瓦斯流动数值模拟研究现状

采空区瓦斯浓度分布的数值解算也经历了一个逐步认识和发展的过程。章梦涛从场流角度给出了瓦斯运移定解条件及Galerkin有限元解法，早于波兰人J.Roszkowski和W.Dziurzyński应用计算机程序计算采空区瓦斯浓度分布，然而此种算法数值解稳定性差。1996年，丁广骧引入了迎风格式有限元方法，这样数值解得以稳定。李宗翔给出了非均质采空区渗流-扩散的有限元数值模型，直观描述了采空区瓦斯涌出过程、瓦斯分布规律及其在采空区上隅角瓦斯积聚的流体力学原理。后来又基于非均质多孔介质漏风渗流方程、多相气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流综合传热方程，建立了采空区瓦斯与自然发火耦合数值模型，开发了用迎风格式有限元方法联立求解的计算机程序（简称G3）。

徐涛、唐春安等在岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）的基础上，建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D-Flow耦合模型，给出了RFPA2D-Flow耦合模型的数值求解方法，并应用该模型对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟。模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下渐进损伤破裂诱致突出的全过程。模拟结果进一步表明延期突出与瞬时突出都是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质3个因素综合作用的结果，都具备突出的4个阶段，即应力集中阶段、应力诱发煤岩破裂阶段、瓦斯动力驱动裂纹扩展阶段和突出阶段，为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供了理论基础和科学依据。

尹光志等在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力，推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点，在前人的研究成果基础上，建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型，得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程，建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩固气耦合模型。利用有限元方法建立了相关的数值计算模型，并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。该研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。(www.xing528.com)

杨天鸿等引入煤体变形过程中细观单元损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟研究了煤矿开采诱发的煤与瓦斯突出过程、突出前后煤体中瓦斯压力的变化规律以及采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，对进一步深入理解煤与瓦斯突出机理、瓦斯抽放作用机制等并采取相应的预防和控制措施等具有重要的理论和实践意义。

李东印等引入溶质扩散平移方程和Fick扩散定律来模拟瓦斯的流动扩散行为，应用N-S方程和Brinkman方程构建工作面和采空区气体流动模型，并将两个模型有机地联系在一个统一的流动场中，基于质量守恒和压力平衡，建立出采煤工作面瓦斯流动的物理模型。进风巷道、回风巷道、工作面以及采空区瓦斯涌出和扩散被有效地联系在了一起，应用COMSOLMultiphysics多物理耦合分析工具求解该物理模型。结果表明，该模型能够模拟工作面和采空区瓦斯浓度分布，并能对瓦斯专排巷的位置布置、工作面通风方式优劣进行对比判断，对采煤工作面有一定的适用性。