不同孔径下瓦斯流动机理及模型研究_图文.doc

分类号婢５７ａ密级 编号蛩开 学位论文 ＴＨＥＳｉＳＦＯＲＤＥＧＲＥＥ 不同孔径王瓦斯流动机理及模型研究 漪学位级别。埔土。专业茹称流传由华 逻中工程弦｜木大学ＬＩＡＯＮ］ＮＧＴＥＣＨＮＩＣＡＬＵＮＩ＼ＥＲＳＩＴＹ 摘要 瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，同时瓦斯也是２ｌ世纪战略性接替能源，但在其开采、治理过程中发生的吸附、解吸、扩散和渗流机理认识仍不清晰。基于前人研究成果，本文进行了以下工作 １、介绍了煤的三维交联大分子结构，其中一些小分子量原子基团影响着对瓦斯气体的吸附． ２、总结了煤层裂隙、孔朦分类，依据其物理特性和二者构成的网络结构，论述了孔隙、裂隙系统在瓦斯气体吸附及质量传递过程中的不同作用。 ３、探讨了煤瓦斯之间的吸附作用，估算了煤与瓦妖分子吸附势．讨论了瓦斯的扩散类型；Ｆｉｃｋ扩散、Ｋｎｕｄｓｅｎ扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散；指出考虑气体可压缩性、储层压力和温度等因素影响，按诺森数来判断扩散类型并不合适；提出了扩散系数公式Ｄ＝（１一ｍ）Ｄ口＋国巩＋比＋Ｄｃ．探讨了气体流动过程中的滑脱效应。 include ５、探讨了区别于等效连续介质假设的离散裂隙网络渗流理论，引入图论方法，建立了离散裂隙网络渗流模型，应用Ｍａｔｌａｂ软件编制了模型求解程序．通过算例模拟验证了应用离散裂隙网络流动模型求解流体在煤岩体中流动的可行性．关键词瓦斯煤；孔隙裂隙｛吸附；扩散渗流；图论渗流裂隙网络模型 ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｄｉｓａｓｔｅｒｉｓａｌｗａｙｓｏｎｅｏｆｔｈ６ｍａｉｎｄｉｓａｓｔｅｒｓｔｏｔｈｒｅａｔｅｎｔｈｅｓ∞ａｌｒｉｔｙｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｉｎｔｈｅｃｏａｌｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ，ｂｕｔａｔｔｈｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｅｎｅｒｇｙｉｎｓ帆ｅｔｉｍｅｅｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｉｓｔｈｅｓｌｒａｔｅｇｉｅＯｎ２１“ｅ，衄ｔｕｒｙ．Ａｌｏｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｈａｓｂｅｅｎｄｏｎｅｔｈｉｓａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｅｎｅｒｇｙ，ｂｕｔｕｎｔｉｌＩＩＯＷｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｓｔｉｌｌｌ即ａａｉｎｔｔｍｏｌｖｅｃｔ，ｓｕｅｌａ勰ｔｌａｅａｂｓｏｔｌ，ｔｉｏｎ．ｄｅｓｏｒ埘ｏｎ． ０１１ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｅｓｓｅｎ∞ｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒ０１．Ｂａｓｅｄ ｄｏｎｅｂｙｏｔｈｅｒｓｃｈｏｌａｒｓ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｐｌ劂ＯＩＩＳｒｅｓｅａｒｃｈ、ｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔ １．Ｔｉｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｌＤｓｓ－ｌｉｎｋｇｉａｎｔｍｏｌｅｃｕｌｅｓａｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｓｍａｌｌｍｏｌｅｃｕｌａｒａｔｏｍｉｃｇｒｏｕｎｄｇｒｏｕｐＯｎｔｈｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅｍｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．２．ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｅｏａｌｂｅｄｆｒａＣｔｌｌｒｅａｎｄｐｏｒｅｓｆｒａｃｔｕｒｅｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｌｅｓｏｆｐｏｒ髂ａｎｄｆｌ＇ＢＣｔｔｌｌ＇ｔＳｓｙｓｔｅｍ ｍａｓｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ，ｂａｓｅｄＯｎｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌａｒｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｉｎｅｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｅｌａａｒａｅｔｅｒｉｓｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｅｏｎｓｌｚｕｅｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓｌｔｕｅｔｕｒｅ．３．Ｔｈｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｂｅ，ｔｗｃｃｎｃｏａｌａｎｄｍｅｔｈａｎｅｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｃｌａｎｄｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃｏａｌａｎｄｍｅｔｈａｎｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ；ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆａｂｓｏｒｐｔｉｏｎＦｉｅｋｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，Ｋｎｕｄｓ∞ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，Ｔｒａｍｉｔｉｏｎａｌｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，Ｓｕｒｆａｃｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，ａｎｄＣｒｙｓｔａｌｄｉｆｆｕｓｉｏｎ射ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｏ ＯｎｊｕｄｇｅｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｗｉｔｈＫｎｕｄｓｅｎｎｕｍｂｅｒｉｓｎｏｔａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｔｈｅｂａｓｉｓｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ。ｓｕｅｌａ雒ｔｌａｅｉｍｐａｃｔｓｏｆｇａｓｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｔｈｅａｂｓｏｒｐｄｏｎｃｏｅｔｔｉｅｎｔｆｏｒｍｕｌａｅＤ＝（１一∞）Ｄｋ＋缈口。＋Ｐ。＋岛ｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｇａｓ’ｓｓｌｉｐｐａｇｅｅｆｆｅｃｔｓｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． ４．Ｔｈｅｍｅｔｈａｎｅｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｄｉｆｆｕｓｉｏｎａｎｄｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗｅｓｓｅｎ∞ｏｆｅｏａｌｂｅｄｍｅｔｌｕｍｅｉ．ｓｅｘｐｌｏｒｅｄ，ｔｈｅＧａｓ’ｓＤａｒｅｙＬａｗｉｓｄｅｘｌＩｌｅｅａ；ｔｈｅｍａｔｌａｅｍａｔｉｅｍｏｄｅｌｏｆｍｅｔｈａｎｅｓｅｅｐａｇｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｉｔｈｔｈｅｆａｃｔｏｒｏｆｓｌｉｐｐｅｒｙｕｎｄｅｒｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ． ５．Ｔｉａｃ 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是瑰个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果讨论了瓦斯气体发生Ｆｉｃｋ扩散、Ｋｎｕｄｓｅｎ扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散的适用条件，指出考虑气体可压缩性、储层压力和温度等因素影响，按诺森数来判断扩散类型并不合适，提出了扩散系数公式Ｄ＝（卜街）Ｄ自＋∞玩十以＋Ｄｃ。基于图论的数学方法，建立了区别于等效连续介质假设的离散裂隙网络渗流模型，并通过算例模拟验证了应用离散裂隙网络流动模型求解流体在煤岩体中流动的可行性。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。