煤层瓦斯赋存及流动规律的研究和分析
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深部煤层瓦斯赋存规律及其涌出特征瓦斯是煤矿的主要自然灾害之一,长期以来一直严重威胁着煤矿的安全生产和矿井的经济效益。
近几年来,少数低瓦斯矿井由于瓦斯规律不明,对突发的局部瓦斯异常涌出常疏于防范,相继发生了一系列的重大瓦斯事故(根据近几年统计资料初步表明,该类事故约占事故总数的25%左右),给国家和人民的生命财产造成了巨大损失。
因此,矿井瓦斯赋存、瓦斯涌出及其防治技术的研究多年来一直是我国煤矿,特别是高、突瓦斯矿井的重点研究课题,瓦斯研究工作受到了人们的高度重视。
1 夹河煤矿深部煤层瓦斯赋存规律及涌出特征研究的目的和意义夹河煤矿是徐州矿务集团公司主力矿井之一。
从近几年生产中瓦斯涌出情况及实际瓦斯涌出资料来看,夹河煤矿矿井瓦斯来源较为丰富,因此,随着矿井开采深度的进一步延伸,瓦斯涌出量的增加,瓦斯涌出异常现象的发生将成为可能。
故探明并了解深部煤层瓦斯赋存规律及其涌出特征,对于更好地采取具有针对性的瓦斯防治技术措施,避免采掘工作面瓦斯积聚和超限、甚至煤与瓦斯突出事故的发生,做到预防瓦斯超前,实现矿井安全采煤具有十分重要的现实意义。
2 夹河煤矿2#、7#和9#煤层物理性质和煤层特征分析2.12#、7#和9#煤层描述(1)下石盒组2#煤层2#煤层全区发育,沉积特征明显,属结构复杂、沉积较稳定的可采中厚煤层。
煤层厚度0.20~4.41m,平均 1.81m,煤的容重为1.34t/m3,其变化规律与井田构造格架有关。
(2)山西组7#煤层7#煤层全区发育,沉积特征明显,属全区可采的较稳定中厚煤层。
煤层厚度0.37~5.35m,平均2.28m,煤的容重为1.34t/m3,其变化规律与井田构造格架有关。
(3)山西组9#煤层9#煤层在夹2号断层以东及F1号断层上盘,总体上9#煤层沉积厚度大,稳定性好;而夹2号断层以西煤层沉积厚度小,稳定性差,属大部区域可采的较稳定中厚煤层。
煤层厚度0.20~4.05m,平均1.49m,煤的容重为1.35t/m3,其变化规律与井田构造格架有关。
宁夏煤矿瓦斯赋存特征分析研究及应用通过运用瓦斯赋存构造逐级控制理论、区域构造理论及区域地质演化等方法[1],分析研究不同级别构造控制范围地区的瓦斯地质规律,将宁夏全区划分为1个高突瓦斯分带、1个高瓦斯分带和2个低瓦斯分带。
研究成果高度概括了宁夏煤矿瓦斯分布的特征、总结了瓦斯赋存规律、开展了瓦斯区域性预测,对不同地带、不同含煤时代的赋煤区域进行瓦斯分带划分和预测,增强了瓦斯灾害防治的针对性,为矿井瓦斯防治提供了重要的依据。
标签:瓦斯构造特征分布规律瓦斯分带瓦斯防治按照宁夏回族自治区国民经济和社会发展规划目标,预计2020年全区煤炭生产量为1.62亿吨。
随着开采规模的不断加大,煤矿开采向深部延伸,煤矿瓦斯事故日趋严重[4],預防和控制煤矿瓦斯事故的发生是今后煤矿安全工作的核心任务。
要做好瓦斯防治工作,关键是在于能够准确把握矿区瓦斯地质规律,对不同区域、不同深度开采条件下的矿井瓦斯有科学依据的预测。
