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

2、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

3、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、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【2】。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

4、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【3】。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.

5、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成正比,而与沙柱长度成反比，其原始公式是（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1~10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A

6、rseneJumesEmileJuvenalDupuit,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。另外在1904年，法国数学家JosephBoussinesq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

7、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Dpuit—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

8、承压水问题的过程中发展起来的，这当中以CharlesVernonTheis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Ja