煤层瓦斯渗流力学的研究进展-.doc

焦作工学院学报自然科学版,第20卷,第3期,2001年5月 Journal of Jiaozuo Institute of TechnologyNatural Science,Vol120,No13,May2001 煤层瓦斯渗流力学的研究进展 孙培德1,鲜学福2 1.杭州商学院环境工程系,浙江杭州 310035; 2.重庆大学采矿工程系,重庆 400044 摘要综述了国内外在煤层瓦斯渗流力学研究方面的现状,总结了我国近年来在煤层瓦斯渗流力学研究领域所取得的重要进展,展望了该研究领域中需要深入研究的方向和有关的发展趋势,认为创建的发展瓦斯越流的固气耦合模型及其数值方法,对丰富和完善瓦斯渗流力学具有重要的理论和现实意义. 关 键 词煤层瓦斯;渗流力学;固气耦合作用;数值模拟;研究进展 中图分类号TD71215 文献标识码A 文章编号1007Ο7332200103Ο0161Ο07 0 引 言 多孔介质是由固体骨架构成的复杂介质.多孔介质传质传热过程在自然界和人类生活、生产中广泛存在,对社会的发展具有重要的影响.岩石煤是一类典型的多孔介质.如地下岩层中石油、天然气资源的开采,地下煤层和瓦斯资源的开采,地下水资源的开采以及污染物传质输运等,都涉及到多孔介质中能量与物质的传输过程.渗流力学是研究流体在多孔介质内运动规律的科学.自1856年法国工程师达西Darcy提出线性渗流定律以来,渗流力学一直在向前发展,并不断地与其他学科交叉而形成许多新兴的边缘学科.如瓦斯渗流力学是由渗流力学、固体力学、采矿科学以及煤地质学等学科互相渗透、交叉而发展形成的一门新兴学科.瓦斯渗流力学是专门研究瓦斯在煤层这个多孔介质内运动规律的科学.有时也称为瓦斯流动理论,这大概是因为它专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论,而至今尚未形成一门独立而完善的学科体系之故.正因为它是一门发展中的边缘学科,自其创立至今深受采矿界和力学界的关注,尤其自20世纪80年代以来的发展更为迅速,其主要表现是瓦斯渗流力学的应用范围更广;瓦斯渗流力学的理论以较快的速度不断深化;瓦斯渗流力学的研究手段不断实现现代化.本文将对国内外学者在以下四个方面线性瓦斯流动理论,非线性瓦斯流动理论,地物场效应的瓦斯流动理论和多煤层系统瓦斯越流理论研究进展进行综述,并指出该研究领域中需要进一步研究的方向和有关的发展趋势. 1 线性瓦斯流动理论及其应用 111 线性瓦斯流动理论 线性瓦斯渗流理论认为,煤层内瓦斯运动基本符合线性渗透定律达西定律Darcy′s law.渗流力学最先在水利工程,水的净化和地下水资源开发等部门应用;大约从20世纪的20年代起,渗流力学开始成为石油和天然气开发工业的一项理论基础;20世纪40年代末,为了适应采矿煤业的大力发展,控制瓦斯技术已成为当时研究的关键技术之一.前苏联学者就是应用达西定律线性渗透定律来描述煤层内瓦斯的运动,开创性地研究了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流问题[1,2],成为开创瓦斯渗流力学的先驱之一.在20世纪60年代,文献[3]从渗流力学角度出发,认为瓦斯的流动 收稿日期2001Ο01Ο20; 修回日期2001Ο02Ο27 作者简介孙培德1957Ο,男,浙江兰溪人,副教授,博士,主要从事资源与环境工程中耦合理论及计算机模拟研究. 基本上符合达西定律,把多孔介质的煤层看成一种大尺度上均匀分布的虚拟连续介质,在我国首次提出了瓦斯流动理论线性瓦斯流动理论.这一理论的提出对我国瓦斯流动理论的研究具有极为深刻的影响. 