煤層瓦斯賦存及流動(dòng)規(guī)律的研究和分析

1、煤層瓦斯賦存及流動(dòng)規(guī)律的研究和分析摘要:瓦斯災(zāi)害是煤礦安全工作中的突出問題。因此，瓦斯研究工作對(duì)于煤炭工業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展乃至全國生產(chǎn)安全狀況好轉(zhuǎn)具有十分重要的意義。掌握瓦斯的賦存狀態(tài)及流動(dòng)規(guī)律對(duì)防治瓦斯工作尤為關(guān)鍵。瓦斯的生成與煤的成因息息相關(guān)；煤中瓦斯的賦存狀態(tài)一般有吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)兩種；礦井中煤層瓦斯的涌出對(duì)于生產(chǎn)和安全有著極大的影響，它與礦井的開拓布置、采掘方法、機(jī)電設(shè)備的選擇、礦井通風(fēng)和安全管理制度均有著密切的關(guān)系。煤層瓦斯的運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，它與煤層的結(jié)構(gòu)和煤層中瓦斯賦存狀態(tài)密切相關(guān)。在大裂隙帶中可能出現(xiàn)紊流.而在微裂隙中則屬于層流運(yùn)動(dòng)在微孔中還存在擴(kuò)散分子滑流。在一般情況

2、下，以達(dá)西定律為基礎(chǔ)來研究煤層瓦斯流動(dòng)規(guī)律還是可行的但是在客殊情況下，如石門揭開煤層、瓦斯噴出或突出，則必須按當(dāng)時(shí)條件加以修正。關(guān)鍵詞:瓦斯賦存;流動(dòng)規(guī)律;瓦斯流動(dòng)理論;瓦斯運(yùn)移1 前言我國是以煤炭為主要能源的國家。目前及今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)煤炭在我國的一次能源結(jié)構(gòu)中仍占50以上。煤礦瓦斯是煤的伴生物、同煤共生并存儲(chǔ)在煤與圍巖中的氣藏資源，在煤炭開采過程中它通常以涌出的形式排放出來。在一定的條件下，還可能以噴出或突出的形式突然釋放、發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象而且瓦斯進(jìn)入采掘空間后在條件具備時(shí)還會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸，造成重大的人員傷亡事故。在我國煤礦事故中瓦斯事故占全國煤礦重大事故總數(shù)的70以上，防治瓦斯

3、災(zāi)害已成為煤礦安全工作中迫切需要解決的問題。 國內(nèi)外各主要產(chǎn)煤國都投入了大且的資金、人力物力進(jìn)行礦井瓦斯災(zāi)害發(fā)生視理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治技術(shù)的研究工作。數(shù)十年來，在礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、礦井瓦斯抽防、完善通風(fēng)技術(shù)、抑爆隔爆技術(shù)、瓦斯監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和防治煤與瓦斯突出等方面進(jìn)行了大量的研究，初步形成了瓦斯災(zāi)害防治的技術(shù)體系在礦井瓦斯防治理論和技術(shù)上都取得了長足的進(jìn)步，瓦斯災(zāi)害事故得到了有效的控制，并且在實(shí)際工作中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。研究瓦斯的賦存及流動(dòng)規(guī)律對(duì)防治煤與瓦斯突出等方面的安全事故有著非常重要的意義。2 煤層瓦斯的賦存2.1 煤層瓦斯的賦存煤體中賦存瓦斯的多少不僅對(duì)煤層瓦斯含量大小有影響，而且還直接影

4、響到煤層中瓦斯流動(dòng)及其發(fā)生災(zāi)害的危險(xiǎn)性的大小。因此，研究煤層中瓦斯的賦存狀況是礦井瓦斯研究中的重要一環(huán)。多年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行廠大量卓有成效的研究工作，取得了許多重要的成果，如通過引入固體表面吸附理論解釋了煤體表面的瓦斯吸附現(xiàn)象、借助于朗格繆爾方程和氣體狀態(tài)方程分別求出了媒體吸附瓦斯量和游離瓦斯量等。l963年結(jié)合我國礦井的實(shí)際情況，我們提出了影響煤層原始瓦斯含量的8項(xiàng)主要因素，即煤的變質(zhì)程度、煤層地質(zhì)史、煤層露頭、煤層本身的滲透性和頂?shù)装宓臐B透性、煤層的斷層和地質(zhì)破壞、埋藏的深度和地形、地下水的流動(dòng)以及古窯的開采。從而為我國研究影響煤層瓦斯含量的主要因素奠定了基礎(chǔ)。此外，還對(duì)煤層瓦斯的賦

