煤體孔隙率和滲透特性研究現狀及發展趨勢

王亞旗WANG Ya-qi

（黑龍江科技大學礦業工程學院，哈爾濱150028）

0 引言

能源是現代化的基礎與動力，而煤炭不僅是我國的主體能源，還是我國最主要的一次性消耗能源之一。煤炭在我國經濟發展進程中長期占據主要地位，并且這種地位和趨勢短期內不會有較大改變。

在煤炭形成的過程中，常伴有大量烴類氣體產生，即瓦斯或煤層氣。雖然在漫長的地質演化及地殼運動中，大部分的瓦斯都釋放、逸散進入大氣中，但仍有相當多的瓦斯賦存在煤層中，因此研究煤體與瓦斯之間的關系是煤炭事業發展的重中之重。煤體是一種微孔隙和裂隙的雙重介質，而含瓦斯煤層也可看作富含裂隙的固流多相介質，由于這些孔隙裂隙的存在，使得煤體與瓦斯之間的關系更為復雜，因此探究煤體孔隙特性就顯得尤為重要。瓦斯滲透率通常是衡量瓦斯運移規律的重要指標，在煤體實際賦存環境下，受多種因素的影響。目前國內外對煤體孔隙特性及滲透特性的研究還存在不綜合、不嚴密的問題，鑒于此，對煤體孔隙特性及滲透特性的研究現狀進行整理，并提出適當的總結分析。

1 煤體孔隙特性研究現狀

煤體孔隙特性是說明煤儲層瓦斯富集程度的重要指標之一，同時對煤層氣資源的開發利用至關重要。劉娜等[1]學者將全國數十個個主要瓦斯區塊的壓泵孔隙度及其它數據進行了統計，并結合相關趨勢分析方法探討了多種因素對煤層孔隙度及煤層氣開發的影響。劉先貴等[2]通過大量實驗，著重研究了有效應力與煤體孔隙率之間的關系，研究表明，載荷煤體所受的有效應力與煤體的孔隙率呈負相關，對受載煤體施加的有效應力越大，煤體孔隙率就越低。李祥春等[3]實驗和理論相結合，在實驗的基礎上加以分析，得到了煤體吸附膨脹變形與媒體孔隙度之間的數學關系。李春光等[4]通過數學計算探究了不同多孔介質孔隙率條件下，體積模量的變化及二者之間的關系，并對孔隙度較大條件下的關系式進行了研究。

綜上可知，眾多學者已經開展了很多煤體孔隙特性相關方面的研究，研究也表明了很多因素對煤體孔隙度的影響。而瓦斯在煤體之中的滲透特性也和煤體的孔隙率有直接的關系，但目前對孔隙特性的研究尚集中于外部因素與孔隙率的關系之上，對孔隙率與瓦斯滲特性之間關系的研究較少。由此可見，未來的研究重心可能會在煤體孔隙率與瓦斯滲流特性的相關性上，這一方面可能會是煤體孔隙特性研究的發展趨勢。

2 煤體滲透特性研究現狀

煤層中賦存的瓦斯包含游離態和吸附態。而含瓦斯煤層是富含裂隙的固流多相介質，這些孔隙裂隙的存在，構成了瓦斯在煤層中的運移通道，使瓦斯具有滲流特性。煤層中瓦斯的滲流特性除了受到孔隙特性的影響外，還受到瓦斯壓力、溫度、地應力（有效應力）等多種外界因素的影響，目前的研究也大多數集中于此。

2.1 瓦斯壓力對煤體滲透特性的影響

張朝鵬[5]以原煤為研究對象，進行了三軸壓縮滲流實驗，研究了瓦斯壓力改變下，煤體瓦斯滲流特性的變化。研究表明瓦斯壓力升高時，煤體瓦斯滲透率會隨之降低。尹光志等[6]以突出型煤為研究對象，固定軸壓和圍壓后進行實驗，研究了瓦斯壓力對煤巖滲透特性的影響，發現二者的冪指數關系。曹樹剛等[7]使用實驗室自行研制的三軸滲透儀，進行不同軸壓及圍壓組合條件下的原煤滲流實驗，發現該條件下瓦斯壓力與瓦斯滲透率及瓦斯滲流速度之間的關系。李佳偉等[8]以型煤和原煤為研究對象，通過實驗探究了二者在不同瓦斯壓力下的力學和滲透特性變化，發現增加瓦斯壓力會導致煤巖強度降低，最終導致滲透率降低。