作者日期 include 随着我国国民经济的迅速发展，对石油、天然气的需求量逐年增加，能源短缺的问题越来越突出，仅靠常规能源的勘探和开发已经远远跟不上国民经济的发展要求，寻求非常规能源来补充和接替常规能源成为了我国可持续发展能源战略的重要方向。专家指出，煤层气将是２ｌ世纪新兴的接替能源，其勘探开发必将是接替常规天然气资源最有前景和现实的途径之一，因此，进行适合我国特殊地质条件下的煤层气相关基础理论研究，具有重大的理论价值和重要的战略意义【ｔ－４］。 煤层气（Ｃｏａｌｂｅｄｍｅｔｈａｎｅ），又称为煤层甲烷，煤矿中俗称“瓦斯”，贮存于煤层及其围岩中，是由气体化合物与气体元素组成的混合体，同时它又是在煤炭形成过程中伴生的一种非常规天然气［５－６］。煤层气的主要成分是甲烷，还有少量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫及氮气等气体，其发热量为３０～４０ＭＩ／ｍ３，与油田伴生气和气田天然气一样均属于高热值的可燃气体，且燃烧中基本上不会产生烟尘，洁净优质。长期以来煤层气一直被当作“有害”气体，直到２０世纪７０年代，美国［７－ｓ］率先在圣胡安和黑勇士盆地进行煤层气地面开发试验成功，才被作为一种新型的洁净能源加以开采利用。煤层气的开采不仅使不可再生能源得到充分利用，而且有利于环境的保护和减少煤矿安全事故发生【９１。 煤层气的形成主要有以下四种 第一种，有机质在煤化作用过程中相伴生成； 第二种，由于火成岩侵入或碳酸盐受热分解生成的Ｃ０２经断层等通道进入到含煤地层之中而生成； 第三种，放射性物质蜕变过程生成； 第四种，地下水放出的放射性惰性气体氡及惰性气体氦； 其中，第一种为有机成因，第二、三、四种为无机成因。煤层气的组成一般以甲烷（包括少量重烃）为主，只在少数情况下以二氧化碳为主（如甘 辽宁工租技术大擘硕士学位论文２肃窑街煤矿）；氮、氡等稀有气体含量甚微。 我国煤层气资源及其丰富，据测算，我国煤层气资源总量约为３１．４６万亿立方米。迄今为止最完整的煤炭资源勘探成果和煤层气含量的实测资料显示我国的煤层气含气量大于８ｍ３／ｔ的富煤层气资源量为１２．４４万亿立方米，含量大于４ｍ３／ｔ，埋深小于２０００米的煤层气资源量为１４，３４万亿立方米；埋深小于１５００米的煤层气资源量为９．２６万亿立方米．埋藏深度介于１５００～２０００米的煤层气资源量为５．０８万亿立方米。从分布区域来看，我国东部地区的煤层气资源总量为３．３９万亿立方米，占我国煤层气资源总量的ｌＯ．７８％；中部地区的煤层气资源总量为２０．０８万亿立方米，占总量的６３．８２％，其中晋陕蒙的煤层气总量为１７．２５万亿立方米；西部地区的煤层气资源总量为７．９９万亿立方米，占总量的２５．４％．由此可以看出，我国的大部分煤层气资源分布在西气东输管运沿线，开发利用前景巨大． 全世界范围内煤层气储量十分丰富，总量超过天然气。煤层气作为一种新兴的战略能源，它的有效开发和利用已经成为国际上能源开发的热点，世界上主要的发达国家如美国、加拿大、英国、法国等已先后开展了一系列煤层气的勘探试验工作，除美国在圣胡安、黑勇士盆地等已进入开发阶段并形成了煤层气产业外，其他国家均在研究探索阶段。我国的煤层气开发剐刚起步，虽在全国陆续开展了一些煤层气的勘探开发工作，但仍处于初步勘探开发起步阶段。 １．２瓦斯气体运移的研究现状 瓦斯在煤层及采动裂隙岩体中的运移和聚积规律，是煤矿瓦斯防治、抽放和煤层气开发技术发展的基础，而这项研究涉及渗流力学、岩石力学、采矿及安全工程学等多学科，关键在于力学学科的渗流理论［２，９－１１１．自１９４７年前苏联学者ＥＭ．克里切夫斯基将渗透理论用于描述煤层内瓦斯运移过程，得出了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流规律，为煤岩瓦斯渗流理论的发展奠定了基础，到现在，煤岩瓦斯耦合作用理论已经发展了近６０年。目前，在国内外反应瓦斯运移机理的数学模型主要集中在煤层瓦斯渗流规律、煤层瓦斯扩散理论、煤层瓦斯渗流一扩散规律以及多物理场、多相煤岩瓦斯耦合规律。 辽宁工程技术太学Ｊｌ士学位论文３（１）煤层瓦斯渗流规律的研究 １９６５年，周世宁院士从渗流力学角度出发，把多孔介质的煤层视为一种大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，在我国首次提出了基于达西定律的线性瓦颠流动理论，奠定了我国瓦斯研究的理论基础。并于１９８４年，在总结前期大量的实测工作成果的基础上，创建了“钻孔流量法”煤层透气系数测定的新技术，该测定方法及其计算方法被广泛应用于我国煤矿开采中，目前已成为测定煤层透气系数的标准方法。郭勇义（１９８４年）结合相似理论，就一维情况研究了瓦斯渗流方程的完全解，并将瓦斯的等温吸附量用朗格缪尔（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）方程来描述，提出修正的瓦斯流动方程。１９８６年，谭学术利用瓦斯真实气体状态方程，提出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程。 １９８８年，魏晓林求出了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，并在煤矿现场取褥了成功的应用。１９８９年鲜学福院士、余楚新在假设煤体瓦斯吸附与解吸过程完全可逆的条件下，建立了煤层瓦斯流动理论以及渗流控制方程。孙培德（１９９３、１９９４年）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，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．此后，孙培德＜２００１年）应用统计热力学与量子化学的理论，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，更能客观地反映煤层内游离瓦斯的状态。 同时，著名的流体力学家Ｅ．Ｍ．Ａｌｌｅｎ在将达西定律用于描述均匀煤样中涌出瓦斯的试验中得出结果与实测不符，证明了瓦斯在煤岩体中的渗流存在非线性关系。于是，对基于达西定律的线性渗流定律是否适用于瓦斯在煤体中的运移问题，许多学者通过大量的实验及理论研究，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瓦斯的吸附。并提出了许多非线性的达西定律，这些定律的表达式可分为四类①二次式；②幂式；③曲线式；④统计表达式。． 随后，这些非线性达西定律在煤层瓦斯运移方面得到了多方面的应用，如１９８７年，孙培德在均质煤层和非均质煤层条件下，基于幂定律的推广形式，建立了可压缩性气体在煤层内流动的数学模型，并以焦作矿务局马村矿的实测瓦斯流动参数为依据，对均质瓦斯流场压力不同模型的数值模拟中， 辽宁工程技术大学硕士学位论文●得出幂定律更符合煤层内瓦斯流动的基本规律。 罗新荣（１９９１年）经过实验研究，基于克林伯格（Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ）效应的修正达西定律，指出了达西定律的适用范围，并提出了非线性瓦斯渗流规律以及相应的数学模型，之后，罗新荣（１９９４，１＂９９８年）又建立了非均质可压密煤层瓦斯运移和数值模拟方程，并得到了煤层瓦斯压力分布曲线和煤孔壁瓦斯涌出衰减曲线方程． （２）基于Ｆｉｅｋ定律的煤层瓦斯扩散理论研究． 瓦斯在煤体中以游离与吸附两种状态赋存，Ｆｉｃｋ定律认为，瓦斯由吸附状态向游离状态转化的过程符合线性扩散定律。这样就把扩散流体的速度与其浓度梯度线性地联系起来． Ｌ．Ｎ．Ｇｅｒｍａｎｏｖｉｃｈ在１９８３年从扩散理论角度研究了煤层中吸附瓦斯的解吸过程．在国内，１９８１年，王佑安与朴春杰提出了确定煤层瓦斯含量的煤解吸瓦斯速度法，并于１９８２年指出用煤的解吸指标作为煤层突出危险性的判据。１９８６年，杨其銮与王佑安等基于煤体中的吸附瓦斯向游离瓦斯转化过程的研究，提出了煤屑瓦斯扩散理论，认为煤屑内瓦斯运动基本符合线性扩散定律，并于１９８８年，提出瓦斯球向流动的数学模型。聂百胜、何学秋等人根据气体在多孔介质中的扩散模式，结合煤结构的实际特点，研究了瓦斯气体在煤孔隙中的扩散机理和扩散模式。吴世跃、郭勇义（１９９７～１９９８年）研究了煤粒瓦斯扩散规律及扩散系数测定方法，并依据第三类边界条件煤粒瓦斯扩散传质的理论，提出了一种预测煤和瓦斯突出的新指标．（３）煤层瓦斯渗流一扩散理论的研究 随着瓦斯运移规律研究的深入，国内外大多数专家学者认为瓦斯在煤层内的流动是渗流和扩散两种运动的混合，即煤层瓦斯渗流一扩散理论。在１９８７年，Ａ．Ｓａｇｈｆｉ（法国）和Ｒ．Ｊ．Ｗｉｌｌｉａｍ（澳大利亚）发表的“煤层瓦斯流动的计算机模拟及其在预测瓦斯涌出和抽放瓦斯中的应用”一文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。该论文指出，煤层中瓦斯的流动状况决定于其内瓦斯的渗透率和介质的扩散性，并从渗流、扩散力学角度出发，据Ｄａｒｃｙ、Ｆｉｃｋ定律，耦合成瓦斯渗流．扩散的流动方程，结合边值条件，提出了瓦斯渗流一扩散的动力模型，然后以变透气系数为基础，成功地进行了数值模拟． 辽宁Ｉ租技术大学项士学位论文５ 国内的孙培德（１９８６年）指出煤层内瓦斯流动实质是非均质的各向异性孔隙一裂隙双重介质中的可压缩流体渗流一扩散的非稳定的混合流动。段三明、聂百胜借助传热学、传质学，以扩散、渗流理论为基础，对瓦斯的解吸过程进行了理论推导，建立瓦斯扩散一渗流方程并进行了计算机模拟．吴世跃、郭勇义依据第三类边界传质的原理，建立扩散渗流的微分方程组，并讨论了反映煤层气扩散渗流特征参数的测试原理。在这里值得提出的是，周世宁院士和林柏泉（１９９９年）在其著作‘煤层瓦斯赋存与流动理论＇中系统的阐述了煤层瓦斯渗流～扩散理论，是我国对此理论研究的代表作之一。孔祥言教授也在其著作‘高等渗流力学＞中对瓦斯运移进行了论述。（４）多物理场煤岩瓦斯耦合规律的研究， 近年来，大多数从事于煤岩瓦斯耦合规律研究的学者都注意到此理论应该考虑地应力场、地电磁场、温度场等对瓦斯渗流场的影响。在国外，Ｗ．