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深部煤与瓦斯开采中固一液一气耦合作用研究，是煤与瓦斯共采的基础工作，贯穿于煤与瓦斯共采的全过程。尹光志等编著的《深部煤与瓦斯开采中固-液-气耦合作用机理及实验研究精》从煤的物理组成及其基本物理化学性质分析人手，把煤层条件与瓦斯赋存环境条件和煤与瓦斯开采工程中力学条件结合起来研究。本书以沁水盆地二迭系下统山西组下部3#煤层和重庆松藻煤电有限责任公司打通一矿7“煤层、重庆天府矿业有限责任公司典型的煤与瓦斯突出矿井三汇一矿K1煤层和重庆永荣矿业有限公司低瓦斯矿井青峰镇油房沟煤矿的二连子煤层为研究对象，自主研制了具有自主知识产权的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”，系统地介绍了煤的物理组成及其基本物理化学性质、瓦斯吸附／解吸、多场条件下瓦斯在煤层中渗流、深部煤与瓦斯开采中的固一液一气耦合作用机理等问题，为深部煤与瓦斯安全高效共采提供可靠的理论依据。
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| 內容簡介： |
《深部煤与瓦斯开采中固-液-气耦合作用机理及实验研究》系统介绍了深部煤与瓦斯开采中固-液-气耦合作用机理及实验研究。《深部煤与瓦斯开采中固-液-气耦合作用机理及实验研究》共6章：第1章介绍了煤与瓦斯开采中固-液-气耦合相关领域的研究历史与现状；第2章研究了无烟煤的孔隙、裂隙结构及吸附特性；第3章研究了开采瓦斯中煤层渗透率演化机理；第4章研究了煤岩破裂过程裂纹演化及声发射；第5章研究了含瓦斯煤岩卸围压瓦斯渗流；第6章研究了含瓦斯煤岩全应力-应变过程渗流实验及机理。
《深部煤与瓦斯开采中固-液-气耦合作用机理及实验研究》可供采矿工程、安全技术及工程、岩土工程等相关领域的科研人员使用，也可以作为高等院校相关专业研究生和本科生的教学参考书。
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| 目錄：
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前言
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 煤与瓦斯开采研究现状
1.2.1 煤层裂隙、孔隙结构系统研究现状
1.2.2 瓦斯在煤岩体中吸附与解吸研究现状
1.2.3 煤岩体力学特性研究现状
1.2.4 瓦斯在煤岩体中渗流研究现状
1.2.5 煤与瓦斯突出防治及其机理研究现状
1.3 本书主要工作
参考文献
第2章 无烟煤的孔隙、裂隙结构及吸附实验
2.1 概述
2.1.1 寺河煤矿地质条件
2.1.2 赵庄煤矿地质条件
2.2 电镜扫描实验
2.2.1 扫描电子显微镜
2.2.2 样品准备
2.2.3 观察方案
2.2.4 观察结果及分析
2.3 比表面及孔隙度分析
2.3.1 比表面及孔隙度分析仪
2.3.2 结果及分析
2.4 不同含水率无烟煤等温吸附瓦斯实验
2.4.1 无烟煤的真密度、干块体密度及孔隙率测定
2.4.2 无烟煤的工业分析
2.4.3 不同含水率无烟煤等温吸附瓦斯实验
2.5 本章小结
参考文献
第3章 开采瓦斯中煤层渗透率演化机理研究
3.1 概述
3.2 煤层的有效应力
3.3 含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置的研制
3.3.1 煤岩气体渗流实验装置研制进展
