含瓦斯煤THM耦合模型及实验研究系统介绍了含瓦斯煤热流固耦合模型及实验研究成果。全书共6章：第1章总结和评述含瓦斯煤多场耦合相关领域的研究成果；第2章研究含瓦斯煤孔隙率及有效应力方程；第3章研究含瓦斯煤渗透率演化规律并建立了理论模型；第4章研究含瓦斯煤热流固耦合模型并确定了定解条件；第5章详细介绍煤与瓦斯突出模拟试验台的研制及应用；第6章利用COMSOL Multiphysics软件对含瓦斯煤THM耦合模型进行了数值分析。
含瓦斯煤THM耦合模型及实验研究可供从事煤矿瓦斯综合治理的采矿工程、安全技术及工程、防灾减灾工程与防护工程、岩土工程及相关领域的科研人员、工程技术人员参考使用，也可作为高等院校相关专业研究生和高年级本科生的教学参考书。
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许江、陶云奇、尹光志、彭守建、李波波编著的《含瓦斯煤THM耦合模型及实验研究》随着采矿活动向纵深发展，随之引发的高温、高地应力、高瓦斯压力、低渗透等问题，不仅限制了当前国家号召的煤层气作为新型能源的发展，也极易引发煤矿瓦斯灾害事故的发生。煤层瓦斯运移规律和煤与瓦斯突出防治不仅遇到了极大挑战，而且势在必行，但因该领域涉及的范围较广，本书研究内容只是在前人研究的基础上对该领域进行了补充和延伸。
第1章 绪 论
1.1 引 言
煤是一种孔隙裂隙双重介质，其开采过程中的煤体变形和瓦斯流动均是在流固耦合作用下的煤体变形和瓦斯流动，而煤与瓦斯突出也是由于流固耦合作用下的煤体失稳破坏而发生的灾害现象［1］ 。因此，若要使瓦斯在煤层中的运移规律更符合实际，则必须考虑瓦斯在煤层中的流固耦合问题。通常所说的流固耦合是指在流体和固体组成的系统中流体和固体相互影响、相互作用的现象，流、固两场同时存在。为简化研究过程，一般假设流体和固体在相互作用的过程中温度是恒定的（即不考虑温度场变化与固体变形、流体流动间的耦合作用），然而，因温度变化引起的热效应在煤岩体赋存的地球物理环境诸因素中是不应忽视的，自然界中实际存在的流固耦合系统的温度场通常也是不断变化的，所涉及的工程领域也相对较多，如核废料深埋处理、地热资源的开发、石油热采、煤层气开采等。越来越多的现象表明，随着井下煤层开采深度的增加，井下作业环境温度逐渐升高，这种热效应已成为影响井下煤层中瓦斯流动的重要因素。同时，根据实际观测和实验研究表明，煤层瓦斯被大量解吸时，煤壁温度有所下降。瓦斯在煤层中的运移无论是吸附/解吸或渗透、扩散过程都有热效应发生，现有的煤层瓦斯流固耦合理论将瓦斯在煤层中的流动视为等温过程，与实际偏差较大。因此，若要进行更切合实际的煤层瓦斯流动规律研究，就不能仅仅考虑随着采深增加而引起的煤层高地应力和低渗透性影响，必须放弃等温条件假设，连同随着采深增加而引发的高温热效应共同考虑在内，即将地球物理场中的温度场、渗流场、应力场三场同时耦合考虑，进行瓦斯在煤层中运移的热流固（coupledthermal?hydrological?mechanical，THM）三场耦合研究，该项研究是一条必须且有效的途径。