Ｈ．Ｓｏｍｅｒｔｏｎ（１９７５年）研究了裂纹煤体在三轴应力作用下氮气及甲烷气体的渗透性，得出煤样渗透性与作用应力、应力史有关且其透气率随地应力的增加按指数关系减小．Ｊ．Ｇａｗｕｇａ（１９７９年）、Ｖ．Ｖ．Ｋｈｏｄｏｔ（１９８０年）、ｓ．Ｈａｒｐａｌａｎｉ（１９８５年）等专家学者，在实验条件下，研究了在地球物理场中含气煤样的力学性质以及煤岩体与瓦斯渗流之间的固气力学效应。另外，Ｓ．Ｈａｒｐａｌａｎｉ（１９８４年）还深入研究了受载条件下含瓦斯煤样的渗透特征，间的相互影响得出，煤层渗透率变化与地应力变化为指数关系。 从２０世纪８０年代以来，周世宁院士、鲜学福院士、林柏泉教授等系统地研究了含气煤体的变形规律、煤样透气率等力学性质．赵阳升、靳钟铭、胡耀青等人，通过对含高瓦斯煤的渗透、变形和强度试验。得出了轴压、自然基金的资助下，采用热压型煤为试样，研究了含瓦斯煤的流变特性，得 １９９４年，赵阳升基于前人的研究工作，提出了煤层瓦斯流动的固结数Ｅｎｅｖｅｒ等（１９９７年）通过研究澳大利亚含瓦斯煤层的渗透性与有效应力之侧压、瓦斯孔隙压力对含瓦斯煤层特性的影响规律。周世宁、何学秋在国家到了类似于岩石特性的蠕变特性曲线。这些研究工作为我国深入研究考虑地应力场、地电磁场、温度场等多场耦合作用的瓦斯流动理论提供了基本依据。学模型，系统和完善了均质煤体固气耦合数学模型及其数值解法。此后，基于岩体基质岩块与裂缝变形、气体渗流及相互作用的物理机制，研究了块裂 辽宁工程扶术大擘焉士学住论文６介质岩体变形与气体耦合的数学模型及其数值解法。章梦涛、梁冰从１９９５年以后，基于塑性力学的内变量理论，以含瓦斯煤力学为基础，研究了煤与瓦斯的耦合作用对煤与瓦斯突出的影响及突出发生的失稳机理，提出煤与瓦斯突出的固流耦合失稳理论，进一步发展了瓦斯突出的固气耦合数学模型．丁继辉、赵国景等人基于多相介质力学，从热力学第二定律出发，以应力的二阶功最小作为突出发生的准则，建立了煤与瓦斯突出的固流两相介质耦合失稳的数学模型及有限元方程，并进行了数值模拟。 李树刚教授（１９９８年）在采场卸压瓦斯的运移规律明显受矿山压力影响的认识基础之上，将煤岩体看作可交形介质，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，为有效防治综放开采工作面瓦斯事故和合理抽取并利用瓦斯资源提供了理论依据。之后，借助现代化的电液伺服岩石力学试验系统，以数控瞬态渗透法进行了全应力应变过程的软煤样渗透特性试验，得出煤样渗透性与主应力差、辖应变、体积应变关系曲线，拟合出相应方程，首次提出煤样渗透系数一体积应变方程应作为耦合分析中主要的控制方程。鲜学福院士、王宏图等人通过研究地应力、地温和地电效应对煤层瓦斯渗流特性的影响，并通过建立煤层瓦斯运动方程、连续性方程、气体状态方程和含量方程，推导获得了考虑地应力场、地温场和地电场中的煤层瓦斯渗透率以及煤层瓦斯渗流方程。曹树刚教授、鲜学福院士在分析煤层瓦斯流动特性的基础之上，提出原煤吸附瓦斯贡献系数，建立了煤层瓦斯流动的质量守恒方程；并基于煤岩流变力学实验，提出讨论煤岩流变力学性质的广义弹粘塑性组合模型，建立了可用来研究煤与瓦斯延迟突出机理的含瓦斯煤的固－气耦合数学模型。近年来，粱冰、刘建军等根据瓦斯的吸附规律和煤与瓦斯固气耦合作用的机理，建立了考虑温度场、应力场和渗流场的固气耦合数学模型，并对不同温度下煤岩应力和瓦斯压力的分布规律进行了数值模拟计算。 （５）多楣煤岩瓦斯耦合规律的研究 近年来，多相渗流耦合问题也逐日成为煤炭科研工作者研究的燕点。但是，由于此问题本身的复杂性，致使国内外对它的研究很少．赵阳升、胡耀青等人研究了气液二相流体在裂缝渗流的模拟实验，揭示了二相流体在裂缝渗流中，水（气）相对饱和度对水（气）相对渗透性影响的规律。２００１年， 辽宁工程技术大学硕士学位论文７孙可明、粱冰、王锦山基于气溶于水的条件下，建立了煤层气开采过程中的煤岩骨架变形场和渗流场以及物性参数间耦合作用的多相流体流固耦合渗流模型。之后又建立了考虑解吸、扩散过程的煤岩体变形场与气、水两相流渗流场的多相流固耦合模型并进行了数值模拟，通过与试井资料的实际数据对比，表明流固耦合模型比较接近实际。刘建军利用流体力学、岩石力学和传热学理论，给出了考虑温度场、渗流场和变形场作用下的煤层气．水两相流体渗流理论，并通过数值模拟的方法，研究了温度效应对煤层气开发的影响。骆祖江，陈艺南等（２００１年）系统地论述了水、气二相渗流耦合模型的全隐式联立求解的方法与原理，并将该法应用于沁水盆地３群煤层气井气、水产量的预测中，收到了良好的效果。林良俊，马凤山建立了气、水二相流和煤岩变形的微分方程，用有限元分别将它们进行离散化。对煤岩变形模型１．３存在的问题 随着工业抽放瓦斯的进行和煤层气的开发利用，瓦斯气体在煤层中的运移流动机理，国内外不少学者已经做了大量的工作，但对于瓦斯气体的吸附、扩散机理及模式等的认识仍不清楚。 同时，以连续介质假定为基础的经典渗流理论，经过近百年的发展，已到广泛、成功的应用。但在实际的煤系地层中，煤岩并不是连续的整体，而体，裂隙构成了流体渗流的通道，岩体渗流实质上是裂隙网络渗流问题。