近日，我院周西华教授指导的博士研究生周丽君同学在煤层瓦斯灾害防治领域取得新进展，成果以论文“Modelling of flue gas injection promoted coal seam gas extraction incorporating heat-fluid-solid interactions”发表于能源国际顶级期刊《Energy》。该期刊2022年影响因子达8.857，位于中科院一区TOP期刊。
煤炭长期以来支撑我国经济和社会发展，是我国能源安全保障的压舱石和稳定器。截止2022年，在我国4397座煤矿中，有1470座煤矿是高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井，占煤矿总数的33.4%。随着浅部煤炭资源日益枯竭，我国煤矿逐步进入深部开采。煤岩体典型的高地应力、高瓦斯压力、低透气性及复杂地质结构等赋存环境极易诱发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等灾害，制约着煤炭资源的安全高效开采。瓦斯抽采是降低煤层瓦斯含量和压力的主要措施。然而，瓦斯抽采效率始终是瓦斯灾害治理领域亟待解决的关键问题。
向煤层注入烟道气（CO2/N2）有望实现减少温室气体排放和提高瓦斯抽采率。本成果提出了一种改进的热固流耦合数学模型，用于表示煤体变形、流体输运、能量守恒和孔隙度/渗透率的控制方程。经过验证后，将数学模型应用于模拟不同耦合形式、抽采方法和影响因素下的煤矿井下注烟道气强化瓦斯抽采过程。结果表明，所提出的数学模型综合反映了固体变形、三元气体和水的流动迁移、以及气体竞争吸附和热传递之间的复杂耦合作用。在忽略温度-流体-固体相互作用时，瓦斯压力出现了很大的误差，将影响抽采方案设计的合理性。受气体压降的主导，煤层渗透率首先增加，然后由于注入烟道气的到达，渗透率降低。煤层注入烟道气可防止由于注入纯二氧化碳引起的渗透率急剧降低和恶化。对于有效抽采区域而言，注烟道气强化抽采比纯瓦斯抽采或注二氧化碳强化抽采的区域扩展得更快。影响因素按作用大小依次为初始渗透率、注入压力、氮气吸附应变速比、二氧化碳吸附应变速率、注入温度和热膨胀系数。