本文采用先进的构造逐级控制理论、区域构造理论及地质演化等方法[1],在收集并分析全区900多个地勘钻孔和82对煤矿瓦斯地质资料的基础上,研究了宁夏全区煤层瓦斯的赋存特征,搞清了煤层瓦斯布规律;分析了各个矿区地质构造及其构造应力场在历次构造运动中挤压、拉张和剪切构造的发育特征,搞清了煤田、矿区地质构造演化历史,在历次构造运动中含煤地层隆起剥蚀和沉积坳陷的规律。
研究成果对煤矿安全生产具有重要的指导意义。
1构造演化及控制特征1.1大地构造单元划分宁夏回族自治区地处华北陆块和秦祁昆造山带两个性质迥然不同的一级大地构造单元的接合部位,大致以青铜峡-固原大断裂为界,东和北分属华北陆块之鄂尔多斯地块和阿拉善地块,西南属秦祁昆造山带之北祁连弧盆系。
构造单元大部由南北向逆冲构造带和六盘山弧形构造带组成。
1.2构造及演化特征宁夏大地构造活动期次划分反映了宁夏地质构造阶段性演化,每个演化阶段或活动期次,具有特定的沉积建造、岩浆建造、变质建造、构造变形和成矿建造过程。
玉华煤矿4-2煤层瓦斯赋存规律研究摘要:通过研究玉华煤矿地质构造、顶底板岩性、煤层埋深等与瓦斯赋存之间的关系,总结4-2煤层瓦斯赋存规律,为矿井瓦斯治理工作提供依据。
关键词:瓦斯赋存;规律;研究1 引言煤层瓦斯赋存受地质构造、顶底板岩性、埋藏深度等多种地质条件控制,在矿区不同区域,瓦斯赋存的条件也各不相同。
煤层的瓦斯赋存状况控制着矿井瓦斯涌出量的大小,同时也影响着矿井生产安全程度的高低,因此,掌握瓦斯赋存规律对保障矿井安全生产具有重要意义。
2 矿井概况玉华煤矿位于陕西省铜川市焦坪矿区,地处宜君、黄陵、旬邑三县交界处。
井田东西宽约4km,南北约11km,面积36km²,核定生产能力240万吨/年。
井田位于黄陇煤田东段,区内地层平缓,岩层倾角一般3°-5°,个别地段倾角可达20°。
井田内构造简单,基本为一南西向倾伏向斜。
区内广布巨厚白垩系地层,煤系地层出露甚少。
井田内含煤地层为侏罗系延安组,煤系地层总厚75米,共含煤9层,其中4-2煤赋存于延安组底部,属稳定特厚煤层,全区可采,为井田主要开采层,煤层平均厚度10m。
井田中东部和西南角较厚,西部和北部较薄;向斜区厚,背斜区薄。
3 断层、褶皱构造对瓦斯赋存的影响3.1 断层构造对瓦斯赋存的影响本井田内断层共有61条,多为中小型正断层,且多为高角度张性及张扭性正断层。
根据矿井瓦斯涌出数据可知,过断层时,瓦斯涌出量未见有明显的变化。
因此,井田内断层对瓦斯的赋存作用不大。
3.2 褶皱构造对瓦斯赋存的影响井田总体构造为一南西向倾伏向斜,在其两翼分布有次级褶曲,其中向斜的南翼发育有2条,北翼发育有次级褶曲14条。
受主要向斜构造影响,在井田西翼煤层埋深增大,煤层厚度增大,瓦斯含量也有增大趋势,根据回采工作面的瓦斯涌出量观测,井田西翼瓦斯涌出量明显高于东翼。
图1 玉华煤矿瓦斯含量与井田构造分布图4 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响井田内4-2煤层直接顶板多为细粉砂岩、粉砂岩、粗砂岩和炭质泥岩、泥岩,一般厚2~5m。
一号煤矿煤层瓦斯赋存规律的研究与探索一号煤矿是国内的一座重点煤矿,矿区内该煤层的瓦斯赋存规律对于矿井的安全生产至关重要。
本文通过对一号煤矿矿区煤层瓦斯赋存规律的研究与探索,提出了一些可供参考的结论。