煤与瓦斯突出是井工煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象。它能在极短的时间内，由煤体向巷道或采场空间抛出大量的煤炭，并喷出大量的瓦斯，不仅会造成人员伤亡，还造成国家财产损失［2］ 。据史料记载，自1834年在法国鲁阿雷煤田阿克矿井发生第一次煤与瓦斯突出灾害以来，先后在苏联、中国、法国、波兰、日本、英国等19个国家和地区发生过煤与瓦斯突出事故。据不完全统计，迄今为止发生煤与瓦斯突出的总数已多达4万余次，其中最大一次煤与瓦斯突出灾害发生在1969年苏联的顿巴斯煤矿，其突出煤（岩）量达1.42×104 t，瓦斯涌出量达25×104 m3，造成众多人员伤亡，资产损失严重［2～6］ 。在我国，仅2004年10月至2005年2月，短短5个月内就发生死亡人数超100人的特大型瓦斯爆炸事故3起，3次事故死亡人数为528人。其中在2004年10月20日，河南省郑州煤业集团公司大平煤矿发生一起由特大型煤与瓦斯突出而引发的特别重大瓦斯爆炸事故，就造成了148人死亡，32人受伤，社会影响极为恶劣，与“以人为本，建立和谐社会”的国家方针极不协调。党和国家对此给予了高度重视，同时当前集约化煤炭生产技术的进步也对煤与瓦斯突出防治研究提出了更高要求。因此，在相当长一段时间内，煤与瓦斯突出防治将是煤矿安全的重点研究内容。因研究难度较大，以往的研究成果主要侧重于对煤与瓦斯突出机理的探索或防治措施方面，大多数为定性分析，定量研究较少，实验研究更少。现有的突出试验装置存在很大的局限性，迫切需要研制出一种更加先进的、大型的煤与瓦斯突出试验装备，以期在实验研究的基础上，结合瓦斯流动理论，对煤与瓦斯突出防治进行更深层次的探索。
本书拟在对煤的基本物理力学性质进行系统测试分析、瓦斯渗流特性及瓦斯吸附解吸特性进行系列实验研究的基础上，开展含瓦斯煤热流固耦合模型及煤与瓦斯突出模拟试验等研究。
1.2 研究现状及评述
本书以实验研究为主要手段，采用理论和实践相结合的研究方法，研究内容涉及含瓦斯煤孔隙率、渗透率演化规律与热流固耦合模型及煤与瓦斯突出相似模拟等诸多方面。由于煤的力学特性试验是岩石力学常规试验，本书不再赘述。结合本书研究内容，这里将主要介绍煤孔隙性、渗透性及瓦斯吸附/解吸特性、含瓦斯煤THM耦合问题及其求解方法、煤与瓦斯突出模拟试验等方面的研究进展。
1.2.1 煤的孔隙、渗透及吸附/解吸特性
1.煤的孔隙特性
煤是一种孔隙裂隙双重介质，其孔隙率是决定煤的吸附/解吸、渗透和强度性能的重要因素之一，煤岩性质对瓦斯的运移能力影响也主要体现在煤体的孔隙结构上。目前关于煤孔隙结构的研究方法主要有水孔隙率测定法、氦孔隙率测定法、气体吸附法、压汞法、扫描电镜、［7］ 投射电镜、X射线衍射、核磁共振、NMR旋转松弛测量法、气相色谱法等，其中的每一种测试方法均有其优越性和局限性。例如，气体吸附法是多孔材料孔隙结构研究的经典方法，77K下液氮吸附法和298K下CO2吸附法是描述煤中孔表面积和孔径分布最流行的方法，但气体吸附法无法同时揭示中孔和微孔的孔径分布信息，更无法测试闭孔的特征［8］ 。故而，目前运用较多的主要为压汞法和扫描电镜观察法。
