瓦斯渗流文献综述

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1、瓦斯渗流影响因素文献综述1引言煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占70%左右。在未 来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是 关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业【1】。煤炭形成过程中 会伴生大量以甲烷为主的烃类气体，俗称瓦斯或煤层气。瓦斯的形 成、存储和释放一直伴随着整个成煤过程。在漫长的地质年代中， 随着含煤地层经受各种构造运动，至今已有大部分瓦斯逸散到大气 中，仅有部分还保留在煤层和岩层中。一方面，井下瓦斯灾害是煤矿生产过程中的最严重灾害之一； 另一方面，煤层气又是一种清洁能源。我国煤层气资源很丰富，是 我国重要的接替能源之一，并且合理开发煤层气资源可以从根本上

2、 消除除煤矿瓦斯灾害隐患。众所周知，煤是孔隙-裂隙双重介质，与 煤伴生共存的瓦斯以吸收、吸附和游离状态赋存于煤层中。影响煤 层瓦斯运移和富集的主控因素主要为所在区域的煤岩性质、煤系地 层的地球物理场及地质构造。采矿活动虽不会改变所在区域的煤岩 性质和地质构造格局，但必然会引起局部地球物理场发生变化，从 而导致煤层中本已平衡的瓦斯再次发生迁移和重新分布。然而瓦斯 在煤体中的再次运移和重新分布也是井下发生瓦斯灾害特别是瓦斯 动力灾害的根本原因。渗流是指流体在多孔介质内的流动。含瓦斯煤的瓦斯渗流研究 是在地球物理场作用下对瓦斯在煤体中流动状态的研究。在煤矿开 采的各种瓦斯动力现象中，煤层瓦斯的突出、

3、涌出等均与煤层的渗 透性有关，因此，系统的研究煤层的渗透性能，是防止煤矿自然灾 害的理论基础。并且煤层气在煤层中的渗流状态，如流动的难易 等因素在很大程度上影响着煤层气抽采的效率。因此对瓦斯渗流的 研究对预防瓦斯动力灾害、煤层气开采及提高瓦斯抽放效率有重要 意义。2国内外研究现状2.1渗流力学研究现状渗流力学研究流体在多孔介质的运动规律，孔隙介质、裂缝一 孔隙介质以及各种类型的毛细管体系等均属多孔介质，渗流力学是 流体力学与多孔介质理论和表面物理化学等学科交叉渗透产生的一 个独立的学科领域,是多种工程技术的理论基础。由于多孔介质广 泛存在于自然界，工程材料和动植物体内，因而就渗流力学的应用 范

4、围而言，大致可划分为地下渗流，工程渗流和生物渗流3个方面。 现主要论述地下渗流力学的发展状况。1856年达西定律的建立标志着渗流力学的诞生，自此后的160 多年时间里渗流力学不论在基础理论、研究内容、考虑因素、实验 手段以及跟其他学科交叉渗透的程度，在理论深度还是在应用广度 上都有了很大的发展。地下渗流力学发展大致经过了经典渗流理论 的研究和现代渗流理论的研究【4】2.1.1经典渗流理论研究1、渗流力学基本理论的建立1856年，法国工程师H.Darcy在解决Dijon的城市给水过程中， 在一系列的实验基础上，总就出了线性渗流方程，即流体通过沙柱 横截面体积流量Q与横截面积A和水头差h1-h2成

5、正比，而与沙柱长度成反比，其原始公式是Q = K A hi 2（2.1）多年来基于Darcy定律建立的经典渗流理论逐步发展完善。但是达 西定律有他的适用范围，即雷诺系数在110之间。超越了这个范围， 流体的流动就为非线性了，不在适用Darcy定律。而一般采用P.Forchheimer 公式【5】基于达西定律，法国工程师、水力学家 Arsene Jumes Emile Juvenal Dupuit，针对缓变流动的潜水，于1863年提出用潜水位h 代替侧压水头【6】，这种处理方法使得同一剖各点的渗透速度相等。 得益于Dupuit假设，Darcy定律在实际中被迅速推广，这也使得渗 流力学得以迅速发展

