瓦斯渗流的规律探析

煤层瓦斯渗流理论是专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论，但至今尚未形成一门独立而完善的学科体系。煤层瓦斯渗流力学自创立至今深受采矿界和力学界的关注，尤其是20世纪80年代以来发展更为迅速，在这段时间的主要特点是应用范围越来越广，理论上不断深化，研究手段日趋现代化。

1）线性瓦斯流动理论

线性瓦斯渗流理论认为，煤层内瓦斯运移基本符合线性渗透定律——达西定律（Dracy’s law）。渗流力学最先在水利工程、水的净化和地下水资源开发等领域应用。大约从20世纪20年代起，渗流力学开始成为石油和天然气开发工业的一项理论基础。20世纪40年代末，为了适应采矿（煤）业的大力发展，控制瓦斯技术成为当时研究的关键技术之一。20世纪60年代，周世宁等从渗流力学的角度出发，认为瓦斯的流动基本上符合达西定律，把多孔介质的煤层看成一种大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，在我国首次提出了瓦斯流动理论——线性瓦斯渗透理论。这一理论的提出对我国瓦斯流动理论的研究具有极为深刻的影响。

20世纪80年代，瓦斯流动理论的研究又趋于活跃，主要是修正和完善瓦斯流动的数学模型，焦点是瓦斯流动方程的修正。郭勇义就一维情况结合相似理论，研究了瓦斯流动方程完整解，采用朗格缪尔方程来描述瓦斯的等温吸附量，提出修正的瓦斯流动方程式。谭学术等研究了瓦斯的气体状态方程，认为应用瓦斯真实气体状态方程更符合实际，提出了修正的瓦斯的矿井煤层真实渗流方程。余楚新、鲜学福等认为煤层中参与渗流的瓦斯量只是可解吸附的部分量，在煤体瓦斯吸附于解吸过程完全可逆的条件下建立瓦斯渗流的控制方程。

近年来，众多学者从力学角度出发，应用达西渗流运动方程来描述突出过程中的瓦斯流动，指出煤的破碎启动与瓦斯渗流的耦合是煤与瓦斯突出的内在因素。以孙广忠教授为首的学科组也相继提出“煤-瓦斯介质力学”的观点，对煤-瓦斯介质的变形、强度、破碎、渗透性等力学特性进行了系统研究，讨论了突出发生后所形成的瓦斯粉煤两相流动过程，为阐明煤与瓦斯突出机理作出了贡献。

2）线性瓦斯扩散理论

线性瓦斯扩散理论认为，煤屑内瓦斯运移基本符合线性扩散定律——菲克（Fick）定律。杨其銮、王佑安认为在各种采掘工艺条件下采落煤的瓦斯涌出、突出发展过程中已破碎煤的瓦斯涌出、在预测瓦斯含量和突出危险性时所用煤屑的瓦斯涌出问题，皆可归结为煤屑中瓦斯扩散问题。把瓦斯从煤层中的涌出过程看作是气体在多孔介质中的扩散，其涌出符合菲克线性扩散定律，并以此对煤层瓦斯扩散规律进行了深入的理论探讨和实测分析研究。

3）瓦斯对流扩散理论

瓦斯对流扩散理论认为，煤层内瓦斯运动是包含渗流和扩散的混合流动过程。随着煤层瓦斯运移规律研究的深入发展，国内外许多学者都赞同瓦斯渗透——扩散理论。孙培德以瓦斯地质的新观点来认识煤层内瓦斯运移机理，煤层内瓦斯流动实质上是可压缩性流体在各向异性介质、非均质的孔隙-裂隙介质中渗透-扩散的混合稳定流动。(www.xing528.com)

4）非线性瓦斯流动理论

国内外许多学者对线性渗流定律是否完全适合于多孔介质中气体渗流问题已做了大量的考察和研究，许多学者经过研究归纳出达西定律偏离的原因为：流量过大、分子效应、离子效应、流体本身的非牛顿势，提出更能符合煤层瓦斯流场流动的基本定律——幂定律（Power Law）。以非线性煤层瓦斯流动基本定律（幂定律）为基础提出了非线性瓦斯流动的数学模型及其理论，经初步实测验证表明，非线性瓦斯流动模型更符合实际。

罗新荣经过试验研究，提出考虑克林肯贝克（Klinkenberg）效应的修正形式的达西定律——非线性瓦斯渗流定律，并建立了相应的瓦斯流动数学模型，指出达西定律的适用范围。陈永敏等在大量试验研究的基础上针对低速非达西渗流曲线的表观现象，采用试验数据特征分析的方法，论证了低速非达西渗流规律。

5）渗流-应力耦合理论

随着煤层瓦斯流动机理研究的深入，许多学者认识到，地应力场、地温场以及地电场等地物场对煤层瓦斯流动场具有显著的作用和影响，进而建立和发展气固耦合作用的瓦斯流动模型及其数值方法。应用流体-岩石相互作用机制认识煤层内瓦斯运移的过程，充分发展和考虑地应力场、地温场以及地电场等地球物理场作用下的煤层瓦斯运移耦合模型及数值方法，使理论模型更能反映客观事实，并进一步完善理论模型及测试技术和手段，成为当今推动煤层瓦斯渗流力学向前发展的主流方向。

6）多煤层系统瓦斯越流理论

根据地下渗流力学多煤层瓦斯越流的定义，煤层群开采中采场瓦斯涌出问题、保护层开采的有效保护范围的确定问题、井下邻近层（采空区）瓦斯抽放工程的合理布孔设计抽放率预估问题、地下多气层之间煤层气运移规律的预估和评估问题，都可以归结为多煤层系统瓦斯越流问题。但由于此问题的复杂性，均未从煤层瓦斯越流的角度去抽象出其普遍规律并创建多煤层系统瓦斯越流理论，因此，应用流体-岩石相互作用的观点创建和发展煤层瓦斯耦合模型及数值方法，丰富和完善煤层瓦斯渗流力学，这是当今本学科理论研究的前沿课题。它既有十分重要的理论意义，也有重要的现实意义。