压汞法由于其原理简单、操作方便、对实验技巧要求不高等特点而成为定量研究孔隙结构必不可少的工具，这种方法广泛应用于煤的孔隙研究中，而且对于孔隙的定性表征也较准确和易于分析。吴俊［9］ 用压汞仪对淮南煤田和南桐煤田的富烃煤及贫烃煤分别做了孔隙体积研究，在可测体积范围内两个煤田的煤样显示了同样的结果，即富烃煤的孔隙体积要高于贫烃煤的孔隙体积；同时还对几个煤矿的破碎煤和硬块煤做了孔隙研究，发现破坏程度大的煤，具有较大的孔隙体积，并含有较多孔径大于1000?的孔隙类型。Taske［10］ 在实验室使用微孔测定仪对煤样进行测量，测定仪记录了压力、孔径、平均直径、累积体积、体积增加量和微分体积，并进行了孔隙分布的讨论，得知煤中大孔和中孔的分布是非常易变而没有规律性的，且在孔径汞量增加值曲线上可以很明显地看出几乎所有的煤样在孔径为0.3μm处峰值均有一个突然的增加。说明此时汞量的突增是因为煤样的压缩性使得煤样产生压缩变形，此时相对应的汞压为20MPa。因此必须对压汞试验中会引起煤基质的压缩进行校正，粉碎的煤样测得的煤孔隙分布比没有粉碎过的煤样测得的孔隙分布要大10μm。而电镜扫描法不仅可以获取其孔隙形貌更直接、定性的感官认识，配合数据处理软件，还可以获得最大和最小孔径、不同孔径范围的孔分布特征等孔隙性参数的定量分析结果。袁静［11］ 通过观察岩心，鉴定普通和铸体薄片，利用扫描电镜等分析测试手段，研究了松辽盆地东南隆起区上侏罗统储层孔隙发育特征，认为该区深部构造层物性偏差，特别是火石岭组和沙河子组，但各断陷普遍发育2～4个次生孔隙发育带，是主要的油气储集空间。张素新等［12］ 利用扫描电镜通过观察和分析大量的煤样，发现煤储层中的微孔隙有植物细胞残留孔隙、基质孔隙和次生孔隙三种类型，其中基质孔隙又可分为不同组分之间的孔隙、颗粒之间的堆积孔隙和颗粒脱落后所留下的孔隙三种类型，且其孔隙直径大小不一，一般在1～10μm，同时还发现煤中普遍发育有微裂隙，微裂隙的长度长短不一，其裂隙缝的宽度一般也在1～10μm。
在孔隙率理论研究方面虽然取得了一定的成果，但考虑的因素相对单一，且与煤和瓦斯相关的报道较少。Doremus［13］ 认为，孔隙率对岩石力学特性有显著影响，一般孔隙率与岩石强度成正比。张先贵和刘建军［14］ 通过对低渗多孔介质的孔隙率随有效压力的变化做了大量的室内物理模拟试验后，测定了有效压力变化过程中岩心孔隙率的变化，得到随有效压力的增加，岩心孔隙率具有不同程度的下降，当有效压力降低后，岩心的孔隙率有所恢复，但不能恢复到原始数据，并进一步得出两者服从负指数函数关系。李春光等［15］ 利用两相等效体的概念，根据Walsh公式和球形孔隙的弹性公式导出了多孔介质的孔隙率和体积模量之间的近似公式和精确公式，并指出近似关系式不适用于较大的孔隙率，精确公式可较好地适用于较大孔隙率。而李祥春等［16］ 和卢平等［17］ 从孔隙率基本定义出发，经过一系列数学推导，分别得到了不同的含瓦斯煤孔隙率数学方程，虽然考虑的影响因素不够完善，但在一定工程条件下也已满足需求，其中李祥春等从孔隙率基本定义出发，在理论上还给出了渗透率和膨胀变形之间的关系式，但并未见其实测数据或实验数据的验证结果。
2.煤的渗透特性
煤层瓦斯渗透特性是专门研究煤层内瓦斯压力分布、瓦斯流动变化及影响因素的科学，包括渗透理论与渗透率试验研究两个方面。自该学科提出至今，经国内外学者的不懈努力，已发展起来的理论成果有：线性瓦斯流动理论、线性瓦斯扩散理论、瓦斯扩散渗透理论、非线性瓦斯流动理论、地球物理场效应的瓦斯流动理论、多煤层系统瓦斯越流理论和煤层瓦斯流固耦合理论［18］ 。针对本书后续的研究内容，这里主要从渗透率试验方面的研究进展给予介绍。