學者們對瓦斯壓力與煤體滲透率之間的關系已經進行了較清晰的研究。但針對瓦斯壓力對煤體滲透特性影響方面的研究，主要集中于通過實驗，得到瓦斯壓力與煤體滲透特性之間的變化趨勢，很少能夠定量得到瓦斯壓力與煤體滲透特性之間的數學模型。理論和實驗相結合可能是接下來研究的重點內容。

2.2 溫度對煤體滲透特性的影響

隨著煤礦采深的逐年增加，深層煤巖體的溫度也逐漸增大，溫度已經成為影響煤體瓦斯滲透率的重要因素。楊濤等[9]通過研究發現，升溫會使煤體內部瓦斯氣體的飽和吸附量減小，從而影響瓦斯的滲流特性。Perera M 等[10]通過改變不同組合下的有效應力及溫度，對各個階段溫度變化與煤體滲透率之間的的關系進行了討論。Corapcioglu、Bear 等[11]建立了溫度、應力等與滲透率之間的數學模型，對地熱地區滲透率與溫度和應力變化之間的影響規律進行了研究。許江等[12]通過自主研發的熱流固耦合三軸滲流實驗裝置進行不同瓦斯壓力及有效應力下的瓦斯滲流實驗，探究了該條件下溫度對瓦斯滲流的影響。于永江等[13]同樣使用型煤為研究對象，通過ZYS-1 型三軸滲透儀對其進行滲流實驗，研究了溫度及壓力對型煤滲透率的影響。

研究者們在進行實驗的過程中，往往忽視了溫度與煤體吸附解吸之間的關系，得到的結論可能會有局限性；目前對溫度影響煤體滲透特性機理研究方面也稍顯不足。這些都是以后的學者可能要注意的地方。

2.3 地應力（有效應力）對煤體滲透特性的影響

Wang S、Liu S、Liu J 等[14-16]通過構建含瓦斯煤滲透率模型，并進行受載煤體相關滲透率實驗，得出有效應力對瓦斯滲透率的影響規律。Jiangtao Zheng 等[17]通過孔隙度探究了滲透率與有效應力之間的關系，發現孔隙度的變化使滲透率和有效應力連接在了一起。Pavel Knoecny 等[18]通過固定圍壓下的三軸壓縮滲流實驗，得出滲透率對于有效應力敏感性較高的結果。何偉鋼等[19]通過研究指出了煤層滲透率與地應力之間存在的冪指數關系。唐巨鵬等[20]開展了瓦斯滲流吸附試驗，通過對有效應力先加載后卸載的途徑，得到了瓦斯滲流和吸附特性與地應力之間的關系。

在煤體滲透特性和應力之間的關系方面，學者們已經進行了許多研究。但該類研究存在一定的問題：對應力的定義和分類沒有統一的標準、相關實驗較為單一等。因此，對應力提出準確統一的定義，進行復雜耦合情況下的應力研究會是學者們接下來應當注意的。

3 結語

煤體孔隙特性和滲透特性是煤礦瓦斯災害治理及煤層氣開發研究的重點對象，但國內外相關的研究尚存在較為不成熟的問題。經過歸納和分析，本文認為以下幾點可能是今后的發展趨勢：

①探究煤體孔隙特性與滲透特性之間的關系。

②探究瓦斯壓力與煤體滲透特性之間的數學關系，將理論與實驗相結合。

③探究溫度對煤體滲透特性機理的影響；在實驗中考慮溫度與煤體吸附解吸的關系。

④對應力提出準確統一的定義，并探究耦合情況下應力與滲透特性之間的影響關系。