COMSOL能源开采仿真案例（一）

声明：以下案例均为本人原创或复现文献，有关模型问题欢迎交流讨论。

1、 双孔孔隙介质瓦斯抽采

1.煤层瓦斯流动气固耦合模型（单相流）

模型介绍：基质中瓦斯扩散、裂隙中瓦斯渗流，分析不同工况条件下渗透率演化、有效抽采半径、抽采产量。使用模块：PDE（基质瓦斯扩散），达西定律/PDE（裂隙瓦斯渗流），固体力学/PDE（煤体变形控制方程）。工况条件：双重孔隙模型、仅考虑裂隙渗流模型。

图1 物理场方程

图2 瓦斯压力

图3 瓦斯抽采产量

2. 不同扩散模型下瓦斯扩散、渗流特性

模型介绍：采用时变扩散模型、双孔扩散模型，分析煤粒瓦斯解吸扩散特性。耦合不同扩散模型与裂隙中瓦斯渗流，分析瓦斯渗流特性。煤粒中瓦斯解吸扩散采用PDE模块，采用吸附与解吸模型，分析不同扩散模型下的吸附平衡时间。

3.瓦斯+空气/水/CO2/N2混合流动模型

1）钻孔瓦斯抽采过程中漏风影响瓦斯抽采效率

模型介绍：瓦斯抽采过程，巷道工作面中空气流入煤层中，钻孔裂隙圈周围空气流入钻孔中，降低瓦斯抽采浓度。物理场方程选用达西定律与固体力学方程，瓦斯的压力梯度影响空气流动，混合气体抽采。物理场使用的方程如下：

物理场方程

瓦斯压力、空气压力

2）钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯-水两相流

模型介绍：瓦斯抽采过程中，残余水的饱和度与压力的变化，在钻孔边界处设置水的残余饱和度，水压及瓦斯抽采压力，分析不同初始水的饱和度下瓦斯的抽采量。

控制方程及几何模型

瓦斯饱和度、水饱和度

3）注入CO2/N2驱替瓦斯增产混合流动模型

模型介绍：注气井中注入CO2/N2，与甲烷发生竞争吸附作用，促进甲烷解吸，起到增产增流的目的。注入井中，可注入CO2/N2或者同时注入CO2、N2，分析不同注入压力、注入速率下甲烷的抽采产量、流动速率。

CO2-ECBM多场耦合物理场方程

CH4 (左)、CO2(右)压力分布

4.弹塑性卸压煤层瓦斯开采

1）冲孔造穴强化抽采

模型介绍：对于低渗煤层，冲孔造穴是井下强化抽采措施之一，钻孔周围存在塑性残余区、塑性软化区、弹性区，针对各分区中渗透率分布情况，瓦斯渗流速率、抽采产量均发生改变。煤体塑性损伤采用匹配摩尔库伦的D-P准则，渗透率根据损伤情况发生相应变化。

控制方程及耦合关系

几何模型及边界条件设置

弹塑性区域

2）巷道开挖卸压开采

模型介绍：巷道开挖，引起周围的煤层卸压，需要考虑卸压之后渗透率的分布，进而影响卸压后瓦斯压力、流量的变化以及卸压排放带宽度。模型求解的关键在于卸压、增透范围获取。

工作面周围渗透率比值及瓦斯压力

3）最大主应力拉压破坏准则+comsol中迭代损伤

损伤判断准则

损伤量及渗透率分布

4）保护层开挖，被保护层卸压开采

模型介绍：保护层工作面开挖过程中，在煤层顶板与底板范围内煤岩层卸压，应力得到释放，对于工作面下方的被保护层，应力大幅度释放，渗透率增大幅度较大，更有利于瓦斯抽采。

渗透率（左）及瓦斯压力（右）分布

被保护层上渗透率分布

5）巷道工作面掘进+钻孔瓦斯抽采

模型介绍：巷道开挖，引起巷道周围应力释放，采动应力下穿层钻孔瓦斯抽采，分析采动应力下瓦斯抽采产量、流量等。