6、。另外在1904年，法国数学家Joseph Boussinesq 在认为液体水是不可压缩的情况下利用上述假说给出了潜水流动的 微分方程【7】，这为以后的非稳定渗流的研究奠定了基础。在此之后，俄国的数学力学专家N.E.儒可夫斯基在19世纪末 对渗流问题进行了研究，并正确的指出了渗流问题跟热传导在数学 上有相似性，并与1889年导出了渗流的微分方程，此后的渗流力学 在20世界有了长足的发展。以上的研究构成了早期渗流力学的理论 基础，为以后的渗流力学研究铺垫了基石。2、稳态渗流，非稳态渗流研究现状稳定流理论与上述渗流的基本理论都主要是在研究潜水渗流问 题是发展起来的。稳定流理论主要代表性内容有Dpu

7、it Forchheimer 流量公式、Dupuit潜水井流公式和Theim潜水井流公式。稳定流理 论的发展，使地下水渗流力学进入到定量研究阶段。但由于不含时 间变量，稳定流理论显然不能刻画渗流的时间变化过程。非稳定流理论是在研究承压水问题的过程中发展起来的，这当 中以CharlesVernon Theis为代表的美国水文地震学家的贡献最为突 出。，Theis借鉴热传导问题的研究方法，建立了均质承压含水层完 整井抽水问题的非稳定渗流模型，给出了著名的Theis公式。借鉴 Theis的建模思想帮求解方法，Hantush和Jacob给出了越流一承压 井的解【4】。基于经典渗流力学的不断发展和完善，

8、20世纪20年代，建立了 单向气体在均匀介质中渗流方程，其稳态渗流方程具有拉普拉斯方 程的形式,其非稳定渗流方程为非线性抛物形方程。20世纪三四十年 代，基本上解决了不可压缩与微可压缩单相液体渗流问题。1942年,Buckley&Leveret在忽略毛细力时给出了一维两相渗流方程的解。 20世纪60年代，提出了双重介质渗流问题。20世纪70年代,closman 提出了三重介质渗流模型。20世纪80年代，郭尚平院士、刘慈群及 陈钟祥教授,张蔚榛院士等专家深入研究了双重与三重介质渗流和 复杂的物理化学渗流，取得了重大进展。20世纪90年代，郭尚平院士、 吴望一教授等专家提出了生物多重介质渗流模型，

9、为人类的健康事 业做出了重要贡献。孔祥言与卢德堂教授潜心研究了多孔介质对流 等问题，取得了显著的成果。总之，取决于理论自身特点，经典渗流I问题也相对较简单，其 数学模型基本是拉普拉斯方程、傅里叶热传导方程和二阶非线性抛 物型方程【8】。2.1.2现代渗流理论研究随着研究的进一步的深入，渗流力学也有了进一步的发展，其 大致有以下进展，耦合理论的建立即研究、渗流计算方法的进展、 非牛顿流体渗流理论的研究、非等温渗流的研究、物理化学渗流的 研究、非线性渗流的研究等等。现在着重介绍耦合在渗流力学的建 立和发展及应用。1923年，Tezraghik【9】提出了有效应力的概念并给出了其计算 公式首先应用于

10、土壤力学分析。由于Tezraghik的一维固结理论，考 虑了渗流对土体固结的影响，由此揭开了渗流力学和固体力学关系 研究的新篇章，形成了一门新的学科流固耦合力学，目前对其研究 仍然方兴未艾。该理论也打开了对流固耦合渗流理研究的大门。Biot（1941）【10】将水容量所和孔隙流体压力p的变化也增加为状 态变量，本构方程是七对状态变量之间的物理关系，此本构方程是 考虑渗流中流固耦合效应的第一个力学理论。该理论认为，在缓慢 渗流准静态的情况下，孔隙水压力不能引起各向同性的多孔介质的 剪切变形，但对各方向正应变的影响是相同的，同样，剪应力对水 容量增量的变化无影响，而各法向应力对水容量增量的影响是相

