钻孔周围煤体径向瓦斯渗流分区响应机制与非线性渗流演化规律研究

《ACS Omega》：Research on the Construction of a Radial Seepage Model for Porous Media and Simulation of the Response Mechanism in Different Zones

本综述针对深部煤层瓦斯抽采难题，通过建立钻孔周围煤体径向渗透率动态演化模型，结合COMSOL数值模拟系统揭示了"卸压区-应力集中区-原岩应力区"三区耦合作用下的瓦斯渗流规律。研究发现：钻孔扰动导致应力重分布形成蝶形分区，卸压区渗透率提升至4.64×10-16m2；渗流过程呈现时空演化特征，初期卸压区出现达西（Darcy）流向弗希海默（Forchheimer）非线性流转变，后期受应力集中区低渗和克林肯贝格（Klinkenberg）效应影响回归线性流。研究成果为优化瓦斯抽采参数提供了理论依据。

　　

引言

随着我国煤矿开采深度增加，深部煤层呈现瓦斯含量高、压力大、渗透性低的特点，显著增加了煤与瓦斯突出风险。钻孔瓦斯抽采作为防治瓦斯灾害的关键技术，其效率受钻孔周围煤体应力重分布的直接影响。现有研究多关注全煤层平均渗透率响应，对径向分区渗流特性及动态响应机制的研究尚不充分。

理论与方法

基于焦作矿区赵固二矿工作面地质条件，建立钻孔周围煤体径向瓦斯渗流模型。根据应力-损伤特征将煤体划分为弹性阶段（对应原岩应力区和部分应力集中区）和峰后破坏阶段（对应部分应力集中区和卸压区），分别建立渗透率演化模型：

• •
  应力集中区/原岩应力区：k=k₀exp[-3λ(σ′-σ′₀)]
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  卸压区：k=k′₀exp[3ηD_s(σ′-σ′₀)]
  通过耦合煤体变形控制方程和瓦斯渗流控制方程，构建40×80×6m几何模型，设置钻孔直径133mm，采用COMSOL进行数值模拟。基本参数包括初始渗透率2×10^-16m²、瓦斯压力0.86MPa、弹性模量1.68×10⁹Pa等。

结果分析

应力分布

钻孔开挖后周围应力呈"蝶形"分布，径向依次形成卸压区（应力≈6MPa）、应力集中区（峰值应力18.5MPa）和原岩应力区（应力≈16MPa）。塑性应变集中分布于钻孔两侧0.4m范围内，与应力集中区重合。

瓦斯压力与流场

瓦斯压力随径向距离增加而升高，流线在钻孔两侧密度大于上下部。监测数据显示，距钻孔0.05m处初始渗流速度达0.8×10^-4m/s，30天后衰减至0.41×10^-4m/s。时空演化表明，近钻孔区域压力衰减显著，远区压力变化滞后。

渗流特性

渗流速度和压力梯度均随径向距离增加而衰减。应力集中区在不同时间步均符合达西线性渗流，而卸压区在初始阶段（t=0天）当压力梯度>8MPa/m时呈现非线性渗流特征，30天后非线性阈值降至2MPa/m。

渗透率演化

卸压区渗透率在距钻孔0.4m内达最大值4.64×10^-16m²，随距离增加而降低；应力集中区及以远区域渗透率逐渐回升至1.82×10^-16m²，与煤体弹塑性变形特征吻合。

讨论

渗流过程呈现三阶段动态响应：

1. 1.
   初始阶段（t=1天）：卸压区裂缝网络发育，高压差导致非线性渗流；
2. 2.
   持续阶段（t=60天）：原岩应力区瓦斯向钻孔迁移，受应力集中区低渗和克林肯贝格效应影响，卸压区渗流回归线性特征；
3. 3.
   稳定阶段（t=120天）：非线性现象减弱，渗流主要由吸附-解吸动态平衡维持。

结论

1. 1.
   钻孔周围应力分区分异导致瓦斯渗流路径优选，两侧剪切应力主导区形成高效渗流通道；
2. 2.
   卸压区渗流状态随压力梯度增加由达西流向弗希海默非线性流转变；
3. 3.
   渗流后期受多重效应耦合影响，非线性渗流特征逐渐减弱。研究成果为深部煤层瓦斯高效抽采提供了分区调控理论支持。