受载含瓦斯气固耦合渗流规律实验及模型研究-秦恒洁
含瓦斯煤流—固耦合渗流数学模型和数值分析
含瓦斯煤流—固耦合渗流数学模型和数值分析为了研究含瓦斯煤在流-固耦合作用下瓦斯渗流规律。
将基于多孔介质的有效应力原理引入含瓦斯煤岩的变形控制方程；考虑到煤岩骨架、气体的可压缩性，推导出了煤岩孔隙率、渗透率动态变化方程；根据质量守恒方程、达西渗流原理，并考虑瓦斯气体渗流中的滑脱效应，得到了改进的瓦斯渗流方程；以上方程就构成了含瓦斯煤岩流-固耦渗流控制方程。
采用多场耦合数值分析软件对瓦斯钻孔抽采过程进行数值模拟分析，得到了瓦斯压力、孔隙率以及渗透率的动态变化曲线，同时还分析了钻孔抽放压力、抽放时间、钻孔半径对突出煤岩内部瓦斯压力分布的影响，本文研究所得结论对深部开采条件下瓦斯灾害的防治具有积极作用。
标签：含瓦斯煤流-固耦合渗流数学模型数值分析1引言瓦斯渗流过程是一个复杂的过程，由于瓦斯压力的变化，一方面会引起煤岩骨架的变形，孔隙率、渗透率会发生变化；另一方煤岩自身的变形和孔隙率、渗透率的变化反过来会导致瓦斯压力的分布。
经过多年的发展，关于含瓦斯煤流-固耦合渗流的研究已经取得了大量成果。
本文基于已建立的含瓦斯煤岩流固耦合渗流控制方程，通过模拟含瓦斯煤岩瓦斯钻孔抽放过程，分析含瓦斯煤岩渗流场的变化规律。
2含瓦斯煤岩的变形控制方程2.1有效应力方程含瓦斯煤是一种多孔介质，其骨架的受力情况遵循太沙基（Terzaghi）有效应力原理。
式中：σij为总应力，MPa；σij，为有效应力，MPa；P为孔隙压力，MPa；为孔隙率。
2.2孔隙率和渗透率的动态变化方程孔隙率φ是指在多孔介质材料中，颗粒间的空隙体积VP与总体积V的比值。
孔隙率φ可以表示为：式中：VP0为初始空隙体积；ΔVP为空隙体积变化；V0为初始总体积；ΔV 为总体积变化；VS0为初始骨架体积；VS为骨架体积变化。
在恒温情况下，假设煤岩为完全弹性体，煤岩骨架体积应变ΔVS/VS0，全是由于瓦斯压力的改变ΔP引起的，因此有：式中：KS为煤岩骨架的体积模量，MPa。
加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究
加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究张保勇;赵国建;高霞;吴强【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2024(49)3【摘要】为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0.425~0.850(20~40目)、0.250~0.425(40~60目)、0.180~0.250 mm(60~80目);3种饱和度:40%、60%、80%)应变及渗透率,获取加卸载条件下应力–应变曲线确定煤体变形特征,分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律,通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征,基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。
研究表明:①饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂,总体而言,随着饱和度增加,渗透率降低百分比越大,堵塞程度越显著。
瓦斯水合物生成后,煤体渗透率明显降低,降低幅度为58.3%~83.3%(20~40目)、61.5%~95.0%(40~60目)、81.8%~90.9%(60~80目),随着饱和度增加,煤体渗透率整体呈降低趋势,下降幅度为55.6%~86.1%。
②煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段,煤体渗透率与应变具有一定相关性,并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势,二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。
③引入渗透率损失率,在相同水合物饱和度下,随着偏应力增加,煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。
④引入体积膨胀变形角,在相同偏应力差下,随着饱和度增加,煤体体积膨胀变形角由19.0°~63.9°降至0.2°~38.2°,说明水合物饱和度越低,煤体体积膨胀效应越显著。
煤体自然吸湿性的实验研究
［６］傅贵，陈学习，雷治平．煤体吸湿速度实验研究［Ｊ］．煤炭学报，１９９８，２３（６）：６３０—６３３．
Ｆｕ Ｇｕｉ，Ｃｈｅｎ Ｘｕｅｘｉ，Ｌｅｉ Ｚｈｉｐｉｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ Ｏｎ Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｒａｔｅ Ｏｆ Ｃｏａｌ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９８，２３（６）：６３０—６３３．
