考虑流固耦合作用的瓦斯运移规律研究现状.pdf

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第24卷第6期中国矿业Vo1．24，No．62015年6月CHINAMININGMAGAZINEJun．2015矿业纵横考虑流固耦合作用的瓦斯运移规律研究现状吕伏，徐曾和，梁冰。(1．东北大学资土学院，辽宁沈阳100083；2．辽宁工程技术大学基础教学部，辽宁葫芦岛125105；3．辽宁工程技术大学研究生学院，辽宁阜新123000)摘要：针对考虑流固耦合的瓦斯运移问题，本文基于对前人研究的分析，总结了关于含瓦斯煤体的有效应力原理及瓦斯运移机理的研究成果。指出了研究中存在的主要问题，得出了以下结论：①关于煤与瓦斯的有效应力原理，亟需给出吸附膨胀应力及孔隙压力的分担比例；②关于瓦斯在煤体中的运移机理，应考虑如何在瓦斯的运移过程中彻底地区分扩散和渗透过程。关键词：含瓦斯煤体；有效应力原理；渗流；扩散；吸附解吸中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1004—4051(2015)06—0124—04Theresearchstatusofgasmigrationlawconsideringfluid—structurecouplingeffectLVFu，XUZeng—he，LIANGBing。(1．CollegeofResourcesandCiviIEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China；2．DepartmentofBasicTeaching，LiaoningTechnicalUniversity，Huludao125105，China；3．GraduateSchool，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China)Abstract：Viewoftheproblemofgasmigrationinconsideringfluid-structureinteraction，basedontheanalysisofpreviousstudies，thispapersummarizesabouttheeffectivestressprincipleandthegasmigrationmechanismofthecoalcontaininggas，pointsouttheproblem．Theconclusionsareasfollows：①theprincipleofeffectivestressoncoa1andgasneedstObegiventhesharedadsorptionbetweenexpansionstressandporepressure；②aboutthemechanismofgasmigrationincoal，thekeyishowtOdistinguishseepageanddiffusionprocesscompletely．Thentheresearchprospectisgiven．Keywords：coalcontaininggas；principleofeffectivestress；seepage；diffusionadsorptionanddesorption我国是世界上煤矿瓦斯问题最为严重的国家象¨1]。煤炭地下开采过程中发生的灾难事故是惊人之一。煤是一种孔隙一裂隙双重介质，其开采过程的，特别是瓦斯突出事故的频繁发生，给煤矿的安中的煤体变形和瓦斯流动均是在流固耦合作用下全生产带来了极大的威胁，不仅造成了大量人员伤的煤体变形和瓦斯流动，而煤与瓦斯突出亦是由于亡、严重的环境破坏，而且也带来了巨大的经济损流固耦合作用下的煤体失稳破坏而发生的灾害现失和不良的社会影响。因此，防治瓦斯灾害，保障煤矿安全生产，是我国煤炭生产面I临的首要和迫切收稿日期：2014-0630的任务。同时，瓦斯又是一种清洁高效的能源。因基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目子课题“煤层群此如何合理利用资源，实现煤与瓦斯共采，是煤炭煤与瓦斯共采时空协同机制及技术优化方法”资助(编号：开采的发展趋势[2]。随着煤炭资源的利用，开采逐2011CB201206)；国家自然科学基金青年基金项目“大面积采动地层渐进入深部开采过程，面对着高地应力，高温，高瓦长期稳定性研究”资助(编号：51304108)；国家自然科学基金项目“反应流体通过可变形多孔介质流动的多相化学反应与相互作用”斯含量，低渗透率的恶劣环境_3]。