不同温度下含瓦斯煤岩体的多场耦合数值模拟

秦 涛， 张凯云， 刘永立

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室，哈尔滨 150022;2.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037000)

随着煤矿机械化水平的提高、开采规模和强度的增大，我国煤矿开采深度正在以每年8～20 m的速度向深部延伸，国有重点煤矿平均采深已达700 m[1－3]。开采深度的增加促使开采环境发生显著变化，出现高地应力、高温、煤体低渗透性和低强度现象，致使煤与瓦斯突出、冲击地压以及其他煤岩体突然性破坏的频度和强度增加，极大地增加了在煤矿深部实现安全高效开采的难度[4－8]。

国内外学者对动力灾害诱发因素做了大量研究工作，取得了一些突破，但由于深井动力灾害诱发因素众多，动力灾害多因素耦合孕育规律研究尚存在较多问题[9－12]。目前，多数研究设定温度为恒定条件，考虑的影响因素相对单一，同时对综合考虑地应力、瓦斯压力、温度影响条件的温度－渗流－应力三场耦合的含瓦斯煤岩体研究较少。因此，笔者考虑开采深度、地温对煤矿深部开采岩石变形破坏的影响，建立含瓦斯煤体热－流－固耦合模型，并进行数值模拟分析，研究地应力、瓦斯压力和温度等动力灾害诱发因素的相互耦合作用规律，以期为含瓦斯煤岩体动力灾害机理研究提供理论基础。

1 热－流－固耦合数值模型

考虑不同温度条件下含瓦斯煤岩体瓦斯压力、温度和应力的变化，采用COMSOL Multiphysics有限元软件，建立数值模型，分析煤矿动力灾害诱发因素的耦合关系。研究煤岩体的初始地应力(文中以载荷代替)F0为25.48 MPa，初始瓦斯压力p0为1.7 MPa，初始温度 T0分别为303.15、313.15、323.15 和333.15 K时，煤岩体及工作面的瓦斯压力、温度、位移、瓦斯渗流速度的变化规律。建立的几何模型由上、中、下三部分组成，分别表示煤层顶板、煤层、煤层底板。文中模型为二维模型，如图1所示。顶板长10 m，高1 m;煤层长9 m，高2 m;底板长10 m，宽1 m。顶底板与煤层相通，瓦斯可以在整个区域渗透流通，整个区域亦可以传递热量。模型四周与外界无传导边界条件，左侧凹部表示工作面。耦合模型网格划分如图2所示。煤层及煤岩体中瓦斯的基本物性参数如表1所示。

图1 物理模型Fig.1 Physics model

图2 网格划分Fig.2 Picture of mesh partition

表1 煤体基本物性参数Table 1 Basic physical parameters of coal

2 模拟结果分析

2.1 温度对瓦斯压力的影响

初始温度不同时，煤岩体瓦斯压力线见图3，其中l为弧长。

图3 初始温度不同时的煤岩体瓦斯压力线Fig.3 Gas pressure of coal or rock in different initial temperature

由图可以看出，初始温度不同，瓦斯压力线走势相同，且基本重合(图3a);瓦斯压力线走势随着时间推移变化趋于平稳(图3b)。含瓦斯煤岩体中，随着初始温度的增大，同一时间、同一位置瓦斯压力基本不变;随着时间的推移，瓦斯压力的变化逐渐减小直至不变;工作面附近瓦斯压力小，煤壁工作面附近瓦斯压力梯度大。这说明地温热效应显著区域更加容易发生煤岩体动力灾害事故。

2.2 温度对煤岩体总位移的影响

初始温度不同时，煤岩体的总位移如图4所示。

图4 初始温度不同时的煤岩体总位移线Fig.4 Total displacement of coal or rock in different initial temperature

从图4可以看出，不同初始温度条件下，煤岩体总位移线走势相同，曲线呈W形，且基本重合;总位移线随时间推移最终趋于稳定。随着初始温度的增大，含瓦斯煤岩体在同一时间、同一位置的总位移基本不变;总位移初始时刻变化较大，随着时间的推移，最终趋于某一稳定值。

2.3 温度对瓦斯渗流速度的影响

初始温度不同时，煤岩体瓦斯渗流速度线如图5所示。由图5可见，不同初始温度条件下，同一时刻瓦斯渗流速度线走势相同，且基本重合;瓦斯压力线走势随时间推移逐渐趋于平缓。随着初始温度增大，同一时间、同一位置含瓦斯煤岩体中的瓦斯渗流速度基本不变;随着时间的推移，瓦斯渗流速度的变化逐渐减小直至不变;工作面附近瓦斯渗流速度大，对煤岩体发生动力灾害事故影响较大。在温度变化不大的情况下，掘进工作面中的瓦斯浓度因温度的改变变化并不明显，基本上可以不考虑其影响。因为随着温度的升高，瓦斯虽然会更加活跃，但是其黏度系数并不会发生明显的改变，因此，其他条件不发生改变的情况下，渗流速度也不会发生明显的变化。

图5 初始温度不同时的煤岩体瓦斯渗流速度线Fig.5 Seepage velocity of coal or rock in different initial temperature

2.4 温度对总压力的影响

初始温度不同时，煤岩体总压力线如图6所示。

图6 不同初始温度时的煤岩体总压力线Fig.6 Total pressure of coal or rock in different initial temperature

从图6可以看出，不同初始温度条件下，同一时刻总压力线走势相同，且基本重合;随着初始温度的增大，含瓦斯煤岩体在同一时间、同一位置的总压力变化不大;总压力随着时间的推移先逐渐增大直至平稳。

3 结束语

利用COMSOL数值模拟软件，建立含瓦斯煤体热－流－固耦合模型，研究瓦斯压力、渗流速度、煤岩体位移、总压力随温度变化的规律。在温度变化不大的情况下，掘进工作面中的瓦斯浓度随温度的改变而发生变化，但不明显，基本上可以不考虑其影响。随着温度的升高，瓦斯虽然会更加活跃，但是其黏度系数并不会发生明显的改变，因此，其他条件不发生改变的情况下，渗流速度也不会发生明显的变化。煤壁工作面附近处的瓦斯压力梯度增大，地温热效应显著区域更加容易发生煤岩体动力灾害事故。

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