［１］姚金林，彭担任，裴晓东．综采＝亡作面注水防尘研究ＣＪ］．湖南科技大学学报，２００４，１９（４）：１０一１３．
Ｙａｏ Ｊｉｎｌｉｎ，Ｐｅｎｇ Ｄａｎｒｅｎ，ＰＥＩ ＸｉａｏｄｏｎｇＳｔｕｄｙ ｉｎｇ
ｏｎ
ｉｎｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ
ｄｕｓｔ—ｐｒｏｏｆｉｎｇ
ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｌｌ—ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｒａｉｎ－
Ｓｅａｍ［Ｊ］．Ｓａｆｅｔｙ
Ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅｓ，
１９９９（４）：３ｉ一３２． ［３］何正勇，程国军，戴广龙．煤巷综掘工作面煤层注水防尘技术［Ｊ］．煤矿安全，２００７，３８（１）：１２一１５．
Ｈｅ Ｚｈｅｎｇｙｏｎｇ，Ｃｈｅｎｇ Ｇｕｏｊｕｎ，Ｄａｉ Ｇｕａｎｇｌｏｎｇ．Ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｆ Ｓｅａｍ Ｉｎｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ Ｄｕｓｔ—ｐｒｏｏｆｉｎｇ Ａｔ Ｆｕｌｌｙ—ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ａｄｖａｎｃｉｎｇ
我国煤矿主要采用井下开采，生产条件复杂，自然灾害多，尤其是煤与瓦斯突出、冲击矿 压等煤岩动力灾害，因其突发性、灾害严重性给矿山工作人员生命和财产安全造成极大的威
胁。在１００个国有重点煤炭生产企业的６０９处矿井中，高瓦斯矿井占２６．８％，煤与瓦斯突出 矿井占１７．６％。另外采掘过程中产生的粉尘严重威胁井下工作人员的健康安全，长期接触 容易导致尘肺、矽肺职业病，且粉尘的爆炸危险也严重威胁煤矿的安全生产。 煤层注水是解决上述灾害的一种有力措施，国内外学者在煤层注水防治突出、冲击矿压 和煤尘方面开展了大量研究［１一】。但是目前对于煤体注水的研究主要集中在现场工程应用 方面，实验室进行煤体吸湿性测试的较少，而这类实验测试是进行煤层可注性的基础资料。
煤和瓦斯突出的气固耦合机理及分析
Ｋ ｙ ｏ ｄ ：ｏｌ ｇｓ ｂｒ ｇｓ ｉ ｃｕ ｌ ｇ ｔ ｍ ｔ ａ ｍ ｄｌ ｅ ｗ ｒ ｓｃ ａ ａｄ ｏｔｕｓ ａ ｓｌ ｏｐｉ ｍ ｈ ａ ｃｌ ｅ ｎ ａ ｕ ｔ ｏ ｄ ｎ ａｅ ｉ ｏ
ｃｎａｎｎ ｇ ｓ ａ ｂ ｄ ｉ ｅ ｍｅｔ ｍｅａ ｍｅｈ ｄ ｏ ｔｉｉｇ ｃ ｌ ｙ ｆ ｔ ｌ ｎ ｎ ａ ｏ ｏ ｉ ｅ ｎ ｅ ｕ ｒｌ ｔｏ
世 界上 第 一 次 有 记 载 的 突 出 是 １ ３ 年 法 国 鲁 阿 雷 煤 田 伊 萨 克 ８４ 矿 井 发 生 的 。世 界 上 最 大 的 一 次突 出 发生 在 １６ 年 ７ 月 １ 日 苏 一 ９９ ３ 联 加 加 林 矿 ，在 ７ ０ 水 平 主 石 门揭 穿厚 仅 １０ ｍ 的 煤 层 时 ，突 出 １ｍ ．３ 煤 量 １ ０ ０ ，瓦 斯 ２ 万 ｍ 。具 不 完 全统 计 ，世 界 上 发 生 的 突 出 已 ４ ｔ ０ ５ ３ 经 超 过 ４ 万 次 ， 突 出 的 气 体 主 要有 Ｃ ４ Ｃ ２等 ， 突 出 超 过 千 次 的 Ｈ ， ０
的 现 象 。它 是 ， 伴 有 声 响 和 猛 烈 力 能 效 应 的 动 力 现 象 ，它 能 摧 毁 井 种
巷 设 施 、 破 坏 矿 井 通 风 系 统 ，使 井 巷 充 满 瓦 斯 和 煤 岩 抛 出 物 ，造 成 人 员 室 息 ， 流 埋 人 甚 至 可 引 起 瓦斯 爆 炸 与 火 灾 事 故 ， 致 生 产 中 断 等 ， 煤 导 因此 它 是 煤 矿 生 产 中 最 严 重 的灾 害 之 一 。
斯 ， 斯 和 煤 尘 逆 风 流 ９ ０ 多 米 冲 出 平 炯 口 ， 成 １ ５ 人 窒 息死 亡 ， 瓦 ０ 造 ２ 伤 １ 人 的 特 大 事 故 ， ２ ０ 年 ９ 月 ５ 日湖 南 省 娄 底 市 双 峰 县 秋 湖 ６ ０２
含瓦斯煤气固耦合作用在顺层双钻孔瓦斯抽采中的应用
第４１卷 第２期２０２１年３月西安科技大学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４１ Ｎｏ ２Ｍａｒ．２０２１郭海军，唐寒露，王凯，等．含瓦斯煤气固耦合作用在顺层双钻孔瓦斯抽采中的应用［Ｊ］．西安科技大学学报，２０２１，４１（２）：２２１－２２９．ＧＵＯＨａｉｊｕｎ，ＴＡＮＧＨａｎｌｕ，ＷＡＮＧＫａｉ，ｅｔａｌ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇａｓ ｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｂｏｒｅｈｏｌｅｓａ ｌｏｎｇｃｏａｌｓｅａｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２１，４１（２）：２２１－２２９．