随着煤矿开采深度的加大，由深部地球物理场引发的井下煤层高地应力、高温、低渗透等问题越来越引起采矿界学者的关注。经过多年的努力，国内外学者对地应力作用下煤层瓦斯运移方面的研究报道已较多［19～27］ ，成果也相对成熟，且观点基本趋于一致，即煤层渗透性敏感地依赖于地应力，在高应力区渗透率低，低应力区渗透率高。例如，国外Somerton［19］ 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。澳大利亚学者Enever和Henning［23］ 在通过对煤层渗透率与有效应力的相关研究发现，煤层渗透率变化值与地应力的变化呈指数关系，而且煤层渗透率与有效应力关系式为
K/K0＝exp（-3cΔσ）（1.1）式中，K、K0分别为渗透率和渗透率初始值，m2；c为实验回归系数；σ为地应力，Pa。
随着对煤层瓦斯渗流力学的研究进展，我国学者在地球物理场对煤层瓦斯渗透率的作用和影响领域同样取得了一些新的研究成果，对Darcy定律的修正研究起到了很大的推动作用。为研究地应力与煤层瓦斯渗透特性之间的力学联系，林柏泉和周世宁［24］ 通过模拟地应力环境对煤样瓦斯的渗透率试验研究，得出煤层瓦斯渗透率与地应力之间的函数关系如下：
加载时服从指数方程
K＝ae-bσ （1.2）式中，a、b均为实验回归系数；σ为地应力，Pa。卸载时服从幂函数方程K ＝ K0 σ-c （1.3）式中，σ为地应力，Pa；c为实验回归系数。
赵阳升等［25］ 利用自制的煤岩渗透试验台和三轴渗透仪对阳泉矿务局3# 煤层进行了三维应力情况下的煤样渗透率测试试验，揭示了三维应力和煤体吸附作用对煤层瓦斯渗流规律的影响，指出煤体吸附作用表现为渗透系数随孔隙压力呈负幂函数规律变化，变形作用则表现为渗透系数随有效体积应力呈负指数规律变化。吸附与变形共同作用的结果使渗透系数随孔隙压变化表现为存在一临界值Pc，当P＜Pc时，渗透系数衰减；当P＞Pc时，渗透系数增加，并清晰地导出了渗透系数随孔隙压力和体积应力变化的关系式
K ＝ K0 Pn exp［b（Θ-3αP）］（1.4）式中，b为体积应力对渗透率的影响系数；Θ为体积应力，Pa；α为等效孔隙压系数；P为孔隙压力，Pa。
唐巨鹏等［27］ 利用自制的三轴瓦斯解吸渗透仪，通过研究卸载过程模拟煤层瓦斯抽采过程中的煤层瓦斯解吸和运移规律，得出煤层瓦斯渗透率和渗透系数随有效应力减小出现先减小后增大现象。说明在卸载初期，有效应力起主导作用，随有效应力降低，煤层瓦斯渗透率和渗透系数将逐渐减小；但当有效应力降低到一定值时，由于从煤体中解吸的煤层瓦斯增多加大了基质收缩率，此时基质收缩对煤层瓦斯渗透率和渗透系数影响起主导作用，导致煤层瓦斯渗透率和渗透系数开始升高，而随着有效应力的进一步降低，滑脱效应逐渐显现，使得煤层瓦斯渗透率和渗透系数迅速提高，从而滑脱效应起主导作用。
1993年以来，以鲜学福院士为首的科研团队在煤的渗透性影响因素方面做了大量的研究［28～36］。其中，许江等［28］ 利用自制的气固两相三轴仪对含瓦斯煤在三轴应力状态下的变形特性及其强度特征进行了系统的实验研究，结果表明，具有不同气体压力的瓦斯对煤的变形特性及其峰值强度都有不同程度的影响，而这种影响可通过有效应力参数予以描述。