煤层瓦斯赋存的时空变化规律是影响矿井瓦斯爆炸灾害的重要因素。
经过对一号煤矿矿区煤层瓦斯赋存数据的分析,我们发现煤层瓦斯赋存呈现时空变化规律:1、时间变化规律:煤层瓦斯赋存随着时间的推移呈现出高低波动的趋势,同时也具有显著的季节性变化规律,夏季瓦斯含量明显高于冬季。
2、空间分布规律:煤层瓦斯赋存不仅受到煤层厚度、排水能力等因素的影响,还与高低位置、断层、煤层裂隙等因素有关。
一号煤矿矿区煤层瓦斯分布主要以煤层中部为主,而在断层和煤层裂隙处也会出现明显的瓦斯聚集。
二、煤层瓦斯分布与瓦斯抽采的匹配为了有效地治理煤矿煤层瓦斯,需要合理安排瓦斯抽采措施。
煤层瓦斯的空间分布规律为瓦斯抽采提供了重要的依据。
在一号煤矿矿区,瓦斯抽采主要采用钻孔瓦斯抽放法和井下瓦斯抽放法。
根据煤层瓦斯分布规律,我们可以推测出以下瓦斯抽采方案:1、钻孔瓦斯抽放法:该方法适合在煤层中部区域进行瓦斯抽采,可选择在煤层比较厚实且煤层产煤较好的位置进行钻孔,不仅能够抽取部分区域的瓦斯,还能够降低煤层中的瓦斯压力,从而减小瓦斯爆炸的危险。
2、井下瓦斯抽放法:该方法适合在断层和煤层裂隙处进行瓦斯抽采,可通过集中排采等方式有效地降低瓦斯压力,从而减小瓦斯爆炸的危险。
三、瓦斯抽采效果的评估瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理中最有效的方法之一,但瓦斯抽采效果的评估也是非常重要的。
在一号煤矿矿区,我们采用了“煤层瓦斯赋存量—瓦斯抽采量—瓦斯浓度”三个指标评估了瓦斯抽采效果。
评估结果表明,煤层瓦斯赋存量的减少可以有效地降低煤矿瓦斯爆炸的危险;同时,瓦斯抽采量与煤层瓦斯赋存量之间存在一定的正相关关系;最终,瓦斯浓度的降低可以直接反映瓦斯抽采的效果。
综上所述,煤层瓦斯赋存规律的研究与探索对于煤矿的安全生产具有重要的意义。
表12#煤层瓦斯影响因子检测数据钻孔编号煤层的厚度/m 煤层埋深/m 砂岩厚度/m 覆岩厚度/m 瓦斯含量/(mL ·g -1)1 3.5545115409.152115466524.20.223 6.7136 4.9128 2.674 5.9256 5.3248 4.55 4.33367.4320 5.665.35169.45046.9杜家沟矿煤层瓦斯赋存规律及防治技术研究胡武红(霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司,山西运城043300)摘要:杜家沟矿为解决2-102工作面开采的煤层瓦斯异常涌出、瓦斯浓度超限的问题,基于杜家沟矿瓦斯地质规律,采用灰色关联法对影响杜家沟矿瓦斯覆存的影响因素进行探析,经研究发现覆岩的厚度对瓦斯覆存影响最大;并采用数值模拟软件对岩层瓦斯压力进行研究,瓦斯压力沿着钻孔中心轴向外呈现增大的趋势;在对矿井瓦斯突出进行防治时,通过采取钻孔抽采有效控制了瓦斯含量,降低矿井瓦斯压力,为同类型煤矿的瓦斯综合治理提供了参考。
关键词:瓦斯赋存;瓦斯含量;异常涌出;运移扩散;防治措施中图分类号:TD712文献标识码:A文章编号:1004-7050(2022)02-0180-03引言煤与瓦斯突出是煤矿最严重的灾害之一,长期以来严重威胁着矿井的安全生产。