直至20世纪80年代,瓦斯流动理论的研究又趋活跃,主要是修正和完善瓦斯流动的数学模型,焦点是对瓦斯流动方程的修正.1984年,文献[4]就一维情况,结合相似理论,研究了瓦斯流动方程的完全解,并指出文献[3]中关于瓦斯含量与孔隙压力之间抛物线关系式的近似性,采用朗格缪尔Langmuir 方程来描述瓦斯的等温吸附量,提出了修正的瓦斯流动方程式.1986年,文献[5]又针对瓦斯的气体状态方程,认为应用瓦斯真实气体状态方程更符合实际,便提出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程.1986年起,文献[711]在总结前人研究成果的基础上,进一步修正和完善了均质煤层的瓦斯流动数学模型,同时发展了非均质煤层的瓦斯流动数学模型,在此基础上,应用计算机进行了数值模拟的对比分析,结果表明文献[9,11]提出的新的线性瓦斯流动模型比国内外三大典型模型更逼近实际.1989年文献[6]认为煤层中参与渗流的瓦斯量只是可解吸的部分量,在煤体瓦斯吸附与解吸过程完全可逆的条件下,建立起了瓦斯渗流的控制方程. 自20世纪80年代初以来,随着计算机应用的普及和计算技术的日益发展,应用计算机研究瓦斯流场内压力分布及其流动变化规律已成为可能,这也是瓦斯渗流力学的研究手段不断实现现代化的主流方面.80年代初,文献[15,16]率先报道了广东省煤炭研究所和抚顺煤炭科研所应用计算机研究瓦斯流动的成果;尤其是文献[15]的工作,结合煤矿实际问题,用有限差分法DEM ,首次对瓦斯流场中压力分布及其流量变化实现了数值模拟,较成功地预测了瓦斯流场内的瓦斯压力变化规律.1989年,文献[17]用有限单元法FEM 、1990年,文献[18]又用边界单元法B EM 实现了对瓦斯渗流的数值模拟. 煤层透气系数是反映煤层内瓦斯流动难易程度的重要参数,也是评判瓦斯抽放的可行性指标之一,同时也是判断煤与瓦斯突出危险性的指标之一.因此,如何提出煤层透气系数的解析关系式及其测定方法,这是瓦斯渗流力学发展之关键技术之一.自20世纪60年代以来,我国科学工作者在这一领域做出了有意义的工作.1984年,文献[19]总结了前期大量的实测工作成果,提出了测定煤层透气系数的“钻孔流量法”,并应用计算机对比分析和计算了中国的“钻孔流量法”与前苏联的“钻孔压力法”的优越性,得出结论中国的钻孔流量法优于前苏联的钻孔压力法.此方法在我国煤矿中广泛应用.之后,为了推导计算煤层透气系数的关系式,寻求径向流场瓦斯压力分布的有限近似式又成为关注的热点问题之一.日本学者于文献[59]中应用复变函数论的保角变换技巧,求出了近似表达式.国内文献[20]也求出了数值模拟的近似表达式单孔无限圆径向流场瓦斯压力分布式,提出用无限流场单一钻孔总流量计算煤层平均透气系数的新方法,并在煤矿现场取得了成功的应用.应该指出的是文献[2123]的工作,从寻求径向流场瓦斯压力分布定解问题出发,求得了其半解析解;进而,推导出计算煤层透气系数的解析式,以及计算煤层抽排放瓦斯参数的一系列关系式等,这些关系式经过焦西矿之实践及数值模拟验证,证明它们是可靠的,具有实用价值[9,11].尤其是提出的计算煤层透气系数新方法,引起了国际同行的关注[24,27]. 近年来,为了探索煤与瓦斯突出的机理,从力学角度出发,应用达西渗流运动方程来描述突出过程中的瓦斯流动,指出煤的破碎起动与瓦斯渗流的耦合是煤与瓦斯突出的内在因素[12,13],中科院力学所以郑哲敏院士为首的学科组在这方面做出了有意义的探索.另一方面,中科院地质研究所以孙广忠教授为首的学科组也相继提出“煤瓦斯介质力学”的观点,对煤─瓦斯介质的变形、强度、破碎、渗透性等力学特性进行了系统研究,并应用达西渗流定律,讨论了突出发生后所形成的瓦斯粉煤两相流动过程[14],为阐明煤与瓦斯突出机理做出了有益的贡献. 112 线性瓦斯扩散理论 线性瓦斯扩散理论认为,煤屑内瓦斯运动基本符合线性扩散定律菲克定律Fick ′s law .对煤屑中瓦斯扩散理论的研究在欧美国家进行较多,而在我国这方面的研究较少.我国文献[30]的工作正是这方面的代表作.