本文的主要作者为Leilei Si、Zenghua Li （通讯作者），以及Yongliang Yang、Jun Zhou、Yinbo Zhou、Zhen Liu、Liwei Liu，作者所属机构包括中国矿业大学（Xuzhou）的矿床甲烷与火灾控制教育部重点实验室、安全工程学院，以及山东科技大学矿业与安全工程学院。本研究发表于期刊《Fuel》，上线日期为2017年9月23日。
研究领域聚焦于煤层气体迁移过程，特别是含水煤层中的复杂气体迁移特性。在矿井瓦斯灾害防治中，瓦斯抽采是主要手段，但在中国的很多矿井，由于煤层顶部或底部含有含水层，水通过钻孔侵入煤层，显著降低煤层瓦斯抽采效率。特别是在向下钻孔中，侵入的地层水无法通过排水系统排出，导致煤孔周围完全充水，气体抽采效果远低于传统估算模型的预期。因此，研究含水煤层中的瓦斯迁移机制及其关键诱导因素对完善相关理论和改进抽采技术具有重要意义。
本研究通过建立数学模型描述瓦斯在侵水煤层中的迁移规律，并通过数值计算分析扩散系数、渗透率、亨利常数及含水煤层区域半径等因素对瓦斯压降和抽采量的影响，从而为瓦斯迁移机理以及矿井瓦斯灾害预防控制提供理论依据。
作者提出了一种复合模型，用以描述侵水煤层中瓦斯迁移过程。该模型分为两个部分：
- 原生煤层的瓦斯渗流遵循Darcy定律
- 水饱和煤层的瓦斯扩散遵循Fick定律
为了保证煤层两区域交界处连续性，模型引入了亨利定律（Henry’s Law），用以描述瓦斯压力与溶解浓度在交界处的关系。
模型的数学基础包括以下假设： 1. 水饱和煤层中瓦斯仅依靠浓度梯度驱动扩散。 2. 孔隙中的水密度被简化为常数，温度为等温条件。 3. 水饱和煤层的半径保持不变。 4. 所建立的物理模型假定煤体是均质、各向同性，且为弹性连续体。
建立的核心公式包括描述煤体变形的Navier方程、瓦斯渗流的质量守恒方程，以及水饱和煤层中瓦斯扩散的Fick扩散方程等。
利用Comsol Multiphysics软件，对上述数学模型进行了数值求解，模拟了瓦斯在含水煤层中的扩散行为和残余气体压力分布。具体数值实验的参数部分来源于实际现场（以安徽淮北青东煤矿为例），部分参考已有文献数据。
在青东煤矿内，研究选取了一个2D平面模型（50m×50m），并将实际测得的气井抽采数据与模拟结果进行对比以验证模型的准确性。
通过数值模拟任务设计，研究了扩散系数、渗透率、亨利常数和含水煤层半径等对气体残压和抽采量的影响。研究分析了每个参数变动的结果对于瓦斯迁移过程的主要特征及机制的影响。
在模拟实验与青东煤矿实际测量数据进行对比后发现：
通过数学模型预测的某气井气体抽采总量为1704.1 m³，而实际测得值为1814.4 m³，相对误差仅为6.07%，表明模型对于残余气体计算和瓦斯迁移过程的描述具有较高的准确性。
结果表明：扩散系数越高，瓦斯迁移速率越快，抽采效率越高。在高扩散系数条件下，残压显著降低，有利于脱渗。而且，研究发现适量的Mg²⁺离子可以有效提升扩散系数，从而增强瓦斯抽采效果。
渗透率对瓦斯迁移的影响较为复杂。在高渗透率条件下，残压在整个煤层范围内的缓解效果较佳；而在低渗透率煤层中，气井周围的局部压力减缓效果更明显。
亨利常数较低时，气体容易进入溶解状态，抽采速率更快，残压显著降低。实验表明有机化合物或表面活性剂的加入能够减少亨利常数，从而提高瓦斯抽采效率。
随着水饱和煤层半径的增大，瓦斯抽采效率显著下降。由于扩散距离加长，气体迁移速度有限，导致残压显著升高。整体来看，该参数是影响气体抽采效率最敏感的因素。
本研究证明了煤层顶板或底板水侵问题对瓦斯抽采效率造成的重要影响。数值实验表明： 1. 提高扩散系数、降低亨利常数、缩小水饱和层半径对瓦斯抽采有正面影响。 2. 渗透率影响复杂，应在实际操作中结合煤层特点加以综合考虑。 3. 本研究提供了一种迅速评估侵水煤层气体残压的新方法，不仅可准确预测瓦斯生产量，还可为煤矿瓦斯灾害防治提供理论依据。
本文研究聚焦含水煤层瓦斯迁移的本质规律，通过原始数据与实验相结合，进行了全面的理论解析与数值模拟。研究成果既丰富了煤矿气体迁移科学理论，又可实际应用于改善瓦斯抽采操作，是一项具有理论与应用双重价值的重要研究。