现阶段,我国大部分矿井在采掘过程中均遇到瓦斯异常涌出,瓦斯含量超标的现象,为保证矿井的安全生产,对瓦斯突出矿井的瓦斯及时的进行抽排。
为此,诸多学者开展相关研究,韩江伟,董达[1]对鹤煤五矿开采煤层的瓦斯分布规律进行研究,根据现场实测瓦斯数据,给出了影响瓦斯赋存的因素,并构建了开采煤层瓦斯压力的预测方程,为煤矿防治瓦斯提供了依据。
冯彬、周爱桃[2]通过分析了东周窑煤矿现开采煤层瓦斯赋存规律,并给出了区域防突措施的设计。
经过验证表明,相邻工作面瓦斯含量变化规律类似,呈现出在停采线至切眼走向平均值上下起伏,但总体呈下降趋势。
本文以杜家沟矿2-102工作面为研究背景,对煤层瓦斯覆存规律及防突技术进行研究。
一号煤矿煤层瓦斯赋存规律的研究与探索煤层瓦斯是指煤层中保存的天然气,是一种有害且危险的煤矿瓦斯,常常是煤矿事故的主要原因之一。
对一号煤矿煤层瓦斯赋存规律的研究与探索显得尤为重要。
一号煤矿位于山西省,该矿床的煤层比较厚,地质条件复杂。
煤层瓦斯的赋存规律直接影响到矿井的安全和开采效果。
研究一号煤矿煤层瓦斯赋存规律,首先需要了解该煤矿的煤层性质,包括煤层厚度、煤质、构造、气体含量等。
通过对一号煤矿进行系统而全面的研究与探索,我们可以得到以下结论。
一号煤矿的煤层瓦斯主要以自由瓦斯和吸附瓦斯为主。
自由瓦斯是指在煤层中以气泡形式存在的瓦斯,主要由甲烷组成。
吸附瓦斯是指煤层中吸附在煤体表面的瓦斯,主要由二氧化碳和氮气组成。
一号煤矿的煤层瓦斯含量较高,主要以自由瓦斯为主,但吸附瓦斯也有一定的存在。
一号煤矿的煤层瓦斯赋存规律与顶底板条件和采煤工艺有关。
顶板和底板的稳定性对瓦斯赋存有一定影响,不稳定的顶底板容易导致瓦斯涌出和积聚。
采煤工艺也会对瓦斯赋存产生一定影响,例如采用长壁工作面和分段开采等工艺可以有效地控制瓦斯涌出。
对一号煤矿煤层瓦斯赋存规律的研究与探索可以为矿井安全生产提供科学依据。
通过深入了解煤层瓦斯的赋存规律,可以预测和评估矿井瓦斯的分布和浓度,为矿井通风设计和瓦斯抽采提供理论指导。
煤层瓦斯的赋存规律研究还可以为煤矿灾害防治和煤层气开发利用提供参考。
煤层瓦斯的赋存规律的研究与探索对于一号煤矿的安全生产和可持续发展具有重要意义。
研究人员应加强对一号煤矿煤层瓦斯赋存规律的研究,不断深化对瓦斯来源、赋存形式和扩散规律等方面的认识,以提高煤矿的安全性和高效开采能力。
煤层瓦斯赋存规律
煤层瓦斯赋存规律是指煤矿中煤层瓦斯的分布、存在形式及其规律。
煤层瓦斯是由煤中的有机质在埋藏过程中形成的,在煤矿开采过程中具有潜在的危险性。
煤层瓦斯的赋存规律对煤矿安全生产具有重要意义。
煤层瓦斯赋存规律可以归纳为以下几个方面:
1. 吸附瓦斯:煤层中的瓦斯主要以吸附态存在于煤体孔隙中。
随着压力的减小或温度的升高,吸附瓦斯可以解吸并逸出。
吸附瓦斯的赋存量受煤种、煤质、压力及温度等因素的影响。
2. 渗透瓦斯:煤层中的瓦斯可以通过煤层间隙或裂隙的渗透而存在。
渗透瓦斯的赋存与煤层孔隙度、赋存压力、地应力及煤层裂隙特征等因素有关。
3. 包裹瓦斯:煤层中的瓦斯可以包裹在煤体中的微小气泡中存在。
包裹瓦斯的赋存量受煤体孔隙结构、煤质及煤体松散程度等因素的影响。
4. 瓦斯运移规律:煤层瓦斯的运移与煤体孔隙连通性、地应力、渗透能力等因素有关。