11、同 的。但Biot建立的三维固结模型只考虑了介质变形对流体质量（孔隙 变化量An引起的孔隙储水性变化）守恒的影响，没有考虑其对渗透 率（孔隙变化量An引起的流量变化）的影响，因此只能反映流固的线 性耦合作用。Biot的耦合理论适合孔隙变化量，多孔介质和渗透率的关系方 程，有效应力原理是这个理论的基本框架，孔隙变化量是影响孔隙 水压和渗透率的关键指标，所以渗流。应力耦合问题确切的说是介 质应变耦合或渗流-孔隙变化问题。考虑到多孔介质与孔隙流体之间 的相互作用在弹性状态下的复杂性，所以渗流-应力耦合概念是相互 作用机制物理描述的某种简化提法【11】。2.2瓦斯渗流理论研究现状煤属于空隙一裂隙双重介

12、质，瓦斯因采矿活动引起的在煤层中 的流动属于以上所说的渗流。2.2.1瓦斯流动理论基础的研究现状1、线性瓦斯流动理论线性瓦斯流动理论包括线性瓦斯渗流理论、线性瓦斯扩散理论 及瓦斯的渗流一扩散理论。该理论的建立主要是基于煤体中存在空 隙和裂隙双重通道，瓦斯在空隙中的流动属于渗流，在裂隙中流动 属于扩散。1.1线性渗流理论线性渗流理论认为瓦斯在煤体中的流动符合达西定律，即，同 一介质，流体流过介质的流速与流体的压力梯度成正比。1965年，文【12】从渗流力学角度，把多空介质的没看成一种 大尺度均匀分布的虚拟介质，在我国首次提出了煤层瓦斯的渗流理 论一线性瓦斯渗流理论，这一理论的提出对我煤层瓦斯流动

13、理论的 研究产生了深远的意义。在达西定律理论的基础上，八十年代，瓦 斯流动理论研究又趋于活跃，主要是修正和完善煤层瓦斯流动的数 学模型，焦点是煤层瓦斯流动方程的修订。文【13】结合相似理论， 研究煤层瓦斯流动的完全解，采用朗格缪尔方程来描述煤层瓦斯等 温吸附量，提出了煤层瓦斯的流动方程式；文【14】提出并修正了 煤层真是瓦斯流动方程；八十年代末，孙培德【15】-【16】总结前人的基 础上修正完善了均质煤层瓦斯流动的数学模型，并同时发展了非均 质煤层瓦斯流动的数学模型；随着计算机的发展和应用，一些数值 模拟软件的引入来对瓦斯在煤层中流动进行模拟，是的我国对瓦斯 渗流研究有的大步的进展。1.2线性

14、扩散理论线性瓦斯扩散理论认为瓦斯在煤层中流动服从线性扩散定律一 菲克定律（Fick，s law）。即，瓦斯在煤层中流动流速与瓦斯本身的 浓度梯度成正比。对扩散理论的研究多数在欧美等国家，我国在这方面的研究比 较少，他们认为，各种采掘工艺条件下采落煤的瓦斯涌出、突出发展 过程中已破碎煤的瓦斯涌出和在预测煤层瓦斯含量和突出危险性时 所用的煤钻屑的瓦斯涌出等间题,皆可归结为煤屑的瓦斯扩散问题。 众所周知,扩散是由于分子在介质中的自由运动使某物质由高浓度 体系运移到低浓度体系的浓度平衡过程。Fick扩散定律正是把扩散 流体的速度与这种流体的浓度梯度线性地联系起来。然而，煤屑中的 瓦斯涌出过程是一个很复