收稿日期：２０２０－０９－０２ 责任编辑：杨泉林基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１９０４３１０，５１８７４３１４，５１７７４２９２）第一作者：郭海军，男，河南商丘人，讲师，硕士生导师，Ｅ ｍａｉｌ：ｎａｖｙｃｕｍｔｂ＠１２６．ｃｏｍ通信作者：王 凯，男，河南遂平人，教授，博士生导师，Ｅ ｍａｉｌ：ｋａｉｗａｎｇｃｕｍｔ１９７２＠１６３．ｃｏｍ含瓦斯煤气固耦合作用在顺层双钻孔瓦斯抽采中的应用郭海军１，２，唐寒露１，２，王 凯１，２，吴昱辰１，２，武建国３，关联合３，徐 超１，２（１．中国矿业大学（北京）共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京１０００８３；２．中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京１０００８３；３．开滦（集团）有限责任公司，河北唐山０６３０１８）摘 要：为研究顺层双钻孔抽采过程中煤层瓦斯压力和渗透率的变化规律，将煤体视为双重孔隙结构介质，结合气体滑脱效应等因素的影响，建立了基于双孔结构特征的含瓦斯煤气固耦合作用模型，并通过有限元方法进行了数值解算分析。
结果发现，瓦斯抽采时，两钻孔之间区域的瓦斯压力下降幅度明显大于其他区域，而在两钻孔区域的外侧至研究区域的边界处均出现了较为显著的瓦斯压力梯度；当钻孔间距为５ｍ和１０ｍ时，同等条件下相较于钻孔间距为２ｍ和１５ｍ的情况，煤层渗透率相对较大，而且瓦斯抽采有效区域分布更为均匀。
含瓦斯煤固气耦合动力学模型及其应用研究
Ｌ Ｉ Ｕ Ｊ ｕ ｎ ，Ｓ ＵＮ Ｄｏ ｎ ｇ — ｌ ｉ ｎ ｇ ，Ｓ ＵＮ Ｈａ ｌ — ｔ ａ ｏ ，ＬＩ Ｎ Ｆｕ － ｊ ｉ ｎ ’
（ １ ．Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｃｏ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ，Ｃｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ４ ０ ０ ０ ３ ７ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｇａ ｓ Ｄｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ，Ｐｒ ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｅ ｍｅ ｒ ｇ ｅ ｎ ｃ ｙ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ，
应力_损伤_渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用
第24卷第16期岩石力学与工程学报V ol.24 No.16 2005年8月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005应力–损伤–渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用杨天鸿1，徐涛1，刘建新1，唐世斌1，唐春安1，余启香2，石必明2(1. 东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110004；2. 中国矿业大学能源学院，江苏徐州 221008)摘要：根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论，引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程，建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。
应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律，认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。
模拟结果表明，采动影响使得处于其上部67 m的煤层卸压，透气系数增大了2 000多倍，卸压范围70 m左右，同现场实际观测结果比较吻合。
这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。
关键词：采矿工程；含瓦斯煤；透气性；数值模拟；应力–损伤–渗流耦合中图分类号：TU 712+.52；O242 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)16–2900–06 COUPLING MODEL OF STRESS-DAMAGE-FLOW AND ITS APPLICATION TO THE INVESTIGATION OF INSTANTANEOUS SEEPAGE MECHANISM FOR GAS DURING UNLOADING IN COAL SEAM WITH DEPTHYANG Tian-hong1，XU Tao1，LIU Jian-xin1，TANG Shi-bin1，TANG Chun-an1，YU Qi-xiang2 ，SHI