3煤层瓦斯流动理论
煤层瓦斯流动理论及其应用_周世宁.
料煤炭学报 2 卷 ( 二煤层瓦斯涌出量的针算 1 掘进巷道 . : 以单巷掘进为 : 门曰曰曰厂厂「厂厂曰厂门口「曰曰曰口二七 r l 一匕 r 「吧 e 竺 w 阴l l 杯 l l i }—门r 尸- 六- r- 卜卜卜 l , 巨, l 厂「「厂厂厂尸日「厂「口口巨口口口 l ~ , . - ‘ 卜舀‘‘ ‘ 石‘二‘ . 下二二二一 . , ~ - 一 l 一 l ! l 一 l 一 l 1 例 , 每 Q 日巷道瓦斯涌出量 Q R 为落 ~ - . 竺 ~ l 一一 M l 2 口门口口口「门口口「厂下口厂日「习曰曰一曰尸曰曰曰「尸—尸曰叮叮日门日尸「日门「日口门门口口门日曰「一口门曰「日口曰曰一日口日二〔二一下【二二巨二「兰了厂厂廿于一十斤曰目团「 - 广口口口口门门口旦口] 口口一下口口口 , ; 丁 0 、 + Md ‘ QK 式中『 l . . J 【 , ~ 门「- 吧, 尸 . 卜卜 . . 白少. 司护. . 叫吧 ,~ , . 吮二全 , QK 1 . 工作面 2 . 掘进巷道 (北票三宝台吉 b 心—巷道长度米—工作面瓦斯涌出量—Q 一 M ( , 煤层厚度 , 米 ; ; , 二 bV 二。
一俨 1 , 图 11 瓦斯涌出量与风量的关系米/ “ 日; , Qr : 。
, —巷道掘进速度—日; 巷道掘进竟度米 , ; 米/ 气一一牛今 r , —剩余含量 ( 下的含量 : 煤层原始瓦斯含量和 1 。
大气压将 ( 1 1 式代入得掘进巷道瓦斯来源。
e。
Q 一、万‘% + 万。
(r 一r , 。
(24 从式中可以看出巷道瓦斯涌出量与掘进速度成正比 , 巷道中瓦斯。
浓度与巷道长度呈抛物袋关系若煤层厚度略大于巷道的高度图13 , 由于巷道的卸压作用 , 。
, 仍可按全部开切煤层爵算工作面前方瓦斯压力分布 , 但在特厚煤层在径向流动中应按径向流动爵算。
中孔径的大小对瓦斯涌出量影响很小所以在厚煤层中巷道瓦斯涌出量井不决定于巷道 , 尺寸和煤壁暴露面积 2 . , 而决定于甜参数回采工作面 : 回采工作面瓦斯涌出与掘进头前方煤体瓦斯涌出情况相同。
煤层瓦斯赋存及流动规律
煤层⽡斯赋存及流动规律煤层⽡斯赋存及流动规律摘要:煤矿井下的⽡斯主要来⾃煤层和煤系地层，还与煤的成因息息相关。
⽡斯在煤层中的赋存状态⼀般有两种，即吸附状态和游离状态。
⽽煤层⽡斯含量实际上是指吸附⽡斯量和游离⽡斯量之和，其值的⼤⼩往往是评价煤层⽡斯储量和是否具有抽放价值的重要指标。
煤层⽡斯含量的多少主要取决于保存⽡斯的条件，⽽不是⽣成⽡斯量的多少，也就是说，不仅取决于煤质质量，⽽更重要的是取决于储存⽡斯的地质条件。
根据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、区域地质构造和采矿⼯作。
另⼀⽅⾯，煤层是孔隙、裂隙结构组成的物质，⽡斯在孔隙中的流动主要是扩散,在煤层裂隙系统的流动属于渗透。
本⽂将对煤层⽡斯赋存及流动规律进⾏阐述，并作简单的分析。
关键词：煤层⽡斯赋存流动规律Coal seam gas occurrence and flow pattern Abstract: the coal gas mainly comes from coal and coal measure strata, itis closely related to the causes of coal. Gas in the coal seam occurrence state is generally has two kinds, namely the adsorption state and freestate. And coal seam gas content actually refers to the amount of gas and free gas quantity, the sum of its value tends to be the size of the evaluation of coal seam gas reserves and is an important index of drainage value. Coal seam gas content depends mainly on save gas conditions, it is not how much the amount of generated gas, that is to say, not only depends on the quality of coal, but more importantly depends on the geological