15、杂的过程。从分子运动观点来看，瓦斯气体 分子在孔隙壁上的吸附和解吸是瞬间完成的但实际上瓦斯通过煤屑 的流动需要一定的时间，这是因为瓦斯由煤屑的不同大小的孔隙和 裂隙涌出时要克服阻力。因此他们认为把瓦斯从煤屑中的涌出过程 看作是气体在多孔介质中的扩散，其涌出规律符合Fick线性扩散定 律，并以此对煤屑瓦斯扩散规律地行了深入的理论探讨和实测分析 研究【17】。1.3瓦斯渗流一扩散理论瓦斯渗流扩散理论认为瓦斯在煤层中的流动是渗流与扩散的混 合过程。随着瓦斯运移规律的研究的深入发展，国内外许多专家都认同 瓦斯渗流扩散理论。在国内，1986年以来已孙培德为主的学者经过 大量了研究，以瓦斯地质等【18】的

16、新观点来认识瓦斯运移机理中明 确指出：煤层内瓦斯流动，实质上是可压缩性流体在各向异性且非均 质的孔隙一裂隙双重介质中的渗透一扩散的混合非稳定流动。此观 点提出对以后的研究又很大的影响。但是，由于煤层内瓦斯运移是一 个非常复杂的过程,这不仅与煤结构有关，而且受到众多的因素的影 响,上述线性煤层瓦斯流动理论和方法的适用性和实用性常常受到 挑战。2、非线性瓦斯流动理论研究现状线性渗流理论虽说较为成熟，但随着研究的深入发展，部分学 者提对瓦斯在煤层中的流动是否真正符合达西定律提出质疑并就此 问题进行了研究，他们提出此观点的依据是达西定律的适用范围是 雷诺系数在110之间，然而造成达西定律偏离的主要原因

17、有流量过 大、离子效应、分子效应和流体本身的非牛顿态势。随着煤层瓦斯 流动理论研究的不断深入，其发展趋势越来越偏向地球物理场作用 下的非线性、非达西渗流问题，其中最典型的理论模型为幕定律 (Power Law)模型。1984年，日本学者提出，通过变换压差来测定煤样沼气渗透率 的试验来看，达西定律不太符合煤层瓦斯流动规律，并在大量的试 验基础上提出了更符合煤层瓦斯流动的基本规律一幕定律(Power Law)。该理论的实质是瓦斯流动速度和瓦斯压力梯度的m次幕成 正比，其适用范围主要为雷诺数在10100之间的非线性层流区。 孙培德等【19】根据幕定律的推广形式在均质煤层和非均值煤层的条 件下首次建立

18、起可压缩性瓦斯在每层中流动的数学模型一非线性瓦 斯流动模型，并通过相关的试验与现场验证得出建立的非线性瓦斯 流动模型比文献【12】得出的线性瓦斯流动模型更与实际吻合，更 具有实用性。然而，随着研究的深入，加之学术观点的分歧或当时实验条件 的限制，对非线性瓦斯流动理论也产生了争议。文献【20】尖锐指 出文献【19】利用幕定律推广形式建立的瓦斯流动模型中因为无量 纲化导致的错误、幕定律表达式的错误和假设无因次系数A是二秩 对称张量的错误。并由此指出基于非线性幕定律理论基础建立的瓦 斯流动数学模型比基于线性达西定律而建立的瓦斯流动数学模型与 实际更符合的结论没有根据。随着科学研究的深入，在以上两种理

19、论中出现了极大的学术分 歧，学者们各持己见。以Power Law为基础的非线性瓦斯流动理论， 是否真的比基于Darcys Law的线性瓦斯流动理论更适用于瓦斯在 煤层中的流动情况，目前还难以断定。但不可否认的是，目前煤层 瓦斯渗流研究（领域）的发展趋势的确是在地球物理场作用下的非线 性、非达西渗流方面的研究。2.2.2瓦斯渗流影响因素的研究现状影响煤层渗透率的因素十分复杂。地质构造、应力状态、煤层 埋深、煤体结构、煤岩煤质特征、煤级和天然裂隙系统都不同程度 地影响着煤层渗透率。有时是多因素综合作用的结果，有时是某一 因素起主要作用。目前，对于瓦斯在煤层中的流动国内外的学者已 经做了很多的研究。