3.3.2 含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置研制思路
3.3.3 含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置介绍
3.4 有效应力和含水率对煤层渗透率的影响研究
3.4.1 实验概况
3.4.2 实验结果
3.4.3 煤样含水率对甲烷有效渗透率的影响
3.4.4 煤样所受有效应力对甲烷有效渗透率的影响
3.4.5 煤样含水率和有效应力对甲烷有效渗透率的综合影响
3.4.6 讨论
3.5 考虑煤基质收缩效应和滑脱效应的气、水相相对渗透率模型
3.6 本章小结
参考文献
第4章 煤岩破裂过程裂纹演化及声发射实验
4.1 概述
4.2 坚固性系数
4.2.1 仪器、设备和用具
4.2.2 采样和制样
4.2.3 测定步骤
4.2.4 煤的坚固性系数
4.3 煤岩破坏过程声发射实验
4.3.1 实验装置
4.3.2 煤样制备
4.3.3 实验操作方法及步骤
4.3.4 煤岩破裂过程裂纹演化
4.3.5 煤岩破裂过程声发射
4.4 本章小结
参考文献
第5章 含瓦斯煤岩卸围压瓦斯渗流实验
5.1 概述
5.2 实验方案及实验条件
5.2.1 试样概况
5.2.2 实验方案
5.3 实验结果及分析
5.3.1 常规三轴含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流实验
5.3.2 三轴卸围压含瓦斯煤岩力学和瓦斯渗流实验
5.4 本章小结
参考文献
第6章 含瓦斯煤岩全应力-应变过程渗流实验及机理研究
6.1 概述
6.2 不同瓦斯压力煤岩全应力-应变瓦斯渗流实验
6.2.1 实验概况
6.2.2 实验结果及分析
6.3 不同围压煤岩全应力-应变瓦斯渗流实验
6.3.1 实验概况
6.3.2 实验结果及分析
6.4 不同含水率煤岩全应力-应变瓦斯渗流实验
6.4.1 实验概况
6.4.2 实验结果及分析
6.5 不同面割理煤岩全应力-应变瓦斯渗流实验
6.5.1 试样概况
6.5.2 实验结果及分析
6.6 不同温度煤岩全应力-应变瓦斯渗流实验
6.6.1 实验概况
6.6.2 实验结果及分析
6.7 突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流实验
6.7.1 三汇一矿概况
6.7.2 实验概况
6.7.3 实验结果及分析
6.8 循环荷载下煤岩全应力-应变瓦斯渗流实验
6.8.1 实验概况
6.8.2 实验结果及分析
6.9 型煤和原煤全应力-应变瓦斯渗流实验
6.10 本章小结
参考文献
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1引言
随着我国经济持续高速发展，对能源的需求量越来越大。《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》中明确指出，我国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”。显然，煤炭将在相当长的时期内作为我国的主要能源。
