地球物理场中煤岩瓦斯渗流研究现状及展望

书书书第２４卷第２期２００９年４月（页码：５５８～５６４）地　球　物　理　学　进　展ＰＲＯＧＲＥＳＳ　ＩＮ　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．２４，Ｎｏ．２Ａｐｒ．２００９彭守建，许江，陶云奇，等．地球物理场中煤岩瓦斯渗流研究现状及展望．地球物理学进展，２００９，２４（２）：５５８～５６４，ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４２９０３．２００９．０２．０２５．ＰｅｎｇＳＪ，ＸｕＪｉａｎｇ，ＴａｏＹＱ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏａｌｓｅａｍｇａｓｓｅｅｐａｇｅｉｎｔｈｅｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｆｉｅｌｄ．犘狉狅犵狉犲狊狊犻狀犌犲狅狆犺狔狊．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ），２００９，２４（２）：５５８～５６４，ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４２９０３．２００９．０２．０２５．地球物理场中煤岩瓦斯渗流研究现状及展望彭守建，　许　江，　陶云奇，　程明俊（重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆４０００４４）摘　要　煤层瓦斯渗流是煤与瓦斯突出研究中的一个重要方面，由于煤层处于复杂的地质环境中，煤层瓦斯渗流必然受到地球物理场的影响．本文基于国内外煤层瓦斯渗流研究现状，综合论述了地应力场、地温场、地电场对煤层瓦斯渗流的影响，以及多场耦合作用下的煤层瓦斯渗流，并从实验研究、理论分析、工程实践论证相结合的角度，展望了该研究领域中需要深入研究的方向和有关的发展趋势．关键词　地球物理场，煤层瓦斯，渗流ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４２９０３．２００９．０２．０２５　　　　　中图分类号　Ｐ６３１，ＴＤ７１３　　　　　文献标识码　Ａ犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犪狀犱狆狉狅狊狆犲犮狋狅犳狉犲狊犲犪狉犮犺狅狀犮狅犪犾狊犲犪犿犵犪狊狊犲犲狆犪犵犲犻狀狋犺犲犵犲狅狆犺狔狊犻犮犪犾犳犻犲犾犱ＰＥＮＧＳｈｏｕｊｉａｎ，　ＸＵＪｉａｎｇ，　ＴＡＯＹｕｎｑｉ，　ＣＨＥＮＧＭｉｎｇｊｕｎ（犓犲狔犾犪犫．犳狅狉犲狓狆犾狅犻狋犪狋犻狅狀狅犳犛狅狌狋犺狑犲狊狋犲狉狀犚犲狊狅狌狉犮犲狊牔犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犇犻狊犪狊狋犲狉犆狅狀狋狉狅犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀，犆犺狅狀犵狇犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犆犺狅狀犵狇犻狀犵４０００４４，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋　Ｇａｓｓｅｅｐａｇｅｉｎｃｏａｌｂｅｄｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔａｓｐｅｃｔｏｆｓｔｕｄｉｅｓｏｎｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔ．Ｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙｃｏａｌｓｅａｍｇａｓｓｅｅｐａｇｅｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｆｉｅｌｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｓｔｕｄｉｅｓｏｎｃｏａｌｓｅａｍｇａｓｓｅｅｐａｇｅａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｃｏａｌｓｅａｍｇａｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｉｎｓｉｔｕｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｇｅｏｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄａｓｗｅｌｌａｓｃｏｕｐｌｅｄｆｌｏｗｓ．