20、1地球物理场下瓦斯渗流的实验性研究地球物理场是指地应力场、地温场和地电磁场。国内外资料均 表明，地应力对煤层渗透性的影响是很显著的。对于应力应变对瓦 斯在煤层中渗流的影响，前人们做了大量的工作，1987年 文21 就基于达西定律通过大量实验探讨地应力中轴压、围压及空隙压力 对煤样透气系数的影响，并得出了煤样透气性系数与空隙压力以及 在加载和卸载情况下与载荷间的经验关系式；何伟钢等得出煤层渗 透率与地应力呈幕指数关系22；赵阳升、孙培德等23-26基于自行研 制的三轴渗透试验装置和达西定律进行了煤样渗透率试验，通过数 据曲线拟合分别得出了煤样渗透率与体积应力和瓦斯压力的函数关 系式过程中有效应力

21、与渗透率关系曲线呈正指数减小，在卸载过程 中呈抛物线关系；尹广志等学者对地应力场、瓦斯压力和内部结构 以及媒体变形对煤层瓦斯渗流影响进行了大量的实验研究，文27 31 对三轴加载状态下围压、轴压及空隙压力对瓦斯在煤样中的渗 流进行了研究，并拟合出了相关的经验公式，文32研究了煤样加 载过后不同泄压速度对瓦斯在煤样中渗透率的影响，文33进行了 含瓦斯煤岩卸围压瓦斯渗流试验，研究其卸围压过程中的变形和瓦 斯渗流特性；杨新乐等34 研究了围压、轴压和孔隙压力情况下的试 样渗透率变化规律；许江，张丹丹等35 利用自主研发的含瓦斯煤热 流固耦合三轴伺服渗流装置，测定煤样在不同有效应力、不同瓦斯 压力、不

22、同温度条件下的渗透率，探讨不同有效应力和不同瓦斯压 力条件下，煤样渗透率与温度的关系，并指出煤样在一定的条件下， 随温度的升高渗透率变低，并呈一定的相对关系。王宏图等3637采用三轴渗流实验装置和电场实施装置也研究 了电场作用对煤中甲烷气体渗流性质的影响，并得出了电场可以促 进瓦斯的流动的结论；对于温度对瓦斯渗流的影响，前人也做了相 关的研究，文献38中通过实验研究数据得出了随着温度的升高，煤 的渗透率也随之降低,其变化规律为:lnK=A+Bt;文献39通过变温 条件下的煤样渗流实验，探讨了温度、有效应力对煤样渗透系数的 影响；根据实验数据，推导出了渗透系数K和温度t、渗透系数K和 有效应力R

23、的回归方程，绘出了 K-t、K-R关系曲线，并在此基础上 推导出了 K和t、R的综合方程式；2耦合条件下的渗流研究煤层的开采过程中，特别是目前我国的煤层开采逐步进入深层 开采的大前提下，都存在着多场、多相的耦合问题，多物理场之间 的复杂耦合作用对煤层的稳定性具有非常重要的影响。而随着对煤 体中含瓦斯煤渗流规律的研究，很多学者的研究已经不局限于简单 单场单因素的研究，多场耦合条件下的含瓦斯煤渗流规律的研究也 是未来煤层研究发展的趋势。煤岩体的渗流-损伤耦合问题是煤层瓦 斯渗流的重要研究方向，许多学者进行了大量关于煤岩材料应力- 应变-渗流方面的实验研究，并认识到煤岩材料的破坏及其渗透性是 一个与

