透气性系数的测定和计算
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煤层透气性系数的测定和计算
煤炭科学研究总院重庆分院刘林
摘要：
关键词：
煤层的瓦斯压力、流量、透气性系数与电解质的电压、电流、电导系数、热介质中的温度、热流量、热传导系数等基本参数相仿。
煤层透气性系数是测定煤层瓦斯流动难易程度的标志，测定煤层透气性系数与测定瓦斯压力、流量具有同等的重要性，但是煤层瓦斯流动过程比较复杂，难于计算，所以国外对测定煤层透气性系数的研究虽然已经有20多年的历史，迄今未能获得简单而可靠的测定方法，在生产实践中未能广泛应用。
国内过去计算煤层透气性系数往往采用苏联克里切夫斯基的方法，由于该方法在测定和计算上均还存在着一些问题，在生产实践中应用也较少。
为了考察煤层瓦斯流动的规律，需要对透气系数的测定和计算进行研究，以求获得简单而可靠的方法，以便在矿井中普遍应用。
1 煤层透气系数的基本概念
原始煤层的透气性一般是很低的，瓦斯在煤层中的流动速度也很小，每昼夜仅数厘米到几米。
根据试验室和现场的测定研究，流动状态属于层流运动，也就是瓦斯的流速和压差成正比，与煤层的渗透率成正比，符合直线渗透定律及达西定律。
ν=-K/μ*dp/dx （1）
ν——瓦斯流速，cm/s；
K——煤层的渗透率，达西；
μ——瓦斯绝对粘度，厘泊，沼气μ=0.0108厘泊
dp——在dx长度内的压差，kg/cm2；
dx——和瓦斯流动方向一致的某一极小长度，厘米。
加入把瓦斯的流速ν变成760毫米汞柱，温度相当于煤层温度t℃条件下的瓦斯流量，则
q=
式中q——在1米2煤面上流过的瓦斯流量（760毫米汞柱t℃）；
p n——760毫米汞柱下的大气压力，p n=1大气压力；
P=p2，大气压2
从（3）式中可以看到煤层中瓦斯的流动和电介质中电流的运动以及物体的导热过程相仿。
透气系数目前在工程中常用的单位是：
λ=1米2/大气压2.日=0.0416米2/大气压2.小时=416厘米2/大气压2.小时
λ=1米2/大气压2.日=2.5毫达西=2.5*10-3达西
[注：在国内外某些资料中采用λ’=K/μ厘米2/大气压2.小时，则λ’在数值上未λ的两倍，λ=2λ’，而因次上差一个大气压-1。
]
构成煤层渗透率的成风，第一是原生裂隙，即煤层层理和煤的胶粒结构。
第二是次生裂隙，即地质破坏所形成的裂隙。
由于成煤过程中沉积环境和受力条件不完全相同，且在地质变动过程中煤体各部分所受到的揉搓情况不一。
因此煤体是非均质的，各个区域的渗透率并不完全相同。
第三是采矿裂隙，这是采掘工作以后，
地压的活动又使部分煤体压缩和伸张，在煤层中形成新的裂隙。
煤层的渗透率基本上是由这三部分裂隙结构而成的，这使煤层的透气系数在煤层中各点相差较大，只能采用综合平均的数值，才能代表某一区域煤层的透气系数。
在矿井中的实际测定也表明了在范围不大的区域内，通过各个钻孔测定的综合平均透气系数，彼此是相近的，大多处于同一数量级内。
因此在工程计算中采用平均的透气系数可以近似地把一区域的煤层作为均质物体进行分析计算。
采掘工作引起的地区活动能使煤层的透气系数产生很大变化。
例如在集中压力带，煤体的透气系数可降低一倍到几倍，而在卸压带内可增大数千倍。
在水力压裂、水力冲孔、中压长时间注水等水力化处理煤层瓦斯的措施中也都使煤层透气系数产生强烈的变化。
测定煤层透气系数的变化使研究煤层瓦斯流动规律的重要内容之一。
2 计算煤层透气系数的方法
煤层透气系数的计算是和测定方法密切有关的，较好的测定方法是在岩石巷道中向煤层打钻孔，钻孔应尽量垂直贯穿整个煤层，然后堵孔测定煤层真实瓦斯压力。