而以往的大多数文献中多采用连续介质等效的方法对研究对象进行研究，但该方法却不能真实的反映流体在煤岩体中的流动情况。 本论文基于前人的研究成果，以渗流力学，岩石力学和离散数学为基础，开展了如下工作 （１）介绍了煤的大分子结构，总结了前人对煤中孔隙、裂隙的分类方和气一水二相流耦合模型及数值解法进行了讨论．较为成熟和完善，并在与由松散颗粒构成的多孔介质体有关的工程实践中得是由遍布于其中大大小小的裂隙、割理和由裂隙切割的岩块所构成的离散实１．４本文主要的研究内容案，分析了孔隙、裂隙系统在瓦斯气体吸附及质量传递过程中的不同作用。 辽宁Ｉ程技术大学硕士学位论文 （２）探讨了煤分子与瓦斯分子之间的吸附作用，计算了二者间吸附势。（３）讨论了瓦斯的Ｆｉｃｋ扩散、Ｋｎｕｄｓｅｎ扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶体扩散五种扩散类型及体滑脱效应；指出考虑气体可压缩性、储层压力和温度等因素影响，以诺森数来判断气体扩散类型的可行性。’ （４）论述了瓦斯解吸、扩散、渗流运移机理，推导了稳态情况下可压缩气体的达西定律，建立了考虑滑脱作用下的瓦斯渗流扩散数学模型． （５）探讨了区别于等效连续介质假设的离散裂隙网络渗流理论，引入图论方法，建立了离散裂隙网络渗流模型，应用Ｍａｔｌａｂ软件编制了模型求解程序，并进行了算例求解验证。 辽宁Ｉ程技术大学硕士学位论文 ２煤的物理特性 ２．１煤大分子结构 煤是由多种性质不同的显微组分所构成，显微组分的不同组合造成了煤组成结构的不同和性质上的异常复杂。煤是一种三维交联的大分子网络的观点已经被绝大多数煤化工专家所接受【１２１．构成煤大分子的煤基本结构单元是芳香核，它由碳原子骨架组成，是煤大分子的一级结构成分。要研究煤的结构特征必须首先弄清这些基本结构单元的基本性质。如其芳香性、缩合性、大小及其分布等。使用Ｘ射线衍射等方法可以确定基本构造单元的大小和分布，研究表明，煤的大分子芳香核尺寸平均小于Ｉｎｔｏ． 图２－１煤的大分子结构 煤大分子通过各种桥键（如一ｃＨ４一，一Ｏ一，一ｓ等）和交联键相互联接，桥键和交联键是煤有机大分子的二级结构成分，他们对煤的物理力学性质影响很大，对煤的断裂模式有很重要的影响。在早期的煤大分子结构网络模型中，不论是桥键还是交联键，一律被认为是由共价键构成的，但近年来的煤抽取、膨胀、ＥＳＲ和ＮＭＲ实验证明，有非共价键形式的键存在，它们对煤的性质有很大的影响。・ Ｎｉｓｈｉｏｋａ等认为，分子内部和分子问的作用在煤的大分子模型网络里起重要作用，其实验基础是煤膨胀的不可逆性及其在溶剂中膨胀时对煤浓度的依赖性．大部分的煤分子并未组成三维交联键的网络，只是相互关联．同时Ｎｉｓｈｉｏｋａ等还通过煤的抽取实验找到了煤分子相互关联的模式，认为煤分子间的关联作用不是通过分子间的ＶａｎＤｅｒＷａａｌｓｓ力或氢键来实现的，而是通过电荷转移络合物（Ｃｈａｒｇｅ－ｔｒａｎｓｆｅｒＣｏｍｐｌｅｘｅｓ）来实现的。在煤的大分子网络中存在着一些分子量较小的原子基团已取得越来越 辽宁工程技术大学硕士学位论文１０多的证据，同时这一观点也得到越来越多学者的认同．Ｂｏｄｚｅｃｋ等认为，把大分子网络中的小分子结合到网络上的作用力是电子给受体键（ＥＤＡ）。在此基础上，Ｋｒｉｃｈｋｏ（１９９０）提出了煤的多体自相关结构模型，认为煤的有机质是一化学组成类似但又不相同的分子通过多重非共价作用联结而成，其中重要的作用键是ＥＤＡ键和氢键，而氢键是一种特殊的ＥＤＡ键。ＥＤＡ键的作用受诸多因素的影响，如静电作用、极化作用、交换作用和电荷转移作用等。 通过上述分析可以认为煤是一种三维交联的网络，‘其中大分子内部和大分子之间通过化学键（主要是其共价键）和非化学键连接。在非化学键中起主要作用的是ＥＤＡ键和氡键以及除此之外的分子间作用力． 在煤的有机结构中，芳香核的周边存在着大量的原子基团，它们是煤有机大分子的三级结构组成。这些基团中，有些是酸性的，如一０Ｈ，有些是碱性的。在这些基团中，有些是极性的，它们的存在对煤大分子间的作用，及其对瓦斯气体的吸附都有重要的影响，正是这些基团的作用使得煤对瓦斯有很大的吸附能力。 ２．２煤层孔隙裂隙分类 煤层中存在着大量的孔隙和裂隙，这些孔隙、裂隙构成了非均质、各向异性的双重系统，裂隙系统构成了瓦斯气体运移的主系统，孔隙系统是气体运移的子系统。煤储层中裂隙系统的展布，控制着气体在煤体中的运移和质量的传递，而孔隙结构分布状况决定了气体在煤中的储集状态和扩散方式．２．２．１煤的裂隙分类及属性 裂隙是煤中普遍存在，人们认识到他存在至今已有一百多年的历史。裂隙的分类有多种，在总结前人对裂隙的分类的基础上，苏现波按照裂隙的形态和成因将煤的裂隙分为三类【”】割理（内生裂隙），外生裂隙和继承性裂隙． （１）割理（内生裂隙）煤储层割理主要是在煤化作用过程中，煤物质结构、构造等因压实脱水 辽宁工程技术大学硕士学位论文 变化而产生的裂隙。根据在层面上的形态和特征，可以将割理分为面割理和端割理。其中面割理通常是与层面平行或近平行，一般呈板状延伸，连续性较好，是煤层中的主要内生裂隙。