考虑塑性破坏的高瓦斯煤层水力冲孔气液固耦合模型

水力冲洗技术起源于20世纪80年代，主要用于提高美国圣胡安盆地煤层气的采收率。利用高压水冲洗煤壁，将破碎的煤块带出，在煤层中形成一定的空腔，将应力传递到钻孔周围，达到卸压的效果。钻孔周围的扰动使钻孔周围产生大量新的裂隙，改变了煤体的孔隙度，从而提高了煤层的渗透性。建立了考虑煤体塑性破坏的水力冲煤多场耦合模型，利用COMSOL Multiphysics软件研究水力冲孔过程的机理和变量的演化规律。煤层水力冲孔涉及到岩体塑性变形、瓦斯吸附等多物理量的相互作用。为实现水力冲孔强化采气复杂的应力-损伤-渗流耦合过程，提出了以下假设：

(1)发生塑性变形以及产生新的裂隙，而弹性变形仅改变裂隙的孔径。(2)水力冲孔引起的煤体塑性变形是一个产生新的裂隙和破坏原有煤体基质的过程。塑性破坏后的煤体被视为具有较小基质和较多裂隙的弹性介质，如图1（a）所示。(3)煤体是具有孔隙的双重连续介质。自由气体被认为是理想状态气体。(4)吸附气和游离气主要存在于孔隙和裂隙中，而水仅存在于裂隙中并在裂隙中运移，气体和水的输运过程如图1（b）所示。(5)气体的扩散过程服从菲克扩散定律，气体和水的渗流过程服从达西定律。(6)拉应力为正，压应力为负。

图1 气体运移过程

基质中瓦斯扩散方程：

瓦斯、水渗流控制方程：

煤体变形控制方程：

破坏判断准则（D-P准则）：

裂隙率控制方程：

几何模型与边界条件：

图2 几何模型及边界条件

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图3 钻孔周围渗透率分布

图4 钻孔周围瓦斯压力分布

图5 钻孔周围瓦斯饱和度分布

图6 钻孔周围瓦斯压力分布