煤炭地下开采中有诸多动力灾害，相对于其他的一些动力灾害，煤与瓦斯突出的危害更大，发生几率更高，有效治理更困难［1］。1843年3月22日，法国鲁阿尔煤田的伊萨克煤矿发生了世界上有记录的第一次煤与瓦斯突出［2］。我国地下煤矿开采中煤与瓦斯突出灾害很严重，已经成为制约我国地下煤矿开采产业发展的主要问题之一［3］。近年来，随着开采深度的增加、瓦斯压力的增大和开采条件的日趋复杂，煤与瓦斯突出灾害日趋严重。国内外科研人员积极开展煤与瓦斯突出的机理和防治措施的研究工作。目前，煤与瓦斯突出理论仍处于假说阶段，主要包括三种类型的假说：瓦斯作用说、地应力作用说和综合作用说［4］。三类假说中综合作用说获得最多学者的支持。根据综合作用假说的理论，煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯、煤的物理力学性质综合作用的结果。由此可见，防治煤与瓦斯突出的关键是研究煤体失稳和煤体内瓦斯运移情况两个方面的内容。
有学者认为瓦斯能是煤与瓦斯突出发生的主要能量［5，6］。煤体内瓦斯又称为煤层气［7］，主要成分为甲烷。煤层气既是比较清洁的能源和资源，又是煤矿开采中的致灾因素和强温室气体［8］。因此，在地面开发和利用煤层气既可以缓解我国能源不足的局面，又可以减少甚至消除在地下煤炭开采中的瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等灾害，同时避免大量瓦斯排入大气造成温室效应。过去为了煤矿安全总是把煤层瓦斯抽放掉，虽然有一些利用，但其开采活动总是与采煤作业结合进行，作为一种副产品利用，只能抽多少利用多少。近30年来，煤层气已成为美国天然气的重要来源之一，2002年美国煤层气产量达到453亿m3，与我国常规天然气产量相当［9］。美国煤层气开发成功，带动了世界其他国家和地区的煤层气开发实践。1996年初，国务院批准成立“中联煤层气有限责任公司”开发煤层气，使之成为继煤炭、石油和天然气之后的我国战略性“接替能源”［8］。
研究煤与瓦斯共采理论与技术，一方面可为煤炭开采提供安全保障，另一方面，将瓦斯作为与天然气同等重要的资源，还可有效地提高瓦斯的开发利用水平，对优化我国能源结构、有效保障能源安全、缓解能源紧张和改善矿区环境均具有重要意义。
1.2煤与瓦斯开采研究现状
1.2.1煤层裂隙、孔隙结构系统研究现状
煤层中的裂隙在国外煤层气工业中常被称为割理［10］。受研究目的、方法、地区等因素的影响，不同的研究者对煤层割理的成因和内涵的认识不完全一致，对其定义主要有以下四种：
（1）割理基本上是煤层中的收缩裂隙，走向受形成期古构造应力场控制［11］。
（2）割理相当于其他沉积岩中的节理［12］。
（3）割理是煤化作用过程中形成的煤层中最发育的裂隙［13］。
（4）割理是煤层中基本没有发生位移的张性裂隙［14］。
对于割理的成因，许多学者主要依据自己的观察结果来分析，目前主要有以下四种说法：
（1）强调内应力作用，认为割理是煤化作用过程中，由于垂向压实作用和脱水作用引起煤基质收缩而形成［15］。
（2）强调外应力作用，认为割理的形成与古构造应力有关［16］。
（3）割理是由煤化作用和古构造应力综合作用的结果［12，17］。
（4）割理是由内应力作用、流体压力和古构造应力综合作用的结果［18］。
另外，Solano-Acosta等［19］研究了13C12C和18O16O对美国印第安纳州宾夕法尼亚煤割理成因的影响。
煤孔隙研究的焦点集中在煤孔径尺寸的划分上，不同研究者基于孔径与气体分子间的作用特征、或孔隙在煤中的赋存状态或仪器的工作范围对煤的孔径尺寸划分作过富有成效的研究工作［10］。目前，具有代表性的煤孔径结构划分系统如表1.1所示。其中，在国内煤炭工业界应用最为广泛的是XoдoT的十进制分析系统［20］、Dubinnin系统［21］和Gan系统［22］。
