基于Comsol+Multiphysic的含瓦斯煤岩流固耦合模型与数值模拟研究.docx

基于ComsolMultiphysic的含瓦斯煤岩 流固耦合模型与数值模拟研究李生舟 蒋长宝 姚俊伟 李铭辉 张千贵煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室（重庆大学），重庆400044摘要 ：为 了理解煤岩 体的瓦斯渗流机理 ，开展了含瓦斯煤 岩流固耦合作用规律 的研究。根据含瓦 斯煤岩孔隙率和 渗 透率动态变化的特性 及Klinkenberg效应，将渗流 力学与弹塑性力学相结合，建立含瓦斯煤岩流固耦合模型，通过给出 的 定解条件和相关参数 ，利用有限元方法 对数学模型进行数 值求解。模拟结果与实验中试件的应力-应变规律、变形和破 坏 形式相吻合，模拟的 渗流规律与实测趋 势一致，所提出的耦合弹塑性本构模型能有效地描述含瓦斯煤岩力学渗流特性。关键词：流固耦合；弹塑性；有限元SOLID-GAS COUPLING MODEL AND NUMERICAL SIMULATION OF COALCONTAININGGASBASEDONCOMSOLMULTIPHYSICLISheng-zhou JIANGChang-bao YAOJun-wei LIMing-hui ZHANGQian-guiStateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl(ChongqingUniversity),Chongqing400044,ChinaAbstract: Solid-gas couplingeffectofcoalcontaining gasisstudied inordertounderstandthegaspercolationmechanismin coalandrock.OnthepremiseofthatporosityandpermeabilityofcoalandrockareindynamicchangesandKlinkenbergeffect, thenseepagemechanicsandelastic-plasticmechanicsareconsideredtogethertoestablishedsolid-gascouplingmodelofcoal containinggas.Withthegivenfixedsolutionconditionsandparameters,thesimulationresultsofmathematicalmodelisfoundby thefiniteelementmethod.Simulationresultsare consistentwiththe stress-strainlaw,deformationand failuremodesofspecimenintheexperiment. Seepagelawobtainedinnumericalsimulationhassametrendswithexperimentaldata. Theelastoplastic solid-gascouplingmodelofcoalcontaininggascaneffectivelydescribethemechanicalpercolationcharacteristicsofcoal containinggas.Keywords:solid-gascoupling;elastoplastic;finiteelement第8次全国岩石力学与工程试验及测试技术学术交流会论文集且服从Dracy定律；(4)瓦斯吸附解吸符合Langmuir方程； 瓦斯吸附解析过程，单位体积煤岩体中瓦斯含量m为游离 (5)煤体变形为小变形。态瓦斯含量竹与吸附状态瓦斯含量％之和。假设瓦斯为理想气体，瓦斯在煤岩体中的渗流视为等温过程，则其中2．1孔隙率和渗透率动态变化模型【7。9】游离态瓦斯密度和压力满足如理想气体方程：含瓦斯煤岩采动影响过程中，孔隙率和渗透率都是动P8。∥p(7)态变化的，在弹性和塑性阶段变化规律有所差异，根据前人研究成果和适当假设给出了孔隙率和渗透率的动态变化式中：珐为瓦斯密度(kg／m3)；为厩斯压缩因子表达式。(kg／m3／Pa)，fl=M2／RT,其中为尥瓦斯气体摩尔质量当含瓦斯煤岩处于弹性变形阶段时。孔隙率9。定义(kg／km01)；R为理想气体常数(kghanol／K)；T为绝对温 为：度(K)。游离瓦斯含量IIIf可表示为：纠一矧(t一訇朋f 2岛缈(8)㈣式中：铷为煤岩初始孔隙率；岛为体积应变；P为瓦斯 根据前文的基本假设，煤岩体中的吸附瓦斯含量可由 压力(MPa)；印亏P-po为瓦斯压力变化(MPa)，其中舶为 朗格缪尔等温吸附方程求得，单位体积煤岩体中的吸附瓦 初始瓦斯压力(MPa)；丘为煤岩体骨架