煤层瓦斯既是威胁井下安全作业的重大危险因素,又是一种清洁的高热值能源。煤储层中水的存在使瓦斯的单相流动变为复杂的水气两相流,研究瓦斯和水的两相流对瓦斯抽采和煤层气开采具有重要意义。基于煤的孔隙裂隙双重特性,本文分析了煤体的结构特征、瓦斯和水的赋存状态及瓦斯扩散机理,为深入研究水气两相渗流理论奠定了基础。本文中实验所用煤样取自山西晋煤集团苇町煤矿,利用自主设计的实验系统进行等温吸附实验和水气两相渗流实验,得出以下主要结论:①饱和水煤样的甲烷吸附量明显降低,Langmuir体积明显下降,Langmuir压力有所增加,随着平衡压力的增加,水分对甲烷吸附量的损害趋于减小并最终稳定。②根据水气相渗曲线,在等渗点右侧,水的相对渗透率远大于甲烷,水的流动占据主导作用;在等渗点左侧,甲烷的相对渗透率大于水,甲烷的流动占据主导作用,并且这种变化呈现非线性关系。③在残余水状态下甲烷相对渗透率趋于稳定时,甲烷的相对渗透率只有0.14~0.34,煤样中的水分对甲烷渗透率造成了极大的损害。④残余水饱和度在43.25%~77.91%之间,水气两相共渗范围较窄,表现出低孔低渗的特征,显示出极强的亲水性。水气两相流动过程中,孔隙压力和饱和度的变化会导致孔隙度和相对渗透率的动态变化,基于煤体的Warren-Root模型,提出孔隙度动态模型和相对渗透率演化模型。煤体中液态水和瓦斯的流动都遵从广义达西定律,且吸附态瓦斯服从Langmuir平衡方程,游离态瓦斯服从气体状态方程,将上述方程代入连续性方程得到水相和气相的流动控制方程。根据多孔介质弹性理论,在太沙基有效应力原理的基础上,联立平衡方程、几何方程和本构方程,建立了考虑吸附作用的煤体变形场控制方程。渗流场方程和变形场方程相结合就是完整的受载含瓦斯煤水气两相流固耦合数学模型。利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对数学模型进行求解,得到了不同时刻孔隙压力、含水饱和度、孔隙度及相对渗透率的变化规律,研究结果显示:①原煤达到平衡状态所需要的时间远远大于型煤;②初期孔隙压力变化较大,后期趋于减小直至达到平衡状态;③通过对平衡状态下气相相对渗透率的分析,模拟结果和残余水状态下的实测气相渗透率具有较好的一致性。