Ｆｉｎａｌｌｙｉｔｈａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｔｈｉｓｆｉｅｌｄｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｔｈａｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｐｒａｃｔｉｃｅｐｒｏｏｆｓｈｏｕｌｄｂｅｕｎｉｆｉｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｆｉｅｌｄ，ｃｏａｌｓｅａｍｇａｓ，ｓｅｅｐａｇｅｆｌｏｗ收稿日期　２００８０６１８；　修回日期　２００８０９１８．基金项目　国家自然科学基金重点项目（５０５３４０８０）和重庆市科技攻关计划重大项目（ＣＳＣＴ，２００６ＡＡ７００２）联合资助．作者简介　彭守建，男，１９８３年生，重庆大学在读博士研究生，研究方向为环境地质灾害预测理论及控制．（Ｅｍａｉｌ：[e-mail]）０　引　言煤是一种孔裂隙结构的岩石，煤层中的孔隙和裂隙为瓦斯的赋存提供了空间，同时也为其运移提供了通道，煤层瓦斯渗流特性及运移规律除与煤体本身的结构构造、煤质等有关以外，还受到地球物理场（通常包括地应力场、地温场和地电场）等多种因素的影响．目前，国外学者在地球物理场对煤岩体渗透性影响方面进行了一些研究工作：如Ｗ．Ｊ．Ｓｏｍｍｅｒｔｏｎ等［１］研究应力对煤体渗透性的影响；Ｗ．Ｆ．Ｂｒａｃｅ［２］进行了应力作用下岩体渗透率变化规律研究；Ｃ．Ｒ．ＭｃＫｅｅ等［３］开展了应力与煤体孔隙度和渗透率间关系研究；Ｊ．Ｒ．Ｅ．Ｅｎｅｖｅｒ和Ａ．Ｈｅｎｎｉｎｇ［４］得到煤体有效应力与渗透率间影响规律；７０年代原苏联学者В．Г．ТАРАСОВ［５］开始研究地电场对煤层瓦斯吸附特性的影响，在煤瓦斯电吸附研究方面进行了开拓性的工作；艾鲁尼［６］、塔拉索夫［７］等研究认为静电场的作用提高了瓦斯吸附量；而在地温场影响方面，由于早前人们研究瓦斯流　２期彭守建，等：地球物理场中煤岩瓦斯渗流研究现状及展望动问题都是假设在等温条件下进行，因此这方面的研究较少．本文主要就地球物理场对煤岩瓦斯渗流规律影响的研究进展做一综述，并指出该研究领域中存在的问题和需要进一步研究的方向．１　地应力场对瓦斯渗流的影响研究表明，地应力场是煤岩体的重要赋存环境，煤岩体的渗透性明显受地应力的影响，煤岩体渗透特性的改变将导致渗透力的变化，而渗透力又将引起煤岩体应力场的改变．因此，煤岩体的渗流场和应力场是相互耦合的．众所周知，随着采掘工作面的推进，矿井煤层经历由原岩应力状态进入应力升高与应力降低状态的过程，在这个过程中，煤体的透气性随之发生变化，而在现场要了解这一过程是很困难的，目前主要通过实验室的模拟实验来分析这一变化过程．１９８７年，林柏泉和周世宁［８］通过模拟地应力环境对煤样瓦斯的渗透率进行实验研究后，得出：在加载过程中，煤体的渗透率与载荷间的关系可用指数方程表示：犓＝犪犲－犫σ，（１）式中：犪、犫值为回归常数且大于零．犪表示当围压力趋近于零时的渗透率，即最大渗透率．犫则反映随着围压力的加大渗透率下降的快慢，即渗透率受围压力的影响程度．在卸载时，煤体渗透率和载荷（模拟地应力）间的关系服从幂函数方程：犓＝犓０σ－犮，（２）式中：犓０，犆为回归常数且大于零．此后，国内很多学者［９～１２］在应力对煤岩渗透率的影响方面也作了相应的实验研究，均得到了与林柏泉等相近的结论．特别地，周创兵等［１０］同时指出地应力对岩体渗透性的影响不仅表现为渗透系数的改变，而且还体现在对渗透各向异性性质的影响，岩体不连续面网络的水力传导性能与地应力状态也有关．程瑞端等［１１］则分析了在低应力区，犓值下降梯度大，而在较高应力区，犓值下降梯度反而小了的原因．１９９１年，罗新荣［１３］在对煤层瓦斯运移进行物理模拟与理论分析时，认为克林伯格效应和应力对渗透率的影响，是流体和煤体多孔介质的固有属性及其相互作用的结果，一般可以将两者写成乘积的形式，即：犓＝犓∞１＋狉（）犘犉－（）犘－犮，（３）式中：犓∞为高密度气体的渗透率，ｍ２；狉，犮为实验回归常数；犘为瓦斯压力（孔隙压力），ＭＰａ；犉为围压力（模拟地应力），ＭＰａ．