瓦斯通常遵循从高压区到低压区的流动规律,地质构造、矿井开采等因素会影响瓦斯的运移路径和速度。
了解煤层瓦斯赋存规律对煤矿安全生产具有指导意义,可以帮
助矿井管理人员做好瓦斯抽放、通风以及瓦斯爆炸防治等工作,从而提高煤矿的生产安全性。
深部煤层瓦斯赋存规律及其涌出特征简介煤炭资源是我国主要能源资源之一,煤层瓦斯则是其中一种无形的能源资源。
深部煤层瓦斯赋存规律及其涌出特征的研究,可以为煤层气开发提供理论依据和技术支撑,同时也可以为煤层气的安全生产提供重要参考。
本文将围绕深部煤层瓦斯的赋存规律及其涌出特征展开讨论。
深部煤层瓦斯赋存规律赋存形式煤层瓦斯的赋存形式一般包括两种,一种是吸附在煤体孔隙中,另一种是游离在煤层裂隙中。
在深部煤层中,由于地下水的压力增大以及煤体孔隙逐渐关闭等因素的影响,煤层瓦斯的主要赋存形式是游离气体。
吸附气体则占据了较少的比例。
煤性对瓦斯赋存的影响煤层瓦斯的赋存量与煤性有直接关系。
由于不同煤性的孔隙率和比表面积不同,因此不同煤性的煤层瓦斯赋存量也会有所不同。
一般来说,具有较高孔隙率和比表面积的煤层,其孔隙中的煤层瓦斯含量相对较高。
同时,煤层的厚度也会对瓦斯赋存量产生影响。
厚度较小的煤层由于煤体间的连通性较差,瓦斯的堆积容易导致局部区域的高压,进而影响其可开采性。
底板岩性对瓦斯赋存的影响在深部煤层中,底板岩性的不同也会对煤层瓦斯的赋存量产生影响。
底板岩性若是致密型岩石,则瓦斯无法透过岩石而向地面逸出,而会向煤层上部和两侧的煤体中渗透和堆积,从而增加其含量。
反之,底板岩性若为通透型岩石,则瓦斯会向地面逸出,导致其含量减少。
深部煤层瓦斯的涌出特征涌出类型深部煤层瓦斯的涌出类型通常分为两种,一种是常规涌出,另一种是突发涌出。
常规涌出是由瓦斯压力自然产生,较为稳定。
而突发涌出则是由于煤层瓦斯压力快速释放,可能会导致爆炸等灾害事件的发生。
涌出量深部煤层瓦斯的涌出量与煤层深度、煤性、地质构造等因素有关。
一般来说,随着煤层深度的增加,瓦斯的赋存量和压力会增大,从而导致涌出量增加。
此外,含有大量煤层气的煤层,其瓦斯的涌出量也会相应增加。
涌出过程深部煤层瓦斯的涌出过程是一个较为复杂的过程,涉及到煤层瓦斯的释放、扩散、迁移等环节。
煤层瓦斯赋存及流动规律的研究和分析摘要:瓦斯灾害是煤矿安全工作中的突出问题。
因此,瓦斯研究工作对于煤炭工业的健康持续发展乃至全国生产安全状况好转具有十分重要的意义。
掌握瓦斯的赋存状态及流动规律对防治瓦斯工作尤为关键。
瓦斯的生成与煤的成因息息相关;煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种;矿井中煤层瓦斯的涌出对于生产和安全有着极大的影响,它与矿井的开拓布置、采掘方法、机电设备的选择、矿井通风和安全管理制度均有着密切的关系。
煤层瓦斯的运移是一个复杂的运动过程,它与煤层的结构和煤层中瓦斯赋存状态密切相关。
在大裂隙带中可能出现紊流.而在微裂隙中则属于层流运动在微孔中还存在扩散分子滑流。
在一般情况下,以达西定律为基础来研究煤层瓦斯流动规律还是可行的但是在客殊情况下,如石门揭开煤层、瓦斯喷出或突出,则必须按当时条件加以修正。
关键词:瓦斯赋存;流动规律;瓦斯流动理论;瓦斯运移1 前言我国是以煤炭为主要能源的国家。
