不同双重介质几何模型构建对煤体甲烷压力、变形的影响

实验室中煤芯吸附瓦斯过程中，煤芯受到围压及甲烷流动的影响在不同位置发生不同程度的变形。常见的煤体模型为双重孔隙—裂隙介质，在假设过程中，基质系统与裂隙系统的几何模型重合，即基质与裂隙共用一个几何模型。本案列尝试将基质与裂隙分开(模型1），并与基质、裂隙重合时的模型(模型2）进行比较。

图1 模型1的甲烷压力、位移、应力、应变分布云图

图2 模型2的甲烷压力、应力、应变分布云图

图3 模型1、2AB两点甲烷压力变化

图1、图2中可以看到，模型1、2的分布云图存在很大的差异性，这主要与模型的构建不同有关。模型1中靠近注气孔的裂隙中甲烷压力首先增大，然后向周围的裂隙以及基质渗流，直到渗流到整个基质、裂隙中。而模型2中靠近注气孔的基质、裂隙中甲烷均增大，且裂隙中甲烷压力增加的速度快，这与基质、裂隙中渗透率不同有关。模型2中基质与裂隙在模型任意位置靠着质量交换维持着联系，交换速率与两者的压差有关，即压差越大，交换速率越大。模型1基质与裂隙的质量交换只存在基质与裂隙接触边界处，相当于渗透率不同的两个多孔介质串联在一起。基质、裂隙组合构建不同对甲烷流动、煤体变形产生影响，模型1的甲烷压力首先在裂隙中渗流，然后逐渐向基质渗流，根据基质、裂隙渗透率的不同，甲烷压力变化如图1。AB两点甲烷压力变化如图3所示，其分布趋势满足上述分析。模型1、2的位移变形情况，也随着甲烷压力分布不同存在差别。以有效应力分析为例：模型1的有效应力在注气孔边界存在应力集中，但集中点仅限于部分，基质右下角的应力大于周围的应力，逐渐向右上变转移，最后各个位置应力保持一致。模型2的注气孔附近应力均大于周围应力，其与模型1存在明显差异，这就与甲烷压力分布有很大关系。

从上述模型比较分析来看，基质、裂隙不同的构建方式影响甲烷压力分布，进而影响煤体变形。一般情况下，大尺度煤层抽采瓦斯过程，采用的是模型2。这也给建模提供方便，实际煤层情况复杂，裂隙排列随机分布，再考虑裂隙与基质分开，会给建模带来不方便。