端割理只发育于两条面割理之间，常与层面垂直或近似垂直，一般连续性较差，缝壁不规则，是煤层中的次内生裂隙。煤岩中面割理和端割理都比较发育，单体规模小，总体密度大，在空间上交割成立体网状［１４Ａ５ｌ。 图２－２煤中割理分布（据张新民，２００２） （２）外生裂隙 外生裂隙是指煤层在较强的构造应力作用下形成的裂隙，按成因可分为三种剪性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理。剪性外生裂隙与煤层面以各种角度相交，可出现在煤层任何部位，裂隙凹凸不平，且有滑动痕迹多呈羽毛状、波状，裂隙间距较宽，常两组并存。张性外生裂隙与岩石的张性裂隙一样，规模较小，雁行排列。劈理是指煤层存在层间滑动时，形成一系列波状相互平行裂隙． （３）继承性裂隙 如果割理形成前后的构造应力场方向不变。早先的割理就会被进一步强化，表现为部分割理由其发育的煤层向相邻分层延伸扩展，但方向保持不变，这部分裂隙称为继承性裂隙。继承性裂隙兼具割理和外生裂隙的双重性质，属过渡类型。 煤中裂隙的孔隙度较小，变化范围为ｌ％～６％，一般在２％左右。从研究煤中裂隙发育特征与煤储层渗透性关系角度出发，将肉眼可见的煤中裂隙按尺寸大小划分为五种类型，各种类型及其基本特征见表２．１。 煤层中存在着大量的裂隙，各种裂隙构成的裂隙系统，其孔隙度很小，储集能力小，但渗透率却很高，是瓦斯气体质量传递的主要路径，同时连接 着孔隙的子系统，沟通了基质中孔隙，使煤储层介质的孔隙系统和裂隙系统 辽宁工程技术大学硕士学位论文 连通呈网络状分布，促使扩散渗流交替发生，相互补充，相互控制． 表２－１裂隙类型及其基本特征 类型特征描述 切穿一个以上煤层自然分层或几个宏观煤岩类型分层的裂隙， 大型裂隙也切穿夹矸层，高度一般５０～１００ｃｍ，延伸长度数十米～近百米， 裂缝宽度数毫米。垂直或斜交煤层层理分布。 切穿煤层自然分层或几个宏观煤岩类型分层的裂缝，高度一般 较大型裂隙２０～５０ｃｍ延伸度长度数米～数十米，裂缝宽度在微米级～毫米 级的范围内，一般垂直或近垂直煤层层理分布． 在煤层自然分层或宏观煤岩类型分层中垂向断续成为连续分布 中型裂隙的裂隙，高度一般５～２０ｃｍ，延伸长度数十厘米～数米，裂缝宽 度在微米级～毫米级范围内，常见垂直或近垂直煤层层理分布。 较小型裂隙在宏观煤岩类型分层中垂直分布的裂隙，高度一般＜５ｃｍ，延伸 长度数厘米～数十厘米，裂隙宽度在微米级的范围． 在镜煤中垂直分布的裂隙，罕见斜交层理方向分布，即常指的 小型裂隙内生裂隙，高度一般＜２ｃｍ，延伸长度几厘米～几十厘米，裂缝 宽度几微米～几十微米． ２．２．２煤的孔隙分类及属性 煤层的孔隙系统继承性地负载了植物的组织结构，各种形状大小不一地圆形孔、椭圆孔或不规则形孔，由植物原始组织结构和成煤作用所控制Ｄ６］．成因可将分为气孔、植物组织孔、溶蚀孔，晶间孔等；按大小分为微孔，小孔，中孔、大孔等。 图２－３煤中孔隙分布（据张新民，２００２） 煤的孔隙相差很大，大到数微米级的裂缝，小到氮分子（直径为０．１７８ｎｍ）都无法通过。孔隙是瓦斯气体的主要储集场所，同时也是瓦斯气体脱附解吸、扩散的主要场所，因此，研究孔隙系统的分类和属性具有重要意义。孔径分布可用光学显微镜、扫描电子显微镜、压汞法或低温氮等温吸附法等测定， 如图２．４所示． 辽宁工程技术大学硕士学位论文 微孔过渡孔中孔大孔 光 电 辐 射 流 体 透 入 图２・４孔型分类及表征孔隙率的各种方法 对煤中孔隙孔径进行分类，国内外学者、机构进行了大量的工作【＂，１引．分类方案根据研究对象，目的的不同也有所差别。表２．２总结了一些煤的孔隙分类方案。普遍采用的分类方案是Ｇｉｒｉｓｈ等人依据煤的吸附特性进行的分类，并且得到国际理论和应用化学联合会的认可。霍多特的分类依据工业吸附剂的研究提出，微孔构成煤中的吸附容积；小孔（过渡孔）构成毛细管凝结和瓦斯扩散空间；中孔构成缓慢的层流渗透区间；大孔构成强烈的层流渗透区间，并决定具有强烈破坏结构煤的破坏面；可见孔及裂隙构成层流及紊流混合渗透的区间，并决定了煤的宏观（硬和中硬煤）破坏面．霍多特分类方案被大多数人认可采用。 表２－２煤的孔隙分类方案表（／ｎｍ） Ｂ．Ｂ霍多特（１９６１） ｏ孤等（１９７２）＜ｌＯ＜１２ＩＯ～ｌ∞１００～１０００ｌ上～３０＞１０００＞３０ ＞３０一１２～３０朱之培（１９娩）＜１２ 抚顺所（１９８５） Ｇｉｒｉｓｈ等（１９８７） 国际理论和应用化学＜Ｏ．８＜８一８～ｌ∞ ｌＯ～１００一２～５０＞ｌ∞＞５００．８～２２～１０联合会（１９７２）俞启香（１９９２）＜２１００～１０００＞１０００ 辽宁Ｉ程技术大学硕士学位论文１４ 近年来，一些学者借助分形理论（Ｍａｎｄｅｌｂｏｒｔ，１９７５）利用压汞法分析了煤孔隙的分形分类，进而分析了煤的自然分类【１９，２０］，见表２．３。但该方法并没有说明区分扩散和渗透的依据。 表２－３基于煤层气运移特征的煤孔隙分类（／ｎｍ） 研究表明ｉｓ］，煤的总孔容一般在ｏ．０２～０．２ｃｎｌ３／ｇ，孔隙比表面积在９～３５锄２／ｇ之间，孔隙度在１％～６％之间。