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261 焦作工学院学报自然科学版 2001年第20卷 煤的瓦斯涌出、在预测瓦斯含量和突出危险性时所用煤钻屑的瓦斯涌出等问题,皆可归结为煤屑中瓦斯的扩散问题.众所周知,扩散是体系流体分子由高浓度区向低浓度区运移的平衡过程.Fick 扩散定律就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,煤屑中瓦斯涌出过程是一个很复杂的过程.从分子运动观点来看,气体分子在煤层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,这是因为瓦斯通过煤屑各种不同大小的孔隙和裂隙涌出时要克服阻力.他们认为这种涌出规律符合Fick 线性扩散定律.并以此对煤屑中瓦斯扩散规律进行了深入的理论探讨和实测对比分析研究. 113 瓦斯渗透与扩散理论 瓦斯渗透与扩散理论认为,煤层内瓦斯运动是包含了渗透和扩散的混合流动过程.随着瓦斯运移规律研究的深入,国内外许多学者都赞同煤层瓦斯渗透扩散的理论.1986年以来,国内文献 [28]的工作,以瓦斯地质的新观点来认识煤层内瓦斯运移的机理,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裂隙双重介质中的渗透扩散的混合非稳定流动.此观点的提出,对指导现代瓦斯流动理论的研究具有一定的影响.1987年,在北京召开的“第22届国际采矿安全研究会议”上,A 1Saghfi 法国和R 1J 1William 澳大利亚等在发表的文献 [31]中指出,煤层中存在相互沟通的裂隙网络,沿着这些裂隙网络,游离瓦斯流向低压工作面,而煤体的透气性与该裂隙网络密切相关.与此同时,块煤内部的瓦斯解吸,向裂隙扩散,因此煤层中瓦斯的渗透率和介质的扩散性共同决定了瓦斯的流动状况.基于这一认识,他们从扩散力学出发,依据Fick 定律,提出了煤块瓦斯扩散方程;又从渗流力学出发,依据Darcy 定律,提出了瓦斯渗流方程;最后耦合成瓦斯渗透─扩散的流动方程,结合边值条件,提出了瓦斯渗透扩散的动力模型.更值得指出的,文献[31]在煤层透气系数与地应力和孔隙压关系研究的基础上,以变透气系数为前提,成功地进行了数值模拟,使数值模拟结果与实际情况较吻合.这是国际采矿界在瓦斯渗流力学研究领域做出的重要成果之一.综上所述,线性瓦斯流动理论的研究已有40多年的历史,在探求煤层内瓦斯运移机理方面已先后发展了线性渗流理论[111]及其应用、线性扩散理论[30]、渗透─扩散理论[28,31,32]等等,在一定的简化假设下,已形成了较严密的理论体系,并在煤矿安全生产中起到了一定的作用.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,而且受到众多因素的影响,上述线性瓦斯流动理论和方法的适用性和实用性常常受到挑战.这主要体现在下列五个方面 1对煤层这个孔隙─裂隙双重介质的几何参量很难进行严格的定量描述.实际均匀一致的孔隙与裂隙分布是不存在的,固相界面存在着随机的不确定性和各向异性,因此研究者们只能引入“容积平均”的概念,把孔隙─裂隙双重介质看成一种大尺度上均匀分布的各向同性的虚拟连续介质,这导致与实际情况间产生较大误差. 2煤层内瓦斯运移只是近似地用线性规律来描述,至今仍在探索瓦斯运移的基本规律. 3煤层这个固体骨架不能假定为刚性的.工程上常会遇到煤层的胀缩性以及变形,因此相应地将固体骨架看成可变形的介质更符合实际. 4在实际煤层内瓦斯运移过程中,存在着许多尚未深入研究的物理化学效应.例如地应力场和地温场等对瓦斯流场的耦合效应、毛细滞后效应、瓦斯吸附与解吸效应、水份迁移的非Darcy 效应、瓦斯扩散效应、煤体与瓦斯之间的化学反应等,现有理论未能考虑这些问题. 5由于缺乏测试各向异性透气系数的有效方法,导致对各向异性煤层内瓦斯运移的深入研究以及数值模拟遇到了极大的困难.