再打开钻孔排放瓦斯，记录流量和时间。
在影响钻孔瓦斯流量的因素中主要是煤层原有的瓦斯压力，打开钻孔后的钻孔中瓦斯压力、煤层透气系数、瓦斯含量系数、煤层厚度和钻孔半径以及排放瓦斯时间等七个参数。
在这七个参数中只有透气系数这一数值。
这一方法的原理是比较简单的，关键在于怎样计算，计算的方法是否可靠，能不能反映煤层瓦斯流动的真实情况，导出正确的煤层透气系数的数值。
计算公式是建立在下列基础之上的：
在钻孔瓦斯流动的范围内，煤层瓦斯压力、透气系数、瓦斯含量系数相同。
钻孔垂直正交煤层（至少偏斜不大于30°）。
贯穿煤层全厚，在瓦斯流动范围内煤厚不变。
煤层顶底板岩层不漏气。
在打开钻孔排方瓦斯之前，煤层瓦斯压力为p0，打开钻孔之后，钻孔中瓦斯压力为p1，且在排瓦斯过程中p1的数值不变。
在瓦斯流动过程中，瓦斯的温度等于煤层温度。
钻孔瓦斯流动的状态属于径向不稳定流动，其流动过程比较复杂，难以用数学手段直接导出计算公司，因此在实验室内根据上述四项条件，用相似模型试验的方法进行试验，并以相似准数表达试验的结果，从而导出一般的钻孔瓦斯流动计算公式
径向不稳定流动计算公式
Y=a*F0b（4）
式中Y——流量准数，无因次；
F0——时间准数，无因次；
a、b——系数；
测定计算煤层透气系数的步骤
从岩石巷道向煤层打钻孔，孔径不限。
钻孔与煤层的交角尽量接近90度。
要记录钻孔的方位角和仰角以及钻孔在煤层中的长度。
钻孔进入煤层和打完煤层的时间（年、月、日、时、分），取这两个时间的平均数作为打钻时钻孔瓦斯开始流动的时间。
钻孔结束后，用水冲洗钻孔清除钻孔内的煤屑。
封孔测定钻孔瓦斯压力，要求封孔严密，封孔深度在岩石巷道中不小于3米，以求能准确地测得煤层的真实压力，测定瓦斯压力的导管直径要大一些。
在透气系数大的煤层可使用半寸管，在上压力表之前，测定钻孔瓦斯流量，记录流量和时间（年、月、日、时、分）。
压力表上升到煤层真实压力或压力表稳定后，即可进行测定。
卸下压力表排
放瓦斯，测量钻孔瓦斯流量，在测定时要记录卸表大量排放瓦斯的时间，作为瓦斯开始流动的其始时间，并记录每次测定瓦斯流量的时间（年、月、日、时、分）。
为了便于卸下压力表，可使用带有排瓦斯孔的压力表接头。
这种具有排气孔的接头，可以消除卸表时高压瓦斯冲毁压力表，突然喷出大量高浓度瓦斯的危险，但是在允许条件下应尽快把压力表接头从测压管上卸除，便于瓦斯的排放，以免造成钻孔瓦斯压力长时大于一个大气压，引起测定的误差。
测量流量的仪器，在流量大时用小型孔板流量计，在流量小时用0.5米3/时的湿式气体流量计（煤气表）
测量流量的时间，最好在卸表1小时后到几天内进行，因为时间较长，可使流动范围扩大。
测量计算出来的透气系数是流动场的平均值，时间较长测出的透气系数受周围卸压的影响小些。
能够有较大的代表性。
如测量流量的时间距卸表时很近，则测出的透气系数受钻孔卸压圈的影响比较大，在已卸压的区域，因透气系数已大大提高，故测定时间的长短影响不大。
在未卸压的原始煤层，如卸表后连续自然排放瓦斯到巷道大气中，根据几个月后测得的流量计算透气系数不但具有更大的代表性，而且可以消除钻孔斜交煤层引起的误差。
在已知瓦斯压力值的地区，测定煤层透气系数，可省去测量瓦斯压力的过程，根据打钻孔后，钻孔的瓦斯流量就可以进行计算。
在封孔测压安装压力表之前，测得的瓦斯流量也可用来计算透气系数。
（流量可在上压力表之前、之后测定）。
煤层瓦斯含量系数，根据实验室或现场的瓦斯含量测定得出的瓦斯压力曲线导出，可以取P=5、10、15、……P0等点的瓦斯含量W值，求出若干X值，取其平均值。