煤基质微小孔隙系统具有很大比表面积，极强的吸附能力，是瓦斯气体吸附富集的场所，同时也是瓦斯气体发生脱附解吸、扩散的载体。瓦斯气体在的孔隙系统中的脱附解吸、扩散为裂隙系统渗透流动提供了源源不断的气源，使气体通过裂隙系统运移产出成为可能． ２．３本章小结 本章基于前人的研究成果，详细介绍了煤的三维交联大分子结构，即由碳原子骨架构成的芳香核、桥键和交联键、一些分子量较小的原子基团三级结构构成。在这些具有酸性或者碱性的原子基团中，有些是极性的，它们的存在对煤大分子间的作用，及其对瓦斯气体的吸附都有重要的影响，正是这些基团的作用使得煤对瓦斯有很大的吸附能力。 对煤层中裂隙、孔隙按成因和大小进行了分类总结，依据其不同的物理特性和二者在构成网络结构中的不同作用，论述了孔隙、裂隙系统在瓦斯气体吸附及质量传递过程中，发生脱附解吸、扩散、渗流所起到的作用。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ３煤中瓦斯吸附扩散渗流机理 ３．１甲烷分子平均自由程 瓦斯的成分以甲烷（ＣＨ４）为主，其次为二氧化碳（Ｃ０２）、氮气（Ｎ２）等，甲烷是无色无味气体，在大气压力为１个标准大气压，温度为Ｏ摄氏度的标准状态下，每立方米的质量为Ｏ．７１６ｋｇ，相对密度为Ｏ．５５４，与氧气适当混合后具有燃烧性和爆炸性。通常情况下，甲烷对水的溶解度很低，难溶于水，当压力为３．４ＭＰａ，温度为２０摄氏度时，其溶解度仅为１ｍ３／ｍ３，一般认为少量地下水的流动对瓦斯的排放影响不大，但是，少量地下水的长期流动对瓦斯的排放则会造成重大影响。 气体分子在多孔介质中的扩散、渗流模式与多孔介质孔径的大小和气体分子的平均自由程有关【２卜２３１，所以从微观上应该了解气体分子平均自由程。 由热力学可知，气体分子每时每刻都在不停地运动着，但其运动有一定限度。这是因为在任意空间中总存在有大量分子，任一分子在运动时总会有机会与别的分子相互碰撞。分子在相互碰撞前所走的一段直线距离称为分子的自由程。平均自由程即分子连续碰撞之间所通过自由程的平均值，用名表示 Ａ＝歹・址２；２了重三；二手２丽１（ｓ－－） 对于实际气体，满足气体状态方程【２４】 Ｐ＝ＺｎｋＴ或ｎ＝ＺｋＴ／Ｐ（３－２） 式中，矿一分子平均运动速度，ｍ／ｓ； 三一分子平均碰撞频率，ｓ～； 打一分子数密度； 瓯一分子有效直径，ｎｍ； ｚ一气体压缩因子； ｋ一玻尔兹曼常数，１．３８１０－２３，Ｊ／Ｋ； ｒ一绝对温度，Ｋ；Ｐ一气体的压强，ＭＰａ。 辽宁工程技术大学硕士学位论文１６ 将上式代入式（３－１），得到 ２２面ｋＴＺ。丽ｋＴ％１＾＝７２一＝１＝●ｔ７ｊ－ｊ，√２石罐Ｐ√２石露弓‘（３－ｓ）Ｌ’。。。 当常温常压下，气体压缩因子ｚ＝１。根据上式，计算了常温常压下ｃ矾、ｃｑ和Ⅳ２三种气体的平均自由程，见表３－１・ 表３・ｌ煤层气体分子直径及平均自由程（２０＂Ｃ０．１０１３２５ＭＰａ） ３．２煤中瓦斯吸附 ３．２．１瓦斯吸附的本质 吸收作用是指由于物理或化学的作用力场，某种物质分子能够附着或结合在两相界面上的浓度与两极本体不同的现象，即在界面上发生增浓现象。 瓦斯气体在煤内表面的吸附是物理吸附［２５，２６】，由于甲烷分子的化学惰性，煤中自由基在常温下也难以对甲烷分子产生化学吸附．之外，还根据在．１００＂Ｃ一３０＂Ｃ温区的现场红外光谱实验，发现即使在－ｌｏｏ℃时，也观察不到甲烷分子在煤中形成化学吸附的证据。物理吸附的本质是煤表面分子和瓦斯气体分子之间相互吸引的结果。煤分子和气体分子之间的引力越大，煤对瓦斯气体的吸附量越多．吸附的速度一般较快，也容易发生脱附过程，这是由于吸附时没有形成电子参与结合的新键的原因。 固体对气体的吸附从本质上说是由固体表面的原子或离子与气体分子之间的相互作用力引起的，最终表现为固体表面分子与气体分子间电引力的作用。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，引起物理吸附的力是范德华（ＶａｎＤｅｒＷａａｌｓ）力和排斥力［２４，２７－３０］。 ’ （１）范德华力 范德华力包括静电作用力（又称取向力，Ｋｅｃｓｏｍ力）、德拜（Ｄｅｂｙｅ）诱导力、伦敦色散力（Ｌｏｎｄｏｎｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｆｏｒｃｅ）。 辽宁工程技术大学硕士学位论文１７①静电作用力 极性气体分子（Ｈ２０，ｃｏ）Ｋ有永久偶极矩，与煤表面的极性基团会产生静电作用力，Ｘ－表达式为 晶＝一塑３ｒ６Ｔ 式中，乓，一煤与瓦斯分子问偶极矩相互作用能，ｋＪ／ｍｏｌ； 心一煤大分子的永久偶极矩，Ｄｅｂｙｅ； 以一气体分子的永久偶极矩，Ｄｃｂｙｅ； ，一气体分矛与煤分子之间的距离，Ｉｌｍ； ｒ一绝对温度，Ｋ。（３．４） 对于有些气体（Ｎ２，０２，ＣＯ，Ｃ０２等）还存在有四极矩，这对分子问相互作用也有一定的影响。其表达式为 耻一丝ｒＳｋＴ一云等 式中，Ｅ一煤大分子与气体分子四极矩作用势，ｋｌ／ｍｏｌ；（３－５） Ｑ一煤大分子的四极矩，孵％佣％； ’ Ｑｌ一气体分子的四极矩，孵％绷％； ｋＢｏｌｔｚｍｍａｎ