Gürdal和Yall毕in［26］对Zonguldak盆地的石炭纪煤的孔容和比表面积随煤级与显微结构的变化进行了研究。Yao等［27］通过研究中国北方煤吸附甲烷能力，对其吸附孔进行了分形表征。Zhang等［28］对中国河东煤田柳林区煤储层孔隙特征进行了研究。
焦作矿业学院瓦斯地质课题组［29］、吴俊［30］、林世光［31］、张慧和王晓刚［32］、张红日和王传云［33］用扫描电镜研究了煤体微观结构特征。黄瀛华等［34］用ST-03比表面及孔径分布测定仪对煤的孔隙结构进行了研究。朱春笙［35］研究了煤的孔隙度与煤质的关系。郝琦［36］、霍永忠等［37］对煤中显微孔、裂隙进行了成因分类。王生维等［38～40］研究了煤基岩块孔、裂隙特征及形成机理。陈瑞君和王东安［41］用意大利CarloErba公司的2000型压汞仪对南桐矿区煤的微孔隙进行了研究。康天合等［42，43］、徐龙君等［44］、赵爱红等［45］、傅雪海等［46］对煤的孔、裂隙进行了分形研究。姜波等［47］、李小明等［48］用X射线衍射的方法研究了煤体的结构。张春雷等［49］研究了煤岩结构与煤体裂隙分布特征。张慧［50］对煤中孔隙的成因类型进行了分类研究。毕建军等［51］研究了煤层割理与煤级的关系。苏现波等［52］根据形态和成因，提出了一套系统的煤中裂隙的分类方案。张尚虎等［53］研究了沁水盆地煤储层孔隙差异发育主控因素。姚艳斌等［54］借助于光学显微镜显微裂隙分析、压汞孔隙分析及低温氮吸附实验等手段，研究了两淮煤田煤储层孔、裂隙系统特征。任庚坡等［55］利用美国Micromeritics公司生产的ASAP2020型比表面积与孔径分析仪，研究了大同煤的表面微观结构。曹树刚等［56］研究了深孔控制预裂爆破对煤体微观结构的影响。刘高峰等［57］研究了气肥煤与焦煤的孔隙分布规律。姚艳斌等［58］研究了沁水盆地煤储层微裂隙发育的煤岩学控制机理。宫伟力等［59］基于图像描述，研究了煤岩裂隙CT图像多尺度特征。刘长江等［60］模拟了CO2埋藏对不同煤级煤孔隙结构变化的影响。
Close［17］认为煤层是由孔隙、裂隙组成的双重结构系统。Gamson等［61，62］在研究澳大利亚鲍恩盆地时，认为在孔隙、裂隙之间还存在着一种过渡类型的孔隙、裂隙。傅雪海等［10］认为，煤储层是由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元孔隙、裂隙介质，孔隙是煤层气（瓦斯）的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气（瓦斯）运移的通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与裂隙的桥梁。但在国内一些经典的有关瓦斯在煤层中赋存的著作中［63～65］，通常把煤中的孔隙和裂隙全部看作孔隙进行研究。
目前关于煤孔隙结构的研究方法主要有气体吸附法（N2和CO2）［55］、压汞法［42，43］、NMR旋转-松弛测量法［66，67］、电子显微镜法（SEM和TEM）［29～33］、SAXS和SANS［68］、CT扫描［69～71］等。气体吸附法是多孔材料孔隙结构研究的经典方法，77K下液氮吸附法和298K下CO2吸附法是描述煤中孔表面积和孔径分布最流行的方法，77K下液氮吸附法只对中孔结构研究有效，不适于测量煤的微孔特性；298K下CO2吸附法可用于测量微孔体积及总表面积，不适于大孔结构研究；压汞法在确定大孔体积分布时非常有用，但由于高压会破坏样品本身结构，不适于中孔和微孔测量，NMR旋转-松弛测量法的难点在于煤的疏水性及水的最佳饱和压力的确定；电子显微镜法可以直接观察煤的孔隙结构，但仅能提供有限的孔连通信息；SAXS虽然可同时揭示开孔和闭孔的信息，但其所测得的微孔孔径分布信息往往不可重复，即该技术可靠性较差。每一测量技术都有其局限性，不能完整测出煤的物理特征，对煤的孔结构特征描述也有限。因此，需要综合几种技术的测量结果来获得煤孔隙特性的全面信息。