Bi-ming2(1. School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang110004，China；2. School of Energy，Chinese University of Mining and Technology，Xuzhou221008，China)Abstract：On the basis of basic theories of gas flow and coal deformation，the coupled gas-rock model for investigating the failure process of coal-rock is established by introducing the related equations governing the evolution of stress，damage and gas permeability along with the deformation of coal and rock. Implemented with rock failure and process analysis code (RFPA)，this model can be used to capture the evolution of gas permeability in coal seam at great depth and the distribution of gas pressure around the drilling hole，and explore the instantaneous seepage mechanism of gas flow. From the simulated results，it can be found that the coal seam，located around 67 m above the excavated seam，is under unloading state and its gas permeability dramatically increases about 2 000 times as that excavated in underlying coal seam，and the size of the unloading region is around 70 m in diameter. The simulated results are in good accordance with the in-situ results. Therefore，it is safe to say that this numerical tool is of significance in both theory and practice to investigate the evolved mechanisms of gas permeability and gas drainage.Key words：mining engineering；gaseous coal；gas permeability；numerical simulation；coupling of stress- damage-flow收稿日期：2005–03–11；修回日期：2005–04–16基金项目：国家自然科学基金重大项目(50490270)；国家自然科学基金重点项目(50134040)；国家自然科学基金资助项目(50204003，50174013)；中国博士后基金项目(2003034333)作者简介：杨天鸿(1968–)，男，博士，1991年毕业于中国矿业大学地质系水文地质专业，现任教授，主要从事岩石水力学和边坡工程方面的教学与研究工作。
煤层气开采中的热—湿—流—固耦合机理研究
煤层气开采中的热—湿—流—固耦合机理研究煤层气是清洁能源的重要组成部分,是推动能源生产和消费革命的重要载体。
在我国,煤层气资源储量丰富,但储层环境复杂,导致煤层气开采效率低下。
煤层气开采是多物理场耦合作用的过程,随着开采工作的深入和特殊工艺的发掘,温度场、湿度场、渗流场和变形场等之间的交叉耦合作用越来越明显,成为严重制约我国煤层气产业发展的重要因素。
因此,开展煤层气开采中的多场耦合问题研究具有重要的科学背景与工程意义。
本文针对煤层气储层的结构特征和气体的储存与运移特点,综合运用试验测试、理论分析和数值模拟等科学方法,深入探讨了煤层气在运移和开采过程中的热-湿-流-固多场耦合机理。
取得了以下主要进展和结论:(1)原煤的渗透率随气压指数增大,随围压指数减小,但随温度的演化呈现不同趋势。
针对平顶山矿、长治矿和金佳矿的原煤试样,开展了围压、气压和温度耦合下的气体渗透行为试验研究。
结果显示,渗透率随气压的增大呈指数增大趋势。
低围压下,指数增长形式明显;高围压下,增长形式趋于线性。
渗透率随围压的增大呈指数减小趋势。
当围压较低时,煤样渗透率对围压变化非常敏感,渗透率随着围压的增大迅速减小,随后趋于稳定。
原煤的渗透率随温度的升高大多呈减小趋势,但也有出现先减小后增大的趋势。
(2)分别建立热开裂、热挥发、热吸附和热膨胀等物理过程的理论模型并进行实验验证,从本质上揭示了热-湿耦合下渗透率演化的微观机理。