5、存狀態(tài)、煤體表面的吸附作用及煤的吸附模型、煤對(duì)混合氣體的吸附作用等進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作。近年來，河南理工大學(xué)、湖南煤研所等單位在瓦斯地質(zhì)方面也做了許多研究。2.2 影響煤層瓦斯賦存及含量的主要因素 在目前的天然沒層中最大的瓦斯含量不超過50 m3t。但煤體在從植物遺體到無煙煤的變質(zhì)過程中每生成lt煤至少可以伴生100m3以上的瓦斯。目前的研究成果認(rèn)為影響煤層瓦斯含量的主要因素有：煤層儲(chǔ)氣條件、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及采礦工作。1 煤層的儲(chǔ)氣條件 煤層儲(chǔ)氣條件對(duì)于煤層瓦斯賦存及含量具有重要作用，儲(chǔ)氣條件主要包括煤層的埋藏深度、煤層和圍巖的透氣性、煤層傾角、煤層露頭以及煤的變質(zhì)程度等。2 區(qū)域地質(zhì)

6、構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造是影響煤層瓦斯賦存及含量的最重要的條件之一。目前總的認(rèn)為封閉型在地質(zhì)構(gòu)造有利于封存瓦斯，開放型地質(zhì)構(gòu)造有利于瓦斯排放。具體而言，影響煤層瓦斯賦存的地質(zhì)構(gòu)造包括以下幾個(gè)方面：褶曲構(gòu)造、斷裂構(gòu)造、構(gòu)造復(fù)合、聯(lián)合.構(gòu)造組合、水文地質(zhì)條件。3 采礦工作煤礦井下采礦工作會(huì)使煤層所受應(yīng)力重新分布，造成次生透氣性結(jié)構(gòu)，同時(shí)礦山壓力可以使煤體透氣性增高或降低，其表現(xiàn)為在卸壓區(qū)內(nèi)透氣性增高，集中應(yīng)力帶內(nèi)透氣性降低。因而采礦工作會(huì)使煤層瓦斯賦存狀態(tài)發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為在采掘空間中瓦斯涌出量的忽大忽小。3 煤層瓦斯流動(dòng)規(guī)律煤層瓦斯的運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，它與煤層的結(jié)構(gòu)和煤層中瓦斯賦存狀態(tài)密切相關(guān)。

7、煤層是孔隙一裂隙介質(zhì)，其中充滿微小的孔隙和裂隙，煤體是孔隙和裂隙的集合體。采礦空間進(jìn)入煤層以后瓦斯從煤層內(nèi)部向巷道空間的運(yùn)移非常復(fù)雜，它不僅受天然煤層層始條件的影響，也受到采礦工作、地下應(yīng)力場(chǎng)和巖層移動(dòng)的影響。為此只能從宏觀的角度習(xí)分析某一區(qū)域煤層中瓦斯的運(yùn)移規(guī)律。 由于煤層的孔隙和裂隙的尺寸是不均勻的，因而在大裂隙帶中可能出現(xiàn)紊流而在微裂隙中則屬于層流運(yùn)動(dòng)，在微孔中還存在擴(kuò)散分子滑流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和在到場(chǎng)對(duì)瓦斯流動(dòng)規(guī)律的測(cè)定，可以認(rèn)為其流動(dòng)規(guī)律主要是遵循達(dá)西定律，即是層流運(yùn)動(dòng)。故而可認(rèn)為：在一般情況下以達(dá)西定律為基礎(chǔ)來研究煤層瓦斯流動(dòng)規(guī)律還是可行的，但是在客殊情況下，如石門揭開煤層、瓦斯噴出或

8、突出則必須按當(dāng)時(shí)條件加以修正。3.1瓦斯在煤層中運(yùn)移的基本參數(shù) (1)煤層瓦斯壓力 煤層瓦斯壓力是指煤層中瓦斯所具有的氣體壓力，由游離瓦斯形成。異常的瓦斯壓力分布和礦井中異常地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。如在局部地質(zhì)構(gòu)造異常帶在強(qiáng)大的構(gòu)造應(yīng)力的作用下煤體中的部分大孔隙和裂隙會(huì)變窄甚至閉合，瓦斯流動(dòng)、滲透的通道被堵塞甚至形成一些彼此近似隔離的空間，在增高的應(yīng)力作用下這些隔離空間中的瓦斯壓力即升高，從而形成了局部瓦斯壓力增高的地帶。（2）煤層透氣系數(shù)煤層透氣系數(shù)是煤層瓦斯流動(dòng)難易程度的標(biāo)志，和水在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)的滲透系數(shù)一樣，但是瓦斯是氣體，它在流動(dòng)過程中密度要降低、體積要膨脹，所以比水在砂層中的流動(dòng)要復(fù)雜

