王亚旗WANG Ya-qi

（黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150028）

0 引言

能源是现代化的基础与动力，而煤炭不仅是我国的主体能源，还是我国最主要的一次性消耗能源之一。煤炭在我国经济发展进程中长期占据主要地位，并且这种地位和趋势短期内不会有较大改变。

在煤炭形成的过程中，常伴有大量烃类气体产生，即瓦斯或煤层气。虽然在漫长的地质演化及地壳运动中，大部分的瓦斯都释放、逸散进入大气中，但仍有相当多的瓦斯赋存在煤层中，因此研究煤体与瓦斯之间的关系是煤炭事业发展的重中之重。煤体是一种微孔隙和裂隙的双重介质，而含瓦斯煤层也可看作富含裂隙的固流多相介质，由于这些孔隙裂隙的存在，使得煤体与瓦斯之间的关系更为复杂，因此探究煤体孔隙特性就显得尤为重要。瓦斯渗透率通常是衡量瓦斯运移规律的重要指标，在煤体实际赋存环境下，受多种因素的影响。目前国内外对煤体孔隙特性及渗透特性的研究还存在不综合、不严密的问题，鉴于此，对煤体孔隙特性及渗透特性的研究现状进行整理，并提出适当的总结分析。

1 煤体孔隙特性研究现状

煤体孔隙特性是说明煤储层瓦斯富集程度的重要指标之一，同时对煤层气资源的开发利用至关重要。刘娜等[1]学者将全国数十个个主要瓦斯区块的压泵孔隙度及其它数据进行了统计，并结合相关趋势分析方法探讨了多种因素对煤层孔隙度及煤层气开发的影响。刘先贵等[2]通过大量实验，着重研究了有效应力与煤体孔隙率之间的关系，研究表明，载荷煤体所受的有效应力与煤体的孔隙率呈负相关，对受载煤体施加的有效应力越大，煤体孔隙率就越低。李祥春等[3]实验和理论相结合，在实验的基础上加以分析，得到了煤体吸附膨胀变形与媒体孔隙度之间的数学关系。李春光等[4]通过数学计算探究了不同多孔介质孔隙率条件下，体积模量的变化及二者之间的关系，并对孔隙度较大条件下的关系式进行了研究。

综上可知，众多学者已经开展了很多煤体孔隙特性相关方面的研究，研究也表明了很多因素对煤体孔隙度的影响。而瓦斯在煤体之中的渗透特性也和煤体的孔隙率有直接的关系，但目前对孔隙特性的研究尚集中于外部因素与孔隙率的关系之上，对孔隙率与瓦斯渗特性之间关系的研究较少。由此可见，未来的研究重心可能会在煤体孔隙率与瓦斯渗流特性的相关性上，这一方面可能会是煤体孔隙特性研究的发展趋势。

2 煤体渗透特性研究现状

煤层中赋存的瓦斯包含游离态和吸附态。而含瓦斯煤层是富含裂隙的固流多相介质，这些孔隙裂隙的存在，构成了瓦斯在煤层中的运移通道，使瓦斯具有渗流特性。煤层中瓦斯的渗流特性除了受到孔隙特性的影响外，还受到瓦斯压力、温度、地应力（有效应力）等多种外界因素的影响，目前的研究也大多数集中于此。

2.1 瓦斯压力对煤体渗透特性的影响

张朝鹏[5]以原煤为研究对象，进行了三轴压缩渗流实验，研究了瓦斯压力改变下，煤体瓦斯渗流特性的变化。研究表明瓦斯压力升高时，煤体瓦斯渗透率会随之降低。尹光志等[6]以突出型煤为研究对象，固定轴压和围压后进行实验，研究了瓦斯压力对煤岩渗透特性的影响，发现二者的幂指数关系。曹树刚等[7]使用实验室自行研制的三轴渗透仪，进行不同轴压及围压组合条件下的原煤渗流实验，发现该条件下瓦斯压力与瓦斯渗透率及瓦斯渗流速度之间的关系。李佳伟等[8]以型煤和原煤为研究对象，通过实验探究了二者在不同瓦斯压力下的力学和渗透特性变化，发现增加瓦斯压力会导致煤岩强度降低，最终导致渗透率降低。

学者们对瓦斯压力与煤体渗透率之间的关系已经进行了较清晰的研究。但针对瓦斯压力对煤体渗透特性影响方面的研究，主要集中于通过实验，得到瓦斯压力与煤体渗透特性之间的变化趋势，很少能够定量得到瓦斯压力与煤体渗透特性之间的数学模型。理论和实验相结合可能是接下来研究的重点内容。

2.2 温度对煤体渗透特性的影响

随着煤矿采深的逐年增加，深层煤岩体的温度也逐渐增大，温度已经成为影响煤体瓦斯渗透率的重要因素。杨涛等[9]通过研究发现，升温会使煤体内部瓦斯气体的饱和吸附量减小，从而影响瓦斯的渗流特性。Perera M 等[10]通过改变不同组合下的有效应力及温度，对各个阶段温度变化与煤体渗透率之间的的关系进行了讨论。Corapcioglu、Bear 等[11]建立了温度、应力等与渗透率之间的数学模型，对地热地区渗透率与温度和应力变化之间的影响规律进行了研究。许江等[12]通过自主研发的热流固耦合三轴渗流实验装置进行不同瓦斯压力及有效应力下的瓦斯渗流实验，探究了该条件下温度对瓦斯渗流的影响。于永江等[13]同样使用型煤为研究对象，通过ZYS-1 型三轴渗透仪对其进行渗流实验，研究了温度及压力对型煤渗透率的影响。

研究者们在进行实验的过程中，往往忽视了温度与煤体吸附解吸之间的关系，得到的结论可能会有局限性；目前对温度影响煤体渗透特性机理研究方面也稍显不足。这些都是以后的学者可能要注意的地方。

2.3 地应力（有效应力）对煤体渗透特性的影响

Wang S、Liu S、Liu J 等[14-16]通过构建含瓦斯煤渗透率模型，并进行受载煤体相关渗透率实验，得出有效应力对瓦斯渗透率的影响规律。Jiangtao Zheng 等[17]通过孔隙度探究了渗透率与有效应力之间的关系，发现孔隙度的变化使渗透率和有效应力连接在了一起。Pavel Knoecny 等[18]通过固定围压下的三轴压缩渗流实验，得出渗透率对于有效应力敏感性较高的结果。何伟钢等[19]通过研究指出了煤层渗透率与地应力之间存在的幂指数关系。唐巨鹏等[20]开展了瓦斯渗流吸附试验，通过对有效应力先加载后卸载的途径，得到了瓦斯渗流和吸附特性与地应力之间的关系。

在煤体渗透特性和应力之间的关系方面，学者们已经进行了许多研究。但该类研究存在一定的问题：对应力的定义和分类没有统一的标准、相关实验较为单一等。因此，对应力提出准确统一的定义，进行复杂耦合情况下的应力研究会是学者们接下来应当注意的。

3 结语

煤体孔隙特性和渗透特性是煤矿瓦斯灾害治理及煤层气开发研究的重点对象，但国内外相关的研究尚存在较为不成熟的问题。经过归纳和分析，本文认为以下几点可能是今后的发展趋势：

①探究煤体孔隙特性与渗透特性之间的关系。

②探究瓦斯压力与煤体渗透特性之间的数学关系，将理论与实验相结合。

③探究温度对煤体渗透特性机理的影响；在实验中考虑温度与煤体吸附解吸的关系。

④对应力提出准确统一的定义，并探究耦合情况下应力与渗透特性之间的影响关系。