基质热开裂促进基质中微孔的增生,增大基质渗透率,同时导致基质整体膨胀,降低裂隙渗透率。
建立裂隙水膜的挥发模型,阐明水分挥发直接作用于裂隙网络,从而增大裂隙渗透率的物理机制。
气体热解吸导致基质收缩,增大双渗透率。
煤的热膨胀抑制基质-裂隙双渗透率。
(3)提出一种新型双孔渗透率模型,理论上将渗透率随温度的演化形式分为三大类;定义热刺激指标KT,可有效评价温度对渗透率的刺激效果。
理论推导了包含热-湿-流-固耦合效应的基质-裂隙双孔渗透率模型,统一描述了大量渗透率试验结果,并对渗透率演化的类型进行归纳和评价。
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全日制硕士学位论文考虑吸附解吸的受载含瓦斯煤渗流规律与气固动态耦合模型研究Study on Gas Seepage Law of Coal Containing Gas and Gas-Solid Dynamic Coupling Model Considering Adsorption and Desorption申请人姓名：秦恒洁指导教师：魏建平教授王登科副教授学位类别：工学硕士专业名称：矿业工程研究方向：瓦斯灾害预测与防治河南理工大学安全科学与工程学院二○一四年六月河南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文：考虑吸附解吸的受载含瓦斯煤渗流规律与气固动态耦合模型研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。
本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。
学位论文作者签名:年月日河南理工大学学位论文使用授权声明本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。
保密的学位论文在解密后适用本授权。
学位论文作者签名：导师签名：年月日年月日图分类号：TD713 密级：公开UDC：622 单位代码：10460考虑吸附解吸的受载含瓦斯煤渗流规律与气固动态耦合模型研究Study on Gas Seepage Law of Coal Containing Gas and Gas-Solid Dynamic Coupling Model Considering Adsorption and Desorption申请人姓名秦恒洁申请学位工学硕士学科专业矿业工程研究方向瓦斯灾害预测与防治导师魏建平职称教授王登科职称副教授提交日期2014年6月答辩日期2014年6月2日河南理工大学致谢求学七载矿业高教发源地，谨记一生天高地厚导师恩！本文是在恩师魏建平教授悉心指导和关怀下完成的，没有导师的指导、鼓励及资金上的大力支持，论文不可能顺利完成。
三年的言传身教，从研究方向的选择、论文的选题、论文撰写、审校和定稿过程中都倾注着恩师大量的心血和精力！三年的学习生活里，恩师不仅让我在学业上得到了进步和提高，更用他超前的学术眼光、精益求精的治学态度、科学高效的工作方法、高尚质朴的人格魅力，为我今后的学习生活指明了方向。
在此谨向恩师致以我最崇高的敬意和最衷心的感谢！在此，也衷心的感学王登科老师在我三年的研究生生活以及在完成论文的过程给予我很多无私精心的帮助，得益于王老师的指导与帮助才有了我的进步，再次感谢王老师。
同时感谢姚邦华老师在论文数值模拟过程中给予我的指导与帮助。
感谢温志辉老师、王云刚老师、刘勇老师、李波老师、徐向宇老师、巩建中老师在实验系统搭建、论文撰写、现场调研和学习生活等方面给予的大力支持和帮助。
感谢学院435工作室同学们在学习和生活中给予的关心和照顾。
感谢河南理工大学在我七年的学习生活中提供的优雅的学习环境和浓郁的学习氛围，感谢学校研究生处、安全科学与工程学院的领导和老师在我七年学习生活中给予的悉心教导和培养。
感谢父母的养育之恩，感谢他们二十多年辛勤无悔地付出、无微不至地关怀和一如既往地支持，感谢我的女朋友李栋浩对我长期的支持和鼓励。
情深似海，恩重如山，无以为报，唯有在学业上孜孜以求，才能不辜负他们的殷切期望。
感谢各位专家、教授在百忙之中抽出宝贵的时间审阅本文，在此向您们表示最诚挚的谢意！摘要煤层瓦斯是威胁矿井安全生产的主要危险源之一，同时作为一种清洁、高效的能源又具有很高的抽采利用价值。
本文基于煤体孔隙-裂隙双重介质的结构模型，分析研究了瓦斯在煤体内部的储集方式、运移规律及产出理论，为受载煤体瓦斯流动数学模型的建立提供了理论基础。
本文假设处于吸附状态的瓦斯在煤体基质中的扩散和处于游离状态的瓦斯在煤体裂隙中的渗流共同组成了煤体瓦斯的流动场。
裂隙及大孔隙中游离瓦斯在煤层中的运移规律遵从达西定律，小孔隙中吸附态的瓦斯在煤体中运移规律遵从菲克扩散定律。
流动的发生导致原本的吸附解吸动态平衡被打破，孔隙系统与裂隙系统中的煤体瓦斯要发生质量交换。
基于以上基本原理，在合理假设的基础上建立了受载含瓦斯煤体瓦斯流动数学模型。
并考虑瓦斯流动过程中煤体有效应力变化及吸附膨胀效应等综合因素影响，建立了煤体孔隙度及渗透率的动态演化模型。
本文以含瓦斯原煤实验煤样为研究对象，利用自行研发的含瓦斯煤热-流-固-力耦合吸附-解吸-渗流实验系统，进行了受载含瓦斯煤体渗流解吸实验，并采用非吸附性气体氦气（He）标定的方法进行了受载煤体孔隙度测定实验。