目前及今后相当长的时期内煤炭在我国的一次能源结构中仍占50%以上。
煤矿瓦斯是煤的伴生物、同煤共生并存储在煤与围岩中的气藏资源,在煤炭开采过程中它通常以涌出的形式排放出来。
在一定的条件下,还可能以喷出或突出的形式突然释放、发生煤与瓦斯突出动力现象而且瓦斯进入采掘空间后在条件具备时还会发生瓦斯爆炸,造成重大的人员伤亡事故。
在我国煤矿事故中瓦斯事故占全国煤矿重大事故总数的70%以上,防治瓦斯灾害已成为煤矿安全工作中迫切需要解决的问题。
国内外各主要产煤国都投入了大且的资金、人力物力进行矿井瓦斯灾害发生视理、预测预报和防治技术的研究工作。
数十年来,在矿井瓦斯涌出量预测、矿井瓦斯抽防、完善通风技术、抑爆隔爆技术、瓦斯监测、预测和防治煤与瓦斯突出等方面进行了大量的研究,初步形成了瓦斯灾害防治的技术体系在矿井瓦斯防治理论和技术上都取得了长足的进步,瓦斯灾害事故得到了有效的控制,并且在实际工作中积累了丰富的经验。
研究瓦斯的赋存及流动规律对防治煤与瓦斯突出等方面的安全事故有着非常重要的意义。
2 煤层瓦斯的赋存2.1 煤层瓦斯的赋存煤体中赋存瓦斯的多少不仅对煤层瓦斯含量大小有影响,而且还直接影响到煤层中瓦斯流动及其发生灾害的危险性的大小。
因此,研究煤层中瓦斯的赋存状况是矿井瓦斯研究中的重要一环。
多年来,国内外学者对此进行厂大量卓有成效的研究工作,取得了许多重要的成果,如通过引入固体表面吸附理论解释了煤体表面的瓦斯吸附现象、借助于朗格缪尔方程和气体状态方程分别求出了媒体吸附瓦斯量和游离瓦斯量等。
l963年结合我国矿井的实际情况,我们提出了影响煤层原始瓦斯含量的8项主要因素,即煤的变质程度、煤层地质史、煤层露头、煤层本身的渗透性和顶底板的渗透性、煤层的断层和地质破坏、埋藏的深度和地形、地下水的流动以及古窑的开采。
从而为我国研究影响煤层瓦斯含量的主要因素奠定了基础。
此外,还对煤层瓦斯的赋存状态、煤体表面的吸附作用及煤的吸附模型、煤对混合气体的吸附作用等进行了大量的实验和理论研究工作。
近年来,河南理工大学、湖南煤研所等单位在瓦斯地质方面也做了许多研究。
2.2 影响煤层瓦斯赋存及含量的主要因素在目前的天然没层中最大的瓦斯含量不超过50 m3/t。
但煤体在从植物遗体到无烟煤的变质过程中每生成lt煤至少可以伴生100m3以上的瓦斯。
目前的研究成果认为影响煤层瓦斯含量的主要因素有:煤层储气条件、区域地质构造及采矿工作。
1 煤层的储气条件煤层储气条件对于煤层瓦斯赋存及含量具有重要作用,储气条件主要包括煤层的埋藏深度、煤层和围岩的透气性、煤层倾角、煤层露头以及煤的变质程度等。
2 区域地质构造地质构造是影响煤层瓦斯赋存及含量的最重要的条件之一。
目前总的认为封闭型在地质构造有利于封存瓦斯,开放型地质构造有利于瓦斯排放。
具体而言,影响煤层瓦斯赋存的地质构造包括以下几个方面:褶曲构造、断裂构造、构造复合、联合.构造组合、水文地质条件。
3 采矿工作煤矿井下采矿工作会使煤层所受应力重新分布,造成次生透气性结构,同时矿山压力可以使煤体透气性增高或降低,其表现为在卸压区内透气性增高,集中应力带内透气性降低。
因而采矿工作会使煤层瓦斯赋存状态发生变化,具体表现为在采掘空间中瓦斯涌出量的忽大忽小。