9、一些。原始煤層透氣系數(shù)一般很低，瓦斯在煤層中的流速也很小，每日僅幾厘米到到幾米。3.2 瓦斯在煤層中的運(yùn)移瓦斯在中孔以上的孔隙或裂隙內(nèi)的運(yùn)移可能有層流和紊流2種形式，而層流運(yùn)移通常又可分為線性和非線性滲透2種。紊流一般只有發(fā)生在瓦斯噴出和煤與瓦斯突出時(shí)的瓦斯流動(dòng)，在原始煤層中瓦斯的運(yùn)移是層流運(yùn)動(dòng)。 (1)線性滲透當(dāng)瓦斯在煤層中的流動(dòng)為線性滲透時(shí)即瓦斯流速與煤層中瓦斯壓力梯度成正比時(shí)呈線性規(guī)律符合達(dá)西定律。中國礦業(yè)大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)用煤粉壓制的圓柱形人工煤樣進(jìn)行的大量瓦斯?jié)B透試驗(yàn)表明：瓦斯在孔隙直徑較大的媒樣中流動(dòng)時(shí)完全服從達(dá)西定律。即：式中 比流量.m3/(m2d)；透氣系數(shù).m2/(MPa2d

10、)；人口處瓦斯壓力平方.MPa2；出口處瓦斯壓力平方.MPa2；煤樣長度m實(shí)際上達(dá)西定律的使用范圍比層流運(yùn)動(dòng)要小，從服從達(dá)西定律的層流運(yùn)動(dòng)到不服從達(dá)西定律的層流運(yùn)動(dòng)，再過渡到湍流運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)變是逐漸的，往往沒有一個(gè)明確的分界線。這是因?yàn)橥咚乖诿簝?nèi)流動(dòng)的孔道是彎曲的，而斷面又是變化的每一流體質(zhì)點(diǎn)沿曲線運(yùn)動(dòng)具有連續(xù)變化的速度和加速度。當(dāng)孔徑小、速度低時(shí)粘滯力占優(yōu)勢(shì)。由粘滯性產(chǎn)生的摩擦阻力占優(yōu)勢(shì)與粘滯力比較慣性力可以忽略，這時(shí)表現(xiàn)為服從達(dá)酉定律。當(dāng)孔徑增大、流速加快后慣性力隨流速增大，當(dāng)它接近于摩擦阻力的數(shù)量級(jí)時(shí)達(dá)西定律就不適用了。這一變化發(fā)生在層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髦?，主要是因?yàn)槊簝?nèi)孔隙的大小、形狀、曲率

11、以及孔隙和裂晾結(jié)構(gòu)都極不均勻。但是從宏觀上來看，在某一區(qū)域范圍內(nèi)絕大多數(shù)情況下煤層瓦斯的流動(dòng)仍屬于線性滲透。（2）非線性滲透當(dāng)雷諾數(shù)大于一定值以后，瓦斯在煤層中的流動(dòng)即處于非線性滲流而不服從達(dá)西定律。在非線性滲流條件下，比流量與壓力差之間關(guān)系可用指數(shù)方程表示即：式中 在點(diǎn)的比流量m3/(m2d)； 滲透指數(shù).=12；瓦斯壓力平方的差MPa2；與瓦斯流動(dòng)方向一致的某一極小長度.m；透氣系數(shù).m2/(MPa2d)當(dāng)1時(shí)，上式與達(dá)西定律相同；當(dāng)m1時(shí)，表明隨著雷諾數(shù)增大，流體流動(dòng)時(shí)在轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大、縮小等局部阻力處引起的壓力損耗增大.致使比流量降低，此時(shí)流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)就表現(xiàn)為非線性滲流。 非線性

12、滲流的情況也產(chǎn)生在壓力梯度很小、流速很低的情況下，此時(shí)可能產(chǎn)生非牛頓態(tài)流動(dòng)，即壁面分子對(duì)流體分子的吸引力會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生阻滯作用。在孔隙直徑非常小，小于流過氣體分子的平均自由程時(shí)，分子不能以氣體狀態(tài)自由運(yùn)動(dòng)，而是在孔隙壁面上產(chǎn)生滑動(dòng)（這就是分子滑流.即克林柏格效應(yīng))。這種情況也使流動(dòng)狀態(tài)偏離線性滲透。3.3 煤層瓦斯流動(dòng)理論煤層瓦斯流動(dòng)理論是專門研究煤層內(nèi)瓦斯壓力分布及瓦斯流動(dòng)變化規(guī)律的理論，根據(jù)應(yīng)用范圍和使用條件的不同，煤層瓦斯流動(dòng)理論有以下幾種：1.線性瓦斯流動(dòng)理論線性瓦斯?jié)B流理論認(rèn)為，煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)移基本符合線性滲透定律達(dá)西定律(Darcys law)。1856年，法國水力學(xué)家Darcy通過實(shí)