通过上述实验测取了受载煤体在不同吸附平衡压力下的煤样初始渗透率及初始孔隙度，为受载煤体瓦斯流动模型的数值计算提供必要参数数据。
通过对受载煤体瓦斯流动模型的数值计算及实验结果分析对比，模拟计算结果与实验室实验结果在煤样初始孔隙度、初始渗透率及实验煤样出口流量等数据上具有较好的一致性。
数值模拟及实验结果表明：随着瓦斯在煤体中的流动，煤体内的孔隙压力、孔隙度及渗透率均是动态变化的，变化减缓并最终趋于稳定；数值计算结果显示：在低瓦斯吸附平衡压力条件下，随着煤样内部瓦斯的流出，瓦斯压力降低，煤样孔隙度及渗透率反而升高，并通过实验加以验证；在高瓦斯吸附平衡压力条件下，随着瓦斯流出，压力的降低，煤样孔隙度及渗透率会出现先降低后升高的非对称“U”型变化。
孔隙度以渗透率的动态变化是流场与固体场耦合的结果，因此在煤层瓦斯流动机理研究时，不能忽略流固耦合效应的影响。
关键词：受载含瓦斯煤；吸附解吸；渗流；固-流耦合；孔隙度；渗透率AbstractCoal seam gas is one of the main hazards which Threat to mine safety. Simultaneously, Coal seam gas extraction has important value as a clean efficient energy. This article analysis of the reservoir way, migration law and output mechanism of gas inside the coal base on the structure model of pore-fissure media.This p rovided a theoretical basis to the building of mathematical model of loaded coal gas flow.On the basis of previous studies this paper argues that, the adsorbed Gas diffusion in coal matrix and the free state gas Seepage in coal mass fracture common components of the gas flow field. Gas seepage in coal mass fracture comply with Darcy's law and gas migration rule in the small pores complies with the Fick's law. Sorption-desorption dynamic balance is broken by gas flowing, coal gas in the pore system and fracture system occur mass exchange.Based on the above principle,this paper established loaded coal gas flow mathematical model on the basis of reasonable assumptions. And taking into account the effective stress change and adsorption inflation effect , this paper established dynamic evolution model of permeability and porosity.In this paper, taking raw coal containing gas as the research object, using the self-developed thermal-fluid-solid-mechanics coupling adsorption-desorption experimental system for coal containing gas, seepage desorption experiment of loaded coal containing gas was carried out, using the non-adsorption gas helium (He) calibration method to measure the porosity of loaded coal. The experiment measured the initial permeability and initial porosity of loaded coal at different adsorption balance pressures, providing the necessary parameters data for the numerical calculation of gas flow model.Comparing numerical calculation of gas flow model with experimental results for loaded coal, simulation