因此,自20世纪80年代以来,国内外学者还在寻求比较简单而且更切合实际的理论模型,进一步考虑在瓦斯传质过程中的各种主要的物理化学效应以及有效的瓦斯流动参数测试法和手段,发展数学模型和数值方法,这是当今瓦斯渗流力学研究的主要方向之一.2 非线性瓦斯流动理论 国外许多学者对线性渗流定律Darcy ′s law 是否完全适用于均质多孔介质中的气体渗流问题361第3期 孙培德等煤层瓦斯渗流力学的研究进展 早已作出了大量的考察和研究[89,90].许多学者经过研究归纳出达西定律偏离的原因为①流量过大;②分子效应;③离子效应;④流体本身的非牛顿态势. 著名的流体力学家E 1M 1Allen 指出[33],将达西定律用于描述从均匀固体物煤样中涌出瓦斯的试验,结果导致了与实际观测不相符合的结论.1984年,日本国北海道大学教授通口澄志指出[28],从通过变化压差测定煤样瓦斯渗透率看,达西定律不太符合瓦斯流动规律.并在大量试验研究的基础上提出了更能符合瓦斯流动的基本规律幂定律Power Law .1987年,文献[28]根据Power Law 的推广形式,在均质煤层和非均质煤层条件下,首次建立起可压缩性瓦斯在煤层内流动的数学模型非线性瓦斯流动模型.由焦作矿务局中马村矿的实测瓦斯流动参数为依据,对均质瓦斯流场的压力分布作出了三类不同模型的数值模拟,经与实测值比较表明文献[28]提出的非线性瓦斯流动模型比文献[3,4]提出的线性瓦斯流动模型更符合实际[25,28].从而初步提出幂定律 [Power Law ]更符合煤层内瓦斯流动的基本规律.之后,文献[9,11]又进一步经5种不同模型的数值模拟得出结论文献[28]提出的非线性瓦斯流动模型比国内外其他4种模型更逼近实际.1991年,文献[34]经过实验研究,提出考虑克氏K linkenberg 效应的修正形式的达西定律非线性瓦斯渗流规律,并建立了相应的瓦斯流动数学模型,指出了达西定律的适用范围.非线性瓦斯流动理论[28]的发表,引起了国内外同行的兴趣和关注[25,35].1992年,文献[35]对幂定律和达西定律进一步作了数值模拟和分析,并指出在焦作矿务局中马村矿[28]的实例分析中,达西定律比幂定律更逼近实际.其实,在中马村矿实测资料中,1号钻孔压力失效;2号钻孔为一斜向钻孔,测压有效;3号钻孔最深达21m ,测压有效.因此,文献[28]采用了2号与3号钻孔实测值,且2号孔的纵深距离有误;以3号孔的实测值为依据,则Power Law 仍比达西定律更符合实际,即文献[28]之结论仍成立. 综上所述,以非线性瓦斯流动基本定律幂定律Power Law 为基础,提出了非线性瓦斯流动的数学模型,经初步实测验证表明,非线性瓦斯流动模型[28]比国内外四类典型的流动模型更符合实际[9,11,25].因此,在进一步研究和发展非线性的达西定律基础上的瓦斯流动理论也是当今有意义的探索方向之一. 3 地球物理场效应的瓦斯流动理论 随着对瓦斯流动机理研究的深化,许多学者认识到了地应力场、地温场及地电场等对瓦斯流动场的作用和影响;围绕着煤体孔隙压力与围岩应力对煤岩体渗透系数的影响,以及对渗流定律达西定律的各种修正,建立和发展了固气耦合作用的瓦斯流动模型及其数值方法,这是近年来国内外许多学者竞相研究的热点. 文献[3640]是反映欧美诸国在这一领域的研究成果的代表作.W 1H 1Somerton 1975年[40],研究了裂纹煤体在三轴应力σ1,σ2σ3作用下氮气及甲烷气体的渗透性,得出了煤样渗透性敏感地依赖于作用应力,而且与应力史有关等几个结论,并指出,随着地应力的增加,煤层透气率则按指数关系减小.S.Harpalani 1984[39],对含瓦斯煤样在受载状态下的渗透特征进行了深入的研究.S.Harpalani 1985[36].J.G awuga 1979[37]、V.V.Khodot 1980[38]等学者,从煤层赋存的地质条件和地物场环境出发,在实验条件下,开创性地考察和研究了含气煤样的力学性质,以及瓦斯渗流和煤岩体之间的固气力学效应. 