13、驗(yàn)總結(jié)出了著名的Darcy定律：式中 流速.m/s；瓦斯動(dòng)力粘度系數(shù)Pas；煤層的滲透率m2；和流體流動(dòng)方向一致的極小長度m；在長度內(nèi)的壓差Pa；煤層透氣系數(shù).m2/(MPa2d)2.瓦斯擴(kuò)散理論煤是一種典型的多孔介質(zhì)，根據(jù)氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散機(jī)理的研究，可以用表示孔隙直徑和分子運(yùn)動(dòng)平均自由程相對(duì)大小的諾森數(shù)式中 孔隙平均直徑m；氣體分子的平均自由程m 將擴(kuò)散分為一般的菲克(Fick)型擴(kuò)散、諾森(Knudsen)型擴(kuò)散和過渡型擴(kuò)散。時(shí)，孔隙直徑遠(yuǎn)大于瓦斯氣體分子的平均自由程，這時(shí)瓦斯氣體分子的碰撞主要發(fā)生在自由瓦斯氣體分子之間，而分子和毛細(xì)竹壁的碰撞機(jī)會(huì)相對(duì)較少。此類擴(kuò)散仍然遵循菲克定理稱

14、為菲克型擴(kuò)散。當(dāng)時(shí)，分子的平均自由程大于孔隙直徑，此時(shí)瓦斯氣體分子和孔隙壁之間的碰撞占主導(dǎo)地位而分子之間的碰撞退居次要地位。此類擴(kuò)散不再遵循菲克擴(kuò)散而為諾森擴(kuò)散。當(dāng)時(shí)，孔隙直徑與瓦斯氣體分子的平均自由程相似，分子之間的碰撞和分子與面的碰撞同樣重要，因此此時(shí)的擴(kuò)散是介于菲克型擴(kuò)散與諾森擴(kuò)散之間的過渡型擴(kuò)散。見圖1。3.非線性瓦斯流動(dòng)理論達(dá)西定律偏離的原因?yàn)椋毫髁窟^大；分子效應(yīng)；離子效應(yīng)；流體本身的非牛頓態(tài)勢(shì)。著名的流體力學(xué)家EMAllen指出，將達(dá)西定律用于描述從均勻固體物(煤樣)中涌出瓦斯的試驗(yàn).結(jié)果導(dǎo)致了與實(shí)際觀測(cè)不相符合的結(jié)論。從通過變化壓差測(cè)定煤樣瓦斯?jié)B透率看，達(dá)西定律不太符合瓦斯流動(dòng)規(guī)

15、律。在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了更能符合瓦斯流動(dòng)的基本規(guī)律冪定律(Power Law)。式中 在x點(diǎn)的比流量.m3/(m2d)； 滲透指數(shù).=12.該理論用于雷諾數(shù)區(qū)=10100，此時(shí)為非線性層流區(qū)域。4.地物場(chǎng)效應(yīng)的煤層瓦斯流動(dòng)理論 該理論認(rèn)為地應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)及地電場(chǎng)應(yīng)力史對(duì)瓦斯流動(dòng)場(chǎng)也有重要影響應(yīng)該考慮進(jìn)去，修正達(dá)西定律和冪定律。圖1 瓦斯氣體的擴(kuò)散模式a. 菲克型擴(kuò)散 b. 諾森型擴(kuò)散 c. 過濾型擴(kuò)散4 總結(jié)（1）分析了煤層瓦斯的賦存規(guī)律，介紹了影響煤層瓦斯賦存的影響因素。（2）分析了瓦斯在煤層中運(yùn)移的基本參數(shù)包括瓦斯壓力和煤層透氣系數(shù)，并介紹了瓦斯在煤層中的運(yùn)移規(guī)律。（3）論述了幾種

16、瓦斯流動(dòng)理論、包括線性理論、瓦斯擴(kuò)散理論和瓦斯?jié)B透擴(kuò)散理論等多種理論，并介紹了它們的應(yīng)用范圍。參考文獻(xiàn)1 俞啟香編著.礦井瓦斯防治.中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1990年。2 林柏泉、張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù).中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1996年。3 林柏泉、周世寧.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論.煤炭工業(yè)出版社,1996年。4 林柏泉、周世寧.“含瓦斯煤體滲透率的探討”.煤礦安全,1998年。5 林柏泉、何學(xué)秋.“煤體透氣性及其對(duì)煤與瓦斯突出的影響”.煤炭科學(xué)技術(shù),1991年。6 周世寧.瓦斯在煤層中流動(dòng)的機(jī)理J.煤炭學(xué)報(bào)，1990,17 潘紅纓.“國內(nèi)外煤礦安全生產(chǎn)的比較與借鑒”.當(dāng)代礦工,2003年8

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