3 煤层瓦斯流动规律煤层瓦斯的运移是一个复杂的运动过程,它与煤层的结构和煤层中瓦斯赋存状态密切相关。
煤层是孔隙一裂隙介质,其中充满微小的孔隙和裂隙,煤体是孔隙和裂隙的集合体。
采矿空间进入煤层以后瓦斯从煤层内部向巷道空间的运移非常复杂,它不仅受天然煤层层始条件的影响,也受到采矿工作、地下应力场和岩层移动的影响。
为此只能从宏观的角度习分析某一区域煤层中瓦斯的运移规律。
由于煤层的孔隙和裂隙的尺寸是不均匀的,因而在大裂隙带中可能出现紊流而在微裂隙中则属于层流运动,在微孔中还存在扩散分子滑流。
根据实验室和在到场对瓦斯流动规律的测定,可以认为其流动规律主要是遵循达西定律,即是层流运动。
故而可认为:在一般情况下以达西定律为基础来研究煤层瓦斯流动规律还是可行的,但是在客殊情况下,如石门揭开煤层、瓦斯喷出或突出则必须按当时条件加以修正。
3.1瓦斯在煤层中运移的基本参数(1)煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是指煤层中瓦斯所具有的气体压力,由游离瓦斯形成。
异常的瓦斯压力分布和矿井中异常地质构造密切相关。
如在局部地质构造异常带在强大的构造应力的作用下煤体中的部分大孔隙和裂隙会变窄甚至闭合,瓦斯流动、渗透的通道被堵塞甚至形成一些彼此近似隔离的空间,在增高的应力作用下这些隔离空间中的瓦斯压力即升高,从而形成了局部瓦斯压力增高的地带。
(2)煤层透气系数煤层透气系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志,和水在多孔介质中流动时的渗透系数 一样,但是瓦斯是气体,它在流动过程中密度要降低、体积要膨胀,所以比水在砂层中的流动要复杂一些。
原始煤层透气系数一般很低,瓦斯在煤层中的流速也很小,每日仅几厘米到到几米。
3.2 瓦斯在煤层中的运移瓦斯在中孔以上的孔隙或裂隙内的运移可能有层流和紊流2种形式,而层流运移通常又可分为线性和非线性渗透2种。
紊流一般只有发生在瓦斯喷出和煤与瓦斯突出时的瓦斯流动,在原始煤层中瓦斯的运移是层流运动。
(1)线性渗透当瓦斯在煤层中的流动为线性渗透时即瓦斯流速与煤层中瓦斯压力梯度成正比时呈线性规律符合达西定律。
中国矿业大学在实验室中对用煤粉压制的圆柱形人工煤样进行的大量瓦斯渗透试验表明:瓦斯在孔隙直径较大的媒样中流动时完全服从达西定律。
即:21()/q P P L λ=-式中 P —比流量.m3/(m2·d);λ—透气系数.m2/(MPa2·d);1P —人口处瓦斯压力平方.MPa2;2P —出口处瓦斯压力平方.MPa2;L —煤样长度m实际上达西定律的使用范围比层流运动要小,从服从达西定律的层流运动到不服从达西定律的层流运动,再过渡到湍流运动,其转变是逐渐的,往往没有一个明确的分界线。
这是因为瓦斯在煤内流动的孔道是弯曲的,而断面又是变化的每一流体质点沿曲线运动具有连续变化的速度和加速度。
当孔径小、速度低时粘滞力占优势。
由粘滞性产生的摩擦阻力占优势与粘滞力比较惯性力可以忽略,这时表现为服从达酉定律。
当孔径增大、流速加快后惯性力随流速增大,当它接近于摩擦阻力的数量级时达西定律就不适用了。
这一变化发生在层流转变为紊流之前,主要是因为煤内孔隙的大小、形状、曲率以及孔隙和裂晾结构都极不均匀。