24、细观损伤演化和宏观裂纹产生密切相关的过程。多场耦合的条件下的渗流研究也有新的进展，鲜学福等4041 推 导出了在地应力场、温度场作用下煤层瓦斯的渗流方程，并研究了 变形场、煤化度和外加电场对甲烷在煤层中渗流的影响；杨天鸿等 42根据瓦斯渗流与煤岩体变形的基本理论，在掩饰破裂过程分析系 统RFPA2D基础上，耦合煤岩体变形过程中应力-损伤-透气系数的相 互作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程气固耦合作用的数学模型。 孙培德(1993、1994)基于前人的研究成果，修正和完善了均质煤层 的瓦斯流动数学模型4344，同时发展了非均质煤层的瓦斯流动数学 模型，还应用计算机进行了数值模拟的对比分析。孙培德

25、(1998)建 立了双层系统煤层气越流与煤岩弹性变形的固一气耦合数学模型凹 J。此后，孙培德(2001)应用统计热力学与量子化学理论，结合实验 量化计算结果，得出真实瓦斯气体状态的经验方程更能客观反映煤 层内游离瓦斯的状态45。孙培德(2002)应用三维数值场计算机模拟 技术，直观地再现了煤层气越流场和煤岩体变形场耦合效应的宏观 变化特征46；李斌47 考虑气体从微孔到裂缝中的扩散与裂缝中气相 渗流的耦合作用，建立了描述裂缝中气水两相渗流及微孔中非平衡 吸附气体解吸扩散过程的数学模型，并用有限差分方法进行了求解。 辜敏48的研究主要集中在微观吸附和解吸机理方面；李树刚(1998) 在采场卸压瓦

26、斯的运移规律明显受采动影响的认识基础之上 49， 5。，,51，将煤岩体看作可变形介质，研究了综放开采矿山压力下，考 虑煤岩体变形对瓦斯运移的影响规律52。李树刚利用电液伺服岩石 力学试验系统，以数控瞬态渗透法进行了软煤样全应力应变过程渗 透特性试验，得出煤样渗透性与主应力差、轴应变、体积应变关系 曲线，拟合了相应方程。首次提出煤样渗透系数.体积应变方程应 作为瓦斯渗流耦合分析中主要的控制方程历。3总结由以上可以看出，前人们在对瓦斯在煤层、煤样中的流动进行 了大量的理论实验的研究，可以说取得了相对比较丰厚的成果。但 是，关于瓦斯渗流的研究并没有达到完全的成熟，还存在对部分问 题的分歧争议以及在

27、在某些方面还没有涉及到。作者认为主要有以 下几个方面：一、对于瓦斯在煤层中的渗流，我国学者进行的大量实验研究 以及相关数学模型方程的建立都是基于达西定律的线性流动理论， 但是真实的流动情况下，以Powers Law为基础的非线性瓦斯流动 理论与基于Darcys Law的线性瓦斯流动理论哪个更适用于瓦斯在 煤层中的流动情况，目前还难以断定，有待于学者们的进一步研究。二、对于影响瓦斯渗流的因素的研究主要集中于恒温环境下应 力、应变孔隙压力的变化对瓦斯渗流的影响研究饿，而鉴于变温情 况的研究目前还很少，也就是说对于地球物理场中地应力场的研究 较多，地温场和地电磁场对瓦斯渗流的研究还比较少。三、对于瓦

28、斯渗流的研究趋向于多场耦合的建立以及有别于单 相渗流的多相流体渗流，比如说瓦斯水汽耦合情况下的研究也是目 前研究发展的趋势。4参考文献【1】吴吟.煤炭工业发展“十二五”规划【2】张广祥，胡耀华，姜德义煤的瓦斯渗透性影响因素的探讨重庆大学学 报(自然科学版)1995,18(3)【3】渗流力学的近况与发展郭尚平等【4】陶月赞，姚梅.地下水渗流力学的发展与动向J.吉林大学学报,2007.【5】贝尔雅.地下水水力学M.许涓铭，译.北京：地质出版社，1985.【6 】 Dupuit A J E J.Etudes theoriques et practiques sur Lemouvement deeau

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