1.2.2瓦斯在煤岩体中吸附与解吸研究现状
吸附机理研究中，Langmuir理论忽略了气体分子之间的相互作用势［72］，对煤大分子缺陷内的多层吸附和毛细凝聚无法做出合理解释；BET多分子层吸附理论［73，74］，其微孔充填理论则可弥补Langmuir理论的不足；此外，还有BJH理论［75，76］。但是Langmuir方程使用方便，两个吸附常数a和b的物理意义明确，在国内外应用较广泛。
许多研究者对煤的吸附与解吸特征开展了以下工作：
（1）含水煤样、干燥煤样和平衡水煤样的等温吸附实验［77～84］。研究表明水分对煤的吸附性能有较大的影响，煤的吸附量随水分含量的增加而减小。干燥煤样与平衡水煤样的实测兰氏体积之间显著相关，二者之间关系可用经验公式定量表达，进而可将干燥煤样兰氏体积换算为等效平衡水煤样兰氏体积。
（2）不同煤级煤的吸附性能评价［57，85～88］。该领域研究争议较大，钟玲文等［85］认为随煤级的增高煤的吸附能力先后经历了三个区间：Ⅰ区（Ro＝0.50%～1.20%），该区间表现出随煤化程度增高吸附量减小；Ⅱ区（Ro＝1.20%～4.000%），表现出随煤化程度增高吸附量增大，直至峰值；Ⅲ区（Ro＞4.00%），表现出随煤化程度增高吸附量急剧下降，当Ro＞7.10%吸附量很小或基本不吸附。崔永君等［86］认为随煤级的升高Langmuir体积逐渐增大。苏现波等［87］认为随煤级的增高煤的吸附能力先后经历了4个阶段：快速增加阶段（Ro＜1.3%）、缓慢增加阶段（Ro介于1.3%～2.5%）、达到极大值阶段（Ro介于2.5%～4.0%）和降低阶段（Ro＞4.0%）。
（3）煤的比表面积和孔体积对其吸附能力的影响［89］。研究表明煤对CH4的吸附能力与总孔体积、孔隙总比表面积和微孔比表面积均呈正相关关系。煤对CH4的储集能力与煤的孔隙密切相关，孔体积和比表面积越大，煤储集气的能力越强。
（4）煤的吸附与解吸同煤层气开发关系的探讨［90～100］。总体上看来，我国煤储层含气饱和度、临界解吸压力和采收率均相对偏低，可能会在一定程度上对煤层气地面开发造成不利影响。
（5）不同粒径煤样吸附特性的研究［101，102］。随着粒径的变小，煤的吸附量增大。随着粒径的增加，无论是干燥煤样还是含平衡水煤样，吸附时间周期变长。不同粒径的干燥煤样，随着压力的增加，粒径小的干燥样都出现了吸附量减小的现象，并且粒径越小，下降越明显。粒径较小的平衡水煤样也出现类似现象，但在粒径较大的平衡水样吸附中尚未出现类似现象。
（6）电场对煤吸附与解吸甲烷能力的影响［103～105］。交变电场作用下，煤样吸附甲烷的量仍很好地遵从Langmuir方程；交变电场的作用减弱了煤的吸附能力和解吸能力，并且减缓了含甲烷煤的解吸过程，但对煤的饱和吸附量和最大解吸量影响不大。随交变电场电压增大，吸附常数a变化不大，而吸附常数b却逐渐减小。静电场对煤瓦斯吸附特性的影响关键在于静电场的焦耳热效应使煤瓦斯系统温度升高和静电场增加煤表面吸附势阱的深度两种因素竞争的结果，当静电场增加煤表面吸附势阱深度占主导地位时，静电场使煤对瓦斯的吸附量增加，当静电场的焦耳热效应逐渐占主导地位时，静电场使煤对瓦斯的吸附量减少。