calculating results keep good consistency with experimental data in initial porosity, initial permeability and export flow. Results show that as gas flow in the coal, the pore pressure, porosity and permeability changes dynamically, and change slow down and tend to be stable. Under the condition of low gas adsorption equilibrium pressure, as internal gas flow out, gas pressure decreases, and porosity and permeability of coal samples increases, which are verified by the experiment. However, under high gas adsorption equilibrium pressure, porosity and permeability of coalsamples decrease firstly and increase afterward, showing asymmetric U-shaped variation law. The dynamic change of porosity and permeability is the result of the coupling of flow field and solid field. Therefore, when studying the gas mechanism of coal seam gas, the influence of fluid-solid coupling effect cannot be ignored.Key words：loaded gas-filled coal；adsorption and desorption；seepage；solid-gas coupling；porosity；permeability目录摘要........................................................................................................... I V 目录 (VII)1 绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.2.1 煤层瓦斯流动理论研究现状 (1)1.2.2 煤体渗流特性实验研究现状 (4)1.3存在的问题及不足 (7)1.4本文主要研究内容及技术路线 (7)1.4.1 研究内容 (7)1.4.2 技术路线 (8)2 煤层瓦斯吸附解吸及运移理论 (11)2.1煤储层的物理结构及煤层瓦斯的赋存状态 (11)2.1.1 煤储层的结构特性 (11)2.1.2 煤层瓦斯的赋存状态 (13)2.2煤层瓦斯吸附解吸理论 (13)2.2.1 瓦斯的吸附解吸理论 (14)2.2.2 相关吸附模型介绍 (15)2.3煤层瓦斯运移理论 (17)2.3.1 扩散理论 (17)2.3.2 渗流理论 (17)2.3.3 瓦斯运移规律 (18)3 考虑吸附作用下煤体瓦斯流动模型的建立 (19)3.1基本假设 (19)3.2考虑煤体吸附作用下瓦斯流动模型基本方程 (20)3.2.1 孔隙系统中扩散运动连续性方程 (20)3.2.2 裂隙系统中渗流运动连续性方程 (22)3.2.3 孔隙-裂隙系统的质量交换 (24)3.2.4 孔隙-裂隙双重介质瓦斯流动模型 (24)3.3孔隙度及渗透率动态模型的建立 (25)3.3.1 孔隙度及渗透率的动态描述 (25)3.3.2 孔隙度及渗透率动态演化模型的建立 (26)3.4本章小结 (31)4 受载含瓦斯煤渗流规律实验研究 (35)4.1实验设备介绍及实验煤样制备 (35)4.1.1 实验设备介绍 (35)4.1.2 实验煤样制备及参数测定 (38)4.2受载煤体孔隙度测定实验 (40)4.2.1 实验目的及思路 (40)4.2.2 实验设备 (40)4.2.3 实验内容 (41)4.2.4 具体实验步骤 (41)4.3受载含瓦斯煤渗流规律实验 (43)4.3.1 实验目的及实验内容 (43)4.3.2 实验步骤 (44)4.3.3 实验数据处理 (45)4.4本章小结 (46)5受载煤体瓦斯流动微分方程数值计算及实验结果分析 (47)5.1COMSOL-M ULTIPHYSICS 介绍 (47)5.2PDE模块建模及数值计算过程 (48)5.3数值计算结果分析 (50)5.3.1 模拟结果分析 (50)5.3.2 实验结果验证 (55)5.4本章小结 (62)6研究结论与建议 (63)6.1研究的主要结论 (63)6.2建议 (63)参考文献 (65)作者简历 (71)学位论文数据集......................................................... 错误！未定义书签。