研究清楚反映煤资助(编号：50974030)；国家自然科学基金青年基金项目“多孔矿石体与瓦斯流固耦合作用的有效应力原理及瓦斯在中的反应扩散与孔隙结构演化”资助(编号：51304035)煤体中的运移机理，是研究煤与瓦斯流固耦合问题作者简介：吕伏(1980)，女，辽宁工程技术大学基础教学部数学建立数学模型的基础，对于瓦斯抽放和煤炭开采具教研室副教授，东北大学工程力学专业在读博士，从事高等学校公共基础数学课程的教学及流体力学中的数值计算及反分析工作。有十分重要的指导意义。 第6期吕伏，等：考虑流固耦合作用的瓦斯运移规律研究现状1含瓦斯煤体的有效应力原理式中：a一2aRTp(1—2)In(1+bp)／(3Vp)。1．1多孔介质有效应力原理李祥春等根据煤体受力平衡条件建立了考虑关于多孔介质的有效应力原理，徐献芝、李培吸附膨胀应力的煤体有效应力表达式](见式(4))，超等在太沙基有效应力原理的基础上给出了适用并根据流固耦合理论的基本思想建立了煤层瓦斯于多孔介质的有效应力原理，在充分分析流固耦合流固耦合的数学物理模型。渗流物理特性的基础上，建立起了关于孔隙度和渗d—+P+(4)透率的动态模型l_4]。建立了完整的饱和多孔介质流式中：d一E￡一【卫二昙。0V固耦合渗流的数学模型，并将所建立的理论应用于通过数值计算考虑吸附膨胀应力的模型计算软土竖向固结沉降，地面沉降变形和承压含水层渗的压力下降比没考虑吸附膨胀应力的模型要大，两流研究。李传亮等进一步研究了多孔介质的变形种模型的模拟结果存在一定的差别。然而，在李祥机制，提出介质变形存在本体变形和结构变形两种春所给出的有效应力表达式中可以看出，其认为煤变形机制，并将总应变分为本体应变和结构应变两体的总应力由骨架的应力，孔隙流体压力和由吸附部分，从而引入了多孔介质的双重有效应力概念l_5]。引起的膨胀应力共同分担，但是由于其忽略了煤体然而，对于含瓦斯煤体，由于吸附态瓦斯的存在，除颗粒间的接触面积，所以最终的表现形式上只是三了考虑孔隙压力和总应力的作用以外，吸附引起的者简单的和式结构，并没有体现出孔隙压力真正的膨胀应力也必须考虑在内。分担比例。1．2含瓦斯煤体的有效应力原理2瓦斯在煤体中的运移机理含瓦斯煤体，是由煤骨架和吸附态和游离态的2．1研究现状瓦斯所构成的三相多孔介质。其中含有大量的微对于瓦斯在煤体中的运移问题，一直以来有渗孑L隙和裂隙。瓦斯在微孔中以吸附态存在，在裂隙流说、扩散说和渗流一扩散说三种观点[1。经过长中以游离态存在。在采动影响下，应力重新分布，期的讨论和发展，大量的实测资料和实验研究『1妇均裂隙中游离态瓦斯流动，孔隙压力变化，孔隙中的表明在煤体中90以上的瓦斯都是以吸附态存在吸附态瓦斯解吸进入到裂隙系统]。假设含瓦斯煤在煤体的微孔中的，吸附态的瓦斯由于浓度梯度会体为各向同性的线弹性孔隙裂隙双重介质，并且裂扩散到裂隙中，从而成为裂隙中在压力梯度下进行隙系统被瓦斯气体单相饱和。这样的话，对于含瓦渗流的游离态瓦斯的源汇。渗流一扩散的观点逐斯煤体的有效应力，应综合考虑总应力、游离态瓦渐为研究者广为接受并成为一些学者研究瓦斯在斯压力、吸附所产生的膨胀应力三部分的共同作用。煤体中运移规律的前提假设_1。在该假设的前何学秋等基于煤的大分子结构、吉布斯公式及提下，已知渗透系数、扩散系数，就可以通过求解瓦Langmiur方程推导了瓦斯的吸附对煤体基质变形的斯流动质量守恒的微分方程来得到瓦斯流动规律。影响关系L7]，得出吸附引起的膨胀变形率，见式(1)。通过以往的研究E14-16]，我们知道，瓦斯在煤体考虑孔隙流体压力的影响认为变形率为式(2)。中运移的渗透系数和扩散系数并不是常数。很多e===aQ-VvK-11n(1+6由)(1)o—学者做过相关的研究都表明，在机理的角度讲，渗透系数就会受介质的应力和多孔介质中瓦斯气体e—a~4V11n(1+6)+mp(2)0的孔隙压力的影响，而扩散系数也会跟孔隙的孑L隙式中，m为比例系数，但是并没有给出其具体数值或率及孔隙压力等因素有关口。计算方法。吴世跃等根据表面物理化学和弹性力学SomertonW．H．等研究了裂纹煤体在三轴应原理，推导了煤吸附膨胀变形、吸附膨胀应力及有效力作用下对氮气及甲烷气体的渗透性，指出，随地应力计算公式，通过试验验证理论计算结果的合理应力增加，煤层透气率按指数关系减小[1。性l_8]。通过对结果的分析，得出了裂隙中自由气体的Heiland等、schulze等、Oda等对岩石进行了全应压力对煤层中应力状态影响很小，在煤层内部吸附膨力一应变过程渗透性变化的实验，在一定的围压和孔胀应力和吸附膨胀变形规律服从虎克定律的结论。