但是从宏观上来看,在某一区域范围内绝大多数情况下煤层瓦斯的流动仍属于线性渗透。
(2)非线性渗透当雷诺数大于一定值以后,瓦斯在煤层中的流动即处于非线性渗流而不服从达西定律。
在非线性渗流条件下,比流量与压力差之间关系可用指数方程表示即:()m n dP q dn λ=-式中 n q —在n 点的比流量m3/(m2·d);m —渗透指数.m =1~2;dP —瓦斯压力平方的差MPa2;dn —与瓦斯流动方向一致的某一极小长度.m ;λ—透气系数.m2/(MPa2·d)当m =1时,上式与达西定律相同;当m >1时,表明随着雷诺数增大,流体流动时在转弯、扩大、缩小等局部阻力处引起的压力损耗增大.致使比流量n q 降低,此时流体在多孔介质中的流动就表现为非线性渗流。
非线性渗流的情况也产生在压力梯度很小、流速很低的情况下,此时可能产生非牛顿态流动,即壁面分子对流体分子的吸引力会对流动产生阻滞作用。
在孔隙直径非常小,小于流过气体分子的平均自由程时,分子不能以气体状态自由运动,而是在孔隙壁面上产生滑动(这就是分子滑流.即克林柏格效应)。
这种情况也使流动状态偏离线性渗透。
3.3 煤层瓦斯流动理论煤层瓦斯流动理论是专门研究煤层内瓦斯压力分布及瓦斯流动变化规律的理论,根据应用范围和使用条件的不同,煤层瓦斯流动理论有以下几种:1.线性瓦斯流动理论线性瓦斯渗流理论认为,煤层内瓦斯运移基本符合线性渗透定律达西定律(Darcy’s law)。
1856年,法国水力学家Darcy 通过实验总结出了著名的Darcy 定律:dxdp dx dp K λμν-=⋅-= 式中 v —流速.m/s ; μ—瓦斯动力粘度系数Pa ·s ;K —煤层的渗透率m2;dx —和流体流动方向一致的极小长度m ;dp —在dx 长度内的压差Pa ;λ—煤层透气系数.m2/(MPa 2·d)2.瓦斯扩散理论煤是一种典型的多孔介质,根据气体在多孔介质中的扩散机理的研究,可以用表示孔隙直径和分子运动平均自由程相对大小的诺森数/n K d λ=式中 d —孔隙平均直径m ;λ—气体分子的平均自由程m将扩散分为一般的菲克(Fick)型扩散、诺森(Knudsen)型扩散和过渡型扩散。
10n K ≥时,孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程,这时瓦斯气体分子的碰撞主要发生在自由瓦斯气体分子之间,而分子和毛细竹壁的碰撞机会相对较少。
此类扩散仍然遵循菲克定理称为菲克型扩散。
当0.1n K ≤时,分子的平均自由程大于孔隙直径,此时瓦斯气体分子和孔隙壁之间的碰撞占主导地位而分子之间的碰撞退居次要地位。
此类扩散不再遵循菲克扩散而为诺森扩散。
当0.110n K ≤≤时,孔隙直径与瓦斯气体分子的平均自由程相似,分子之间的碰撞和分子与面的碰撞同样重要,因此此时的扩散是介于菲克型扩散与诺森扩散之间的过渡型扩散。
见图1。
3.非线性瓦斯流动理论达西定律偏离的原因为:①流量过大;②分子效应;③离子效应;④流体本身的非牛顿态势。
著名的流体力学家EM .Allen 指出,将达西定律用于描述从均匀固体物(煤样)中涌出瓦斯的试验.结果导致了与实际观测不相符合的结论。
从通过变化压差测定煤样瓦斯渗透率看,达西定律不太符合瓦斯流动规律。