（7）交变电磁场对煤吸附与解吸甲烷能力的影响［106～110］。研究表明，交变电磁场不改变煤表面的化学性质和物质成分，但能改变煤表面势能。外加交变电磁场对煤吸附瓦斯性能的影响程度与煤对瓦斯气体吸附性的强弱成正比。此外，突出危险煤在外加电磁场作用下其瓦斯放散速度和解吸速度高于非突出煤；放散过程中，施加电磁场的瓦斯放散量大于未施加电磁场条件下的放散量。含瓦斯煤岩破坏过程中有电磁辐射产生，其辐射强度与破坏的速度和程度成正比。在交变电磁场中的煤与瓦斯体系一方面由于电介质的损耗提高了体系的温度，另一方面又降低了煤表面的吸附势阱深度。两个方面综合作用的结果是煤的吸附瓦斯量减少。
（8）温度对煤吸附与解吸甲烷能力的影响［81，111～114］。随着温度的升高，煤体吸附甲烷量减小，煤体解吸甲烷量增多。
（9）声场对煤吸附与解吸甲烷能力的影响［115～117］。超声波的机械振动作用使甲烷气在煤体上的附着力减弱，同时超声波使煤体吸收的声能转化为热能，煤体质点温度升高，使甲烷气与煤表面分子间的吸附作用减弱，使煤体内部扩散阻力减小，传质速度加快，从而促进煤体中甲烷气的解吸和扩散。
（10）低频振动对煤吸附与解吸甲烷能力的影响［118］。不同频率的低频振动对煤样的吸附特性影响是不一样的，10Hz促进瓦斯气体吸附，20Hz、30Hz阻碍气体吸附；低频振动会阻碍瓦斯气体解吸。
（11）煤吸附瓦斯过程温度变化的实验研究［119，120］。煤体吸附瓦斯的过程是放热过程，吸附的瓦斯压力越大，即瓦斯吸附量越大，吸附过程放出的热量越大。
此外，陈昌国等［121，122］还进行了化学吸附甲烷的可能性研究，提出煤为固溶体。崔永君等［123］研究了煤对超临界甲烷的吸附特征。
综上所述，前人对瓦斯在煤岩体中吸附与解吸已经开展了许多有益的研究，但对于不同含水率无烟煤吸附瓦斯的研究成果甚少。
1.2.3煤岩体力学特性研究现状
XoдoT［20］、White［124］、刘宝琛等［125］对不含气、水介质的自然煤样进行了单轴或三轴压力实验，结果表明：煤的变形呈非线性-应力应变关系，煤是一种应力-应变不完全可逆的微裂隙介质，不可恢复的残余变形是裂隙受压闭合的结果。尹光志等［126］建立了脆性煤岩的模型和冲击地压的损伤能量指数。Okubo等［127］进行了无烟煤单轴压缩和拉伸测试，研究了峰值强度对加载率的依赖。杨永杰等［128］简述了煤的强度离散性原因。采用超声脉冲穿透法测量煤样波速并进行岩石力学实验，回归分析得出了煤岩试件声速与其力学参数之间的关系式。关伶俐等［129］对神府矿区煤岩进行单轴压缩以及循环加载的实验研究，从损伤的角度研究煤岩的变形破坏机理，以及煤岩中初始裂隙和空隙的闭合对煤岩强度和弹性模量的影响。得出煤岩的整个破坏过程可以分为损伤弱化、准线性、损伤开始演化和稳定发展、损伤加速发展和峰后软化5个阶段。神府煤岩含有大量的裂隙和孔隙，在损伤软化阶段闭合，显著提高其强度和弹性模量，认为采用提高后的弹性模量，模拟巷道的支护更加合理。李小春等［130］对煤岩进行了较低和较高多个围压下的常规三轴加卸载实验研究，给出了系统的实验成果。得出较低围压下，卸载路径和加载路径几乎完全重合，煤岩应力-应变特性呈现明显的线弹性特征，并表现出一定的脆性破坏特性；而较高围压下，应力-应变呈现明显的非线性特征，卸载路径不再原路返回，呈明显的塑性变形特征。提出了根据硬化参量的几何意义计算其值的方法，并选择累积塑性应变作为塑性硬化参量。
朱之芳等用刚性实验机、声波检测仪和显微镜等仪器测定了抚顺龙凤煤矿主要煤层自然煤样和饱水煤样的物理力学性质，得出试样在荷载增加过程中裂纹发生—扩展—贯穿的过程就是试样破坏的全过程，而且试样并非在峰值处破坏，而
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