压条件下加轴向围压，观察岩石变形直到破坏整个并在忽略孔隙压力在截面上对外力支撑作用的前提过程的渗透性变化n。XiexingMiao等实验研究下，提出了有效应力计算公式，见式(3)。了破碎煤岩在不同孔隙结构下的渗流特性_2。周一一ap(3)世宁、林伯泉等对含瓦斯煤的力学特性、渗透特性 126中国矿业第24卷和蠕变特性进行了系统的研究，着重提出了瓦斯气标准试样进行测试，这样就不考虑瓦斯的渗流问题。体压力、煤体吸附性、煤体变质程度以及孔隙率与在实际应用的过程中，渗流和吸附解吸扩散是煤体变形之间的关系_2。研究了受载作用下瓦斯无法完全分开的。尤其实在利用含瓦斯煤体进行在煤样中的渗透特性，得出煤样的渗透率与应力在渗透实验的过程中，无法消除煤体对瓦斯的吸附解加载过程中服从指数函数关系愚一ae～；在卸载过吸作用的影响，因此导致适用于其他无吸附解吸作程中服从幂函数关系(式(5))用的多孔介质的渗透规律在含瓦斯煤体的问题上一是。(5)不适用，表现在实验结果上，即是加载过程中渗透孙培德等研究了应力和孔隙压力与煤层的瓦率随瓦斯压力的增加会呈现先减小再增加的变化斯渗透率之间的关系L2，并得出：①孔隙压力一定，规律，卸载过程中，随着有效应力的减小，渗透系数煤层的渗透率随有效应力的增加而减小，随有效应出现先减小后增加的变化规律。如若不对瓦斯的力的减小而增加，二者呈负指数的变化规律；②当吸附解吸及扩散过程进行单独剖析，只是将其混在煤体骨架所承受的有效体积应力处于稳定状态时，渗流过程中去研究瓦斯在煤体中的渗流规律，势必渗透率随孔隙压力呈对数坐标下的抛物线型变化会导致所求的结果只能进行定性的分析，求出的渗规律。唐巨鹏、潘一山等利用自主设计的三轴瓦斯流规律对于一般情况不具有普适性。渗透仪，进行了加卸载条件下的瓦斯吸附解吸和渗透3结论及展望实验_2。通过控制轴压、围压和孔隙压力分别测量3．1结论了孔压增、减和围压增、减条件下的渗透率、瓦斯解吸1)关于煤与瓦斯的有效应力原理，由于煤体对量及解吸时间，通过分析实验数据，得出了瓦斯的运瓦斯的吸附作用所产生的吸附膨胀应力必须考虑移是吸附解析一扩散一渗流共同作用的结论。在内，同时裂隙中游离态瓦斯的孔隙压力对有效应2．2发展趋势及存在的问题力的影响也必须考虑，二者各分担一定的比例。但2．2．1发展趋势是关于分担的比例系数问题，尚有待研究。对于瓦斯在煤体中的运移规律的研究，已从单2)关于瓦斯在煤体中的运移机理，应综合考虑渗透／扩散作用发展为同时考虑渗透和扩散的影吸附态瓦斯的解吸一扩散及游离态瓦斯的渗透作用。响，而反映瓦斯渗透规律和扩散规律的关键参数一渗但是在瓦斯的运移过程中并没有彻底地区分扩散透系数[z7-31和扩散系数口的研究，也开始从线性和渗透过程。定律逐步发展为非线性的趋势。表现在实际应用3．2展望过程中，即是由开始依据实验数据和线性假设求出通过以上分析，在含瓦斯煤体中瓦斯运移规律渗透系数和扩散系数常数，逐步发展为通过实验研的研究过程中，应侧重研究以下两方面的问题。究及理论分析得出渗透系数和扩散系数与有效应1)关于煤与瓦斯的有效应力原理，亟需通过研力及孔隙压力之间的定性的函数关系，然后根据实究给出吸附膨胀应力及孔隙压力的分担比例。测数据反求已知函数关系中的未知参数给出所需2)关于瓦斯在煤体中的运移机理，应考虑如何的渗透系数及扩散系数的定量的结果。例如，关于在瓦斯的运移过程中彻底地区分扩散和渗透过程。瓦斯渗透率，经常被采用的就有渗透率关于孔隙率■_的立方定律及表示成关于有效应力及孔隙压力的参考文献指数函数关系等。并进一步研究瓦斯的吸附对煤梁冰．煤和瓦斯突出的固流耦合失稳理论的研究[D]．沈阳：体有效应力、孔隙率及渗透特性的影响。东北大学，1994．通过前人大量的实验研究和理论分析，关于瓦袁亮．瓦斯治理概念和煤与瓦斯共采技术[J]．中国煤炭，斯运移是扩散和渗流共同作用的观点基本可以达2O10，36(6)：5-12．成共识。但是并没有给出关于解吸扩散和渗流之张淑同．煤层瓦斯含量与瓦斯压力反算关系研究[J]．中国矿间理论上的检验及定量的对比结论。业，2012(3)：116-118．2．2．2存在的问题李培超．多孔介质流固耦合渗流数学模型研究ED]．中国科学技术大学，2003．在进行渗透实验的时候，是在吸附平衡的条件李传亮，孔祥言，徐献芝．多孔介质的双重有效应力EJ]．自然下进行的，即认为在求解渗透规律的实验中，没有杂志，21(5)：288—292．瓦斯吸附解吸及扩散作用的影响。而在进行吸附IiXiangehun，NieBaisheng，ZhangRuming，etc．．Experiment解吸实验的时候，是将煤块粉碎加工成一定粒径的ofgasdiffusionanditsdiffusionmechanismincoal[J]． 