩的两种情况中左边界煤体的变形明显不同，导致其渗透率演化趋势不同。而右边界煤体变形相同，所以其渗透率演化趋势也是相同的。从以上几种情况上看，煤体的渗透率受到煤层变形影响较大。PM模型未考虑煤体变形，则其边界条件改变时，不会影响渗透率的变化。

以上案列是在技术邻上发布课程的一部分，欢迎大家交流学习。