１９９９年，赵阳升等［１４］通过实验研究三维应力下吸附作用对煤岩体气体渗流规律的影响，得到考虑气体的吸附作用时渗透系数随孔隙气压和体积应力变化的关系：犓＝犓０犘ηｅｘｐ犫Θ－３α（）［］犘，（４）式中：犓和犓０分别为渗透系数与渗透系数初值；Θ为体积应力；犘为孔隙压；η为吸附作用系数；犫为体积应力对渗流的影响系数；α称为等效孔隙压系数．２００１年，李树刚等［１５］在对煤样全应力应变过程中的渗透系数—应变方程的探讨中指出，煤样渗透系数并非随应力增加一直呈负指数规律降低．无独有偶，２００６年，唐巨鹏等［１６］实验研究有效应力对煤层气解吸渗流的影响时，通过卸载过程模拟煤层气开采过程中的煤层气解吸和运移规律，结果也表明：随有效应力减少，渗透率和渗透系数表现出先减小后增大（如图１所示）．图１　卸载时渗透率与有效应力关系曲线图［１６］Ｆｉｇ．１　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｅｒｍｃａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｔｒｅｓｓｕｎｄｅｒｕｎｌｏａｄｉｎｇ［１６］分析图１来看，在卸载初期，有效应力起主导作用，此时随有效应力降低，渗透率和渗透系数逐渐减小；当有效应力降低到５．６ＭＰａ左右时，从煤样中解吸的煤层气增多，加大了基质收缩率，这时基质收缩对渗透率和渗透系数影响起主导作用，导致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，使得渗透率和渗透系数迅速提高，从而滑脱效应起主导作用．这一试验结果和Ｓ．Ｈａｒｐａｌａｎｉ等［１７，１８］的实验室研究结果是基本吻合的．值得一提的是，２０００年，孙培德［１９］通过实验研究了变形过程中煤样渗透率变化规律，他通过变化９５５地　球　物　理　学　进　展２４卷　的围压和孔隙压力的作用，进行含瓦斯煤三轴压缩的实验，系统地研究了含瓦斯煤在变形过程中渗透率的变化规律，并根据大量的实验数据，拟合得到了含瓦斯煤的渗透率随围压和孔隙压力变化的经验方程．综上所述，在地应力对渗流的影响研究上，国内学者基于达西定律主要通过实验室条件模拟现场应力状况，研究了地应力作用下煤岩体变形及渗透特性的变化规律，然而，煤岩瓦斯实际所处的地应力场是复杂多变的，特别是随着开采层向地心发展，地应力值将随之增长，因此如何更真实地模拟应力场环境值得进一步探讨．２　地温场对瓦斯渗流的影响在应用固流藕合理论研究煤体变形及煤层中的瓦斯流动时，很多学者都假设所研究的问题是处于等温条件下的．然而在实际生产中，煤层中的瓦斯无论是吸附、解吸过程或渗透、扩散过程都与温度有关．此外，在岩石力学的研究中，有关学者也研究了温度对岩石渗透率的影响．因此，地温场对煤岩瓦斯渗流是存在影响的．特别是随着开采层向深部发展，地热的影响将越来越明显．２．１　温度对渗透率的影响１９９８年，程瑞端等［１１］通过变温条件下的煤样渗流实验，探讨了温度对煤样渗透系数的影响．根据实验数据，推导出了渗透系数犓和温度犜的回归方程（式５），并在此基础上推导出了犓和犜、σ（有效应力）的综合方程式（式６）．视σ为常数，煤样渗透系数犓和温度犜的关系经回归分析，符合以下规律：犓＝犓狋１＋（）犜狀，（５）式中：犓狋、狀为回归常数；综合考虑有效应力σ、温度犜对煤样渗透系数的影响后，经推导得如下关系式：犓＝犓狕１＋（）犜犿犲－ασ，（６）式中：犿、α为常数；犽狕＝犽０犽′０，犽０为有效应力σ为零时犽σ（０）的值，犽′０为理论上煤体温度犜为零时犽犜（０）的值．应当指出的是，张广洋等［２０］得出的渗透系数犓和温度犜的关系与式（５）稍有不同，它用下式表示：犔狀犓＝犃＋犅犜．（７）式中：犓为渗透率；犜为温度；犃、犅为常数．还值得注意的是，梁冰等［２１］在理论分析的基础上，推导出了岩石在高温下渗透率和温度的数学表达式，并验证了温度门槛值的存在，指出经过门槛温度之后岩石的渗透率随温度升高而迅速增加．２．２　温度对煤层瓦斯吸附特性的影响煤是一种多孔介质，具有发达的孔隙系统，属于天然吸附剂，煤层中的瓦斯８０％为吸附瓦斯．瓦斯主要被吸附于煤岩的微孔隙内，被吸附气体分子会因温度、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．１９９９年，梁冰等［２２］通过实验研究了不同温度、不同瓦斯压力情况下瓦斯吸附解吸规律．实验结果（图２，３）表明，随着温度的升高，煤的瓦斯吸附量逐渐减少，吸附常数犪值逐渐降低．这是因为煤对瓦斯的吸附主要以物理吸附为主，其吸附的速率快，在规定时间内易达到平衡且为放热过程，所以出现平衡吸附量随温度上升而降低的现象．图２　不同温度