第6期吕伏，等：考虑流固耦合作用的瓦斯运移规律研究现状127InternationalJournalofMiningScienceandTechnology，permeabilityindeformingrocksalt[J]．EngineeringGeology，2012，22(6)：885—889．2001，61(2-3)：163—180．[7]何学秋，王恩元，林海燕．孔隙气体对煤体变形及蚀损作用机[213oda，M．，Takemura，T．，Aoki，T．DamagegrowthandpermeabilitychangeintriaxialcompressiontestsofInada理[J]．中国矿业大学学报，1996，25(1)：6-11．[8]吴世跃，赵文．含吸附煤层气煤的有效应力分析_J]．岩石力学granite[J]．MechanicsofMaterials，2002，34(6)：313-331．与工程学报，2005，24(10)：1674—1679．[22]XiexingMiao。ShuncaiLi，ZhanqingChen，eta1．Experimental[9]李祥春，郭勇义，吴世跃，等．考虑吸附膨胀应力影响的煤层studyofseepagepropertiesofbrokenSandstoneunderdifferent瓦斯流一固耦合渗流数学模型及数值模拟[J]．岩石力学与工porosities[J]．TransportinPorousMedia．2011，86：805—814．程学报，2007，26(S1)：2743—2749．[233林柏泉，周世宁．煤样瓦斯渗透率的实验研究[J]．中国矿业学[1O]段三明．煤层瓦斯扩散渗流规律的研究[D]．太原：太原理工院学报，1987，16(1)：21—28．大学，I998．[24]孙培德．变形过程中煤样渗透率变化规律的实验研究[J]．岩[11]李传亮，彭朝阳，朱苏阳．煤层气其实是吸附气LJ]．岩性油气石力学与工程学报．2001，20(S1)：1801—1804．藏，2013，25(2)：112—116．[25]唐巨鹏，潘一山，李成全，等．固流耦合作用下煤层气解吸一渗[12]张力，何学秋，李侯全．煤层气渗流方程及数值模拟[J]．天然流实验研究[J]．中国矿业大学学报，2006，35(2)：274—278．气工业，2002，22(1)：23—26．[26]唐巨鹏，潘一山，李成全，等．三维应力作用下煤层气吸附解[13]何学秋．含瓦斯煤岩流变动力学[M]．徐州：中国矿业大学出吸特性实验[J]．天然气工业，2007，27(7)：35—38．版社，1995．[271胡国忠，王宏图，范晓刚，等．低渗透突出煤的瓦斯渗流规律[14]徐曾和，徐小荷，徐继军．可变形多孔介质渗透系数的测定方研究[J]．岩石力学与工程学报，2009，28(12)：2527—2534．法口]．实验力学，i998，13(3)：314—320．[28]李波．受载含瓦斯煤渗流特性及其应用研究[D]．北京：中国[15]周世宁，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论[M]．北京：煤炭工矿业大学(北京)，2013．业出版社，1990．[29]YunqiTao，JiangXu，DongLiu，YongqingIiang．[161GuangzhiYin，WenpuLi，ChangbaoJiang，eta1．MechanicalDevelopmentandvalidationofTHMcouplingmodelofpropertyandpermeabilityofrawcoalcontainingmethanemethane—containingcoal[J]．InternationalJournalofMiningunderunloadingconfiningpressure[J]．InternationalJournalScienceandTechnology．2012，22(6)：879—883．ofMiningScienceandTechnology，2013，23(6)：789—793．[3O]曹树刚，郭平，李勇，等．瓦斯压力对原煤渗透特性的影响[J]．[17]郭勇义，吴世跃．煤粒瓦斯扩散及扩散系数测定方法的研究煤炭学报，2010，35(4)：595—599．[J]．山西矿业学院学报，1997，15(1)：15-20．[31]曹树刚，李勇，郭平，等．型煤与原煤全应力一应变过程渗流特[18]SomertonW．H．eta1．