从20世纪80年代以来,我国学者也对含气煤体的变形规律、煤样透气率与等围压或孔隙压力之间的变化关系,含气煤的力学性质以及含气煤的流变特性等进行了系列研究[4852],为我国深入发展地物场效应的瓦斯流动理论提供了基本依据.20世纪90年代初,在国家自然科学基金资助下,文献 [4146]在我国首次深入地研究了地电场直流电对瓦斯流场渗流的作用和影响,修正了达西定律,提出了地应力场、地电场和地温场对瓦斯流场作用下的渗流基本规律,进而建立起瓦斯渗流的数学模型;文献[47]创建了多煤层系统瓦斯越流的固气耦合理论及其应用.以流体─岩石相互作用的新观点来认识煤层内瓦斯运移的机理,这是值得注重的研究前沿.文献[53]是“采空区瓦斯抽放”461 焦作工学院学报自然科学版 2001年第20卷 的“七・五”国家攻关项目的总结1991,提出将瓦斯流动看作可变形固体骨架中可压缩流体的流动,得到了采动影响下煤岩层瓦斯流动的耦合数学模型.并研究了打通二矿7号煤层开采对邻近层卸压后瓦斯向开采层采空区流动状况.文献[54]在前人工作的基础上,提出了煤体─瓦斯固气耦合理论,体现了瓦斯气体与煤岩固体之间的相互作用的瓦斯流动过程,并结合数值模拟实例,得出耦合模型与非耦合模型差别甚大、且更符合实际情况的结论. 综上所述,从20世纪80年代至今,创建和发展地物场效应的瓦斯流动理论是国内外学者竞相研究之热点,也是当代瓦斯渗流力学发展的重大进展之一.用流体岩石的相互作用去认识煤层内瓦斯运移的机制,充分发展考虑地应力场、地温场以及地电场等地球物理场作用下的瓦斯流动模型及其数值方法,尤其要注重发展可变形的块裂孔隙介质的气液固耦合模型及其数值方法[64],使物理模型更能反映客观事实,进一步完善理论模型及测试技术,实乃当今推动瓦斯渗流力学向前发展之主流方向. 4 多煤层系统瓦斯越流的流固耦合理论 根据文献[47]对瓦斯越流场之定义,以下诸问题,如煤层群开采中采场瓦斯涌出问题,保护层开采的有效保护范围的确定问题,井下邻近层采空区瓦斯抽放工程的合理布孔设计及抽放率预估问题,地面钻孔抽放多气层瓦斯工程的合理设计及抽放率预估问题,以及地下多气层之间瓦斯运移规律的预测和评估等问题,皆可归结为瓦斯越流问题. 经国内外生产实践表明,开采保护层解放层是预防煤与瓦斯突出最为有效的区域性治理措施.目前,在我国有保护层开采条件的突出矿井基本上都优先采用保护层开采法以预防“突出”.在对保护层开采的作用机理认识及其实践中,文献[5558]作出了贡献.关于瓦斯抽放钻孔的合理设计问题则处于摸索阶段.我国有关地下多气层之间瓦斯运移规律以及地面钻孔抽放多气层瓦斯工程的效果预估及合理设计等问题的研究甚少,也未得到应有的重视.而欧美国家则重视对煤层气资源开采和瓦斯抽放工程的瓦斯流动问题的数值模拟技术研究以及商业软件包的开发.此乃当今本学科的重要研究课题. 5 结 论 尽管我国学者对瓦斯越流问题已进行过一定程度的研究并取得了一些进展.但由于此问题的复杂性,国内外学者均未从瓦斯越流的角度去抽象出其普遍规律并创建多煤层系统瓦斯越流固气耦合理论;然而,瓦斯越流固气耦合理论恰恰正是从根本上认清机理,解决上述诸问题的理论基础.因此,文献[6163]应用流体─岩石相互作用的观点,创建和发展瓦斯越流的固气耦合模型及其数值方法,丰富和完善瓦斯渗流力学,这是当今本学科理论研究的前沿课题,它既有十分重要的理论意义,也有重要的实际意义.限于文献容量和业务水平,文中难免有失偏颇,敬请批评指正. 参考文献 [1] ΚP ИЧеВCK ИЧP.M.O ЛP ИPO деВΗeyanHbIX BbI дeneH ИЙИBbI БPOCOByr ΛЯИraya [J ],БrO ΛΛe TeHb MakH ИИ,194818. 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