孙培德等［32，33］开展了煤层瓦斯渗透率与地应力和孔隙压力的关系研究，其成果表明：①当孔隙压力相对恒定时，煤层瓦斯渗透率随有效体积应力增加而呈负指数规律变小；②煤层瓦斯渗透率随孔隙压力变化呈对数坐标下的抛物线形变化规律，即作用在煤样骨架上的有效体积应力相对恒定时，随着孔隙压力的变化，煤层瓦斯渗透率依指数曲线和抛物线的复合函数规律而变化；③当孔隙压力与体积应力之比值较小时，煤层瓦斯渗透率随孔隙压力增大而变小，且会出现Klinkenberg效应；④当孔隙压力与体积应力之比大于某一定值时，煤层瓦斯渗透率随孔隙压力增大而增大，Klinkenberg效应逐渐消失。此两项研究已不再局限于外围地应力，而是更深层次地考虑了孔隙压力与有效体积应力对煤层瓦斯渗流特性的影响，为地应力场效应的煤层瓦斯渗流特性研究迈出了坚实的一步。程瑞端［34］ 在围压不变的情况下，利用三轴渗流试验装置分别在20℃、30℃、40℃、50℃测定了瓦斯渗流量，经所测数据分析得出煤层瓦斯渗透率K与煤体温度T呈幂函数关系
K＝K0（1+T）n （1.5）张广洋等［35］ 、杨胜来等［36］ 经实验研究发现随着温度的升高，煤样瓦斯的渗透率降低，渗透率的对数与温度呈线性关系
lnK＝A+BT（1.6）尽管以上两篇文献在渗透率与温度之间的函数关系表面上不同，但所得的规律现象却是相同的，因为若将式（1.6）取泰勒级数展开并忽略高阶项，则可得到关系式K＝K′0（1+nT），与式（1.5）的展开式K＝K′0（1+nT）相同。由此可见，式（1.5）和式（1.6）在低阶项都可用来描述煤层瓦斯渗透率与温度的关系，说明两项研究所得的结果吻合，而该现象的发生一方面是因为随着温度升高，煤体骨架发生膨胀变形，煤层瓦斯渗流通道缩小；另一方面煤层瓦斯的黏度降低，致使煤层瓦斯渗透率降低。
3.煤的吸附/解吸特性
煤是一种多孔介质，具有发达的孔隙系统，属于天然吸附剂，煤层中的瓦斯90%以上为吸附瓦斯。吸附于煤微孔隙内的瓦斯气体分子会因温度和瓦斯压力的变化导致热运动能力增加而克服引力，从煤的内表面脱离并进入游离相。煤的吸附能力也与煤体温度有关，普遍认为，温度升高煤的吸附能力下降。Killingey等测定表明，在压力5MPa时，温度每升高1℃，甲烷吸附量下降0.12cm3/g。煤炭科学研究总院重庆研究院的实验表明，温度每升高1℃，煤吸附甲烷的能力下降8%［37］ 。虽然在此方面取得了一致观点，但在探讨Langmuir方程吸附常数a、b随温度变化的关系时，却出现了严重的分歧。如苏联学者Xодот［38］ 的实验资料显示，a值基本上不随温度而变化，b值则随温度的增高而减小。国内学者陈昌国［39］ 、周胜国和郭淑敏［40］ 、崔永军等［41］ 、张庆玲等［42］ 采用静态容量法，基于Langumir方程对不同煤级的煤样进行了不同温度条件下的等温吸附试验，实验结果表明，随温度升高饱和吸附量a值的变化趋势不太明显，总体略有下降，说明温度对a值的影响不大；而b值则随温度升高而明显减小，说明温度升高解吸过程增强。这些成果均与苏联学者Xодот的结论一致。然而，赵志根等［43］ 对3个煤样在30℃、50℃、70℃条件下进行的等温吸附试验结果却表明，随着温度升高，a值降低，但最终都趋于一个稳定值；钟玲文等［44］ 的研究结论却是吸附常数与温度无明显的变化关系；刘建军［45］ 研究发现，a值随温度升高而降低，b值则随温度升高而呈波浪形变化（图1.1），拟合其数学表达式为+ c1 T + c2 T2 ba ＝＝ dc00 + c1 d1 T + d2 T2+ d3 T3 （1.7）
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