Effectofstressonpermeabilityofcoal性对比研究[J]．岩石力学与工程学报，2010，29(5)：899—906．[J]．InternationalJournalofRockMechanichalMinin【g[32]聂百胜．煤粒解吸扩散动力过程的实验研究[D]．太原：太原Science，1975，12(2)：129-145．理工大学，1998．[19]HeilanJ，RaabS．Experimentalinvestigationoftheinfluence[33]杨其銮，王佑安．瓦斯球向流动的数学模型[J]．中国矿业大学stresspermeabilityofalowerPermian(Rotliegend)sandstone学报，1988(4)：44—48．deformedinthebrittledeformationfield[J]．Physicsand[34]何学秋，聂百胜．孔隙气体在煤层中扩散的机理[J]．中国矿业ChemistryoftheEarth，PartA：SolidEarthandGeodesv．大学学报，2001，30(1)：1-4．2001，26(卜2)：33—38．[35]王恩元，何学秋．瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学[2O]SchulzeO，PoppT．，KernH，T．Damagegrowthand机理[J]．江苏煤炭，1996(3)：17—19．米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米来采米米米米米米米米米米米米米米来米米米米米米采米米米采(上接第119页)[101张成桂，张倩，王晶，等．阴离子对嗜酸氧化亚铁硫杆菌生长[】7]WangMo—hui，TanLong—hua，WangJun．metalionsin1999．和硫氧化活性的影响[J]．中国有色金属学报，2009，19(12)：TheCatalysisofMetalIonsonThiobacillusferrooxidans’2237-2242．LeachingMetallicSulfideMinerals[J]．ChineseJournalof[11]夏良树，肖志海，付仕福．u0l对T．f生长活性的影响[J]．AppliedChemistry，l997，14(5)：55—58．湿法冶金．2006，25(2)：78—81．[18]JiangJin—long，WangMoHui，WangKangLin．TheEffectof[12]李广悦，刘玉龙，丁德馨，等．T．f耐酸耐氟紫外线诱变的研究MetalIonsonThiobacillusferrooxidans’LeachingComplex[J]．铀矿冶．2009，28(2)：76—80．MetallicSulfideMinerals[J]．JournalofChengduUniversity[13]吴学玲．抗性浸矿T．f的选育及抗性机理研究[D]．长沙：中ofTechnology，2001(2)：60—62南大学，2007．[19]BallesterA，GonzealezF，BlazquezML，eta1．Astudvof[14]王清良，刘迎九，胡凯光，等．细菌耐酸耐氟驯化培养试验研mechanismofs|lver-catalysedbioleachingofchalcopyrite究[J]．矿业研究与开发，2005，15(2)：35—36[A]．SeparationProcessioninHydrometal—lurgy[c]．New[15]Silver，S．，andL．T．Pheng．Bacterialheavymetalresistance：York：SocietyofChemicalIndustry／E1一lisHorwoodnewsurprises[J]．Annu．Rev．Microbiol，1996，50：753—789．Limited，1987．[16]BallesterA，GonzealezF，BlazquezML．Theinfluenceof[2O]DasA，ModakJM，NatarajanKA．Studiesonmulti—metalvariousionsinthebioleachingofmetalsulphides[J]．iontoleranceofThiobacillusferrooxidations[J]．MineralsHydrometallurgy，1990，23：22卜235．Engeering，1997(10)：743—749．