多物理场耦合下的瓦斯运移与富集规律

COMSOL多物理场仿真分析软件涵盖结构力学、结构动力学、结构疲劳、热力学、流体力学（包括化学反应、多相流）、电磁、多场耦合功能，满足多物理场以及多场耦合仿真分析的需要。

软件以变分原理作为理论基础，通过偏微分方程进行模拟计算，可同时进行多个物理场的直接耦合求解，而非每次计算一个物理场的间接耦合，可轻易进行如多孔介质中渗流场、结构场、温度场等多个物理场的耦合分析。

该软件具有良好开放性，可实现与MATLAB以及Simulink混合编程，具有良好的开放性，在科研中可进行创新点研究。

COMSOL采用求解偏微分方程（PDE）的方法求解许多物理现象，这些偏微分方程可以用来描述流场、温度场、结构场等。以变分原理作为理论基础，通过偏微分方程进行模拟计算，可同时进行多个物理场的直接耦合求解，而非每次计算一个物理场的间接耦合，可轻易进行涉及的如多孔介质中渗流场、结构场、温度场等多个物理场的耦合分析。

根据UDEC离散元程序与钻孔成像仪现场观测到的裂隙区域，在COMSOL中建立3个区域，第一个是冒落带，第二个区域是裂隙带，第三个区域是裂隙带上方的微小裂隙区域，如图6.11所示，最上方的是微小裂隙区域。因为本处主要考虑己组煤上覆岩体的变形特征，因而此处没有对裂隙区域以外的原岩进行建模，这样可以节省计算机资源，同时对瓦斯运移的观测更加明晰。

图6.12所示为裂隙区域建立完成并进行网格划分，同理，图6.13所示为冒落带建好后的网格划分图。模型走向长800 m，倾斜长250 m。在软件中增加了DARCY定律控制方程，各区域的渗透率参数采用本书试验室试验中得到的煤体渗透率和裂隙渗透率，瓦斯源由模型右侧的采煤工作面提供。

此处进行瞬态分析，时间为1～10 000 s，初始瓦斯压力5 MPa，随时间衰减到0 MPa。

图6.14所示初始时间为0时刻，采煤工作面上瓦斯压力最大。从切面图上可看出瓦斯流线，瓦斯主要在冒落带的岩块中流动，流速较快。随着时间增长，冒落带中的瓦斯逐渐向裂隙带中运移。图6.15所示为瓦斯流量及矢量图，该图表征了瓦斯运移的方向及富集位置。图6.16所示时间序列完成后瓦斯的流动状态，除了在裂隙带内富集以外，瓦斯还向微裂隙区域产生孔隙级别的渗流。

利用钻孔成像技术和UDEC4.0数值分析软件，通过对己15煤层开挖后上覆岩层裂隙场演化及裂隙分布特征的分析，得出以下主要结论：

①采动裂隙场的主要特点是在离采空区垂距较远的岩层，裂隙发育以低角度甚至平行岩层层面的裂隙为主；在离采空区较近的岩层以高角度纵向裂隙和破碎的纵横交错的裂隙为主。

图6.11　COMSOL中生成的三带区域

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图6.12　裂隙区域网格划分

图6.13　冒落带网格划分

图6.14　切面图及瓦斯流线图

图6.15　瓦斯流线及运移矢量图

图6.16　瓦斯在裂隙区域的运移与富集

②从裂隙分布的数量来看，随着与采面距离的减小，裂隙数量急剧增加，受采动影响程度加剧；覆岩高度超过150 m左右的区域也有一定数量的较小裂隙发育，并且随着开采的进行，裂隙宽度和数量有所增大，说明戊9-10煤层底板开始受到己15-17200的采动影响。

③当工作面推到150 m时，煤层达到充分采动，由于岩石的碎胀性，采空区基本上被充满，上部覆岩有较小的离层，裂隙区影响高度达到60 m左右，垂直位移较大区域高度达到90 m，戊9-10煤层处于弯曲下沉带，煤层底板下沉急剧增加，说明戊9-10煤层已经开始受到己15-17200的采动影响。

④通过比较钻孔成像裂隙场观测的试验结果和数值模拟试验，戊9-10煤层处于采空区上方的弯曲下沉带中。当己15煤层采面推进到150m后，戊9-10煤层下沉变形量加剧，钻孔成像结果中戊9-10煤层底板纵横交错的裂隙呈增多趋势，说明受采动影响，戊9-10煤层卸压充分，己15煤层的开采对戊9-10煤层具有一定的增透作用。

⑤工作面覆岩破坏范围的形态呈现出两边高中间低的类似马鞍形。研究结果与前人研究不同在于，观测出微小贯通裂隙分布带处于传统“三带”的弯曲下沉带中，且与戊组煤层距离很近，随着下部煤层的开采微小裂隙数量增加，裂隙宽度增大，对戊煤层增透作用增强。