conditions of gas storage. According to current research argues that the main factors affecting gas content of coal seam are: coal gas storage conditions, regional geological structure and mining work. On the other hand, the coal seam is material composed of pore and fracture structure. Gas flow in the pore is mainly spread in the flow of the fissure system of coal seam belongs to penetration. This article will explain coal seam gas occurrence and flow pattern, and make a simple analysis.Keywords: coal seam gas ,occurrence,flow ,pattern1.煤层⽡斯赋存影响因素⽡斯的⽣成、运移、赋存和富集,受地质条件的控制。
煤和瓦斯突出机理的流变假说
煤和瓦斯突出机理的流变假说
煤和瓦斯突出是煤矿安全中的一种危险现象，其机理涉及多个因素。
在流变学中，有几种假设被用来解释煤和瓦斯突出的机制。
1. 渗透-变形耦合假说：根据这个假设，煤层内的瓦斯渗透可以改变煤体的物理性质，如渗透能力、应力分布等。
当煤层受到外部扰动（如开采活动）时，由于瓦斯压力和应力的耦合作用，煤体中的瓦斯会迅速释放，导致煤和瓦斯的突出。
2. 渗流-剪切耦合假说：根据这个假设，煤层中的瓦斯渗透会引起渗流通道的形成和演化。
当煤层内部存在高渗透性的通道或裂隙时，瓦斯会通过这些通道快速聚集，并且在煤体受到剪切力作用时，瓦斯的聚集会进一步增强，最终导致煤和瓦斯的突出。
3. 煤层应力解耦假说：根据这个假设，煤层中的应力分布会受到瓦斯渗透的影响而发生变化。
瓦斯的渗透会导致煤层内部的压力分布不均匀，使得煤层中存在高应力区域和低应力区域。
当煤层中的应力达到一定程度时，煤体就可能发生破裂和突出。
这些流变假设并不是孤立存在的，实际情况下，煤和瓦斯突出的机理是复杂的，并且可能涉及多种因素的综合作用。
因此，对于煤矿安全管理来说，需要综合考虑地质条件、瓦斯渗透特性、煤体物理性质以及开采工艺等方面的因素，以制定有效的预防措施和安全管理策略。
1。
煤层瓦斯的涌出规律与预测方法
一
“ 七五 ”期 间 ，提 出矿 井瓦斯 涌 出量 分源预 测方 法； “ 八五”期间，提 出构造单元分源预测法 ； “ 九五”期间 ，研究和完善 了矿井瓦斯涌出量预测 方法 。 经过近４ 年的研 究与发展 ， 目前瓦斯分源预测法 已 ０ 基本达 到实用阶段 ，而近 几年来出现的 一些新预测方 法如灰 色系统预测法 、瓦斯 地质数学预测法 、趋势面 预测法 、神经网络预测法 仍处于探索阶 段 ，没有达到 实用阶段。 （ ）经典预测方法——矿山统计法 二 ｌ 、原理 ：根据 已采矿井或邻近矿井 历年来实际瓦 巨大 威 胁 。 斯涌 出量随开采深度 的变 化规律 ，并据 此预 测新水平 三、煤层 中瓦斯的存在形式 煤层中存在游离瓦斯和 吸附瓦斯 ，在合适 的气压下 或新井中瓦斯 涌出规律 二者之间可以相互 转换 ，在煤层 内存在 动态平衡 。比 ２ 、计算步骤 ： 如当煤层被揭开后 ，其表 面的吸附瓦斯在 气压差的作 首先确定相 对瓦斯涌 出量随开 采深 度的变化梯度ａ 用下迅速释放到空 气中。同样在气压差作 用下 ，煤层 值
按煤 层瓦 斯 涌 出 形式 的流 动 性 质 、表 现 方式 的 不 同 出量 。 可将 煤 层 瓦 斯 的 涌 出形 式 分 为 四 种 ： 其次为瓦斯风化带深度Ｈ０ 的确定 ＨＯ Ｈ１ ａ （ － ） ＝ 一 ＊Ｑ１ ２ ｌ 、正 常式 瓦 斯 涌 出 ； 然后 计算 矿井 相对 瓦斯 涌 出量 （ Ｑ）与开 采深 度 ２ 、喷 出式瓦斯涌出 ； ３ 、矿井动力现象引发的瓦斯涌 出； （ Ｈ）之 间的关系 ４ 、煤 与瓦斯突 出式瓦斯涌 出。 Ｑ （ Ｈ０／ ＝ Ｈ－ ）ａ 针对不同的涌出形式 ，管理防治措施 也各不相 同。 式 中符号同前 。 其 中 ，正 常式瓦斯 涌出是 煤层瓦斯涌 出的主要形式 ， 作者单位 ：中国矿业 大学信 电学院 参考文献 ： 可 以用有关数学模 型来描述 结算 。本文也 是以正常式 【 】《 井 通 风 与 安 全 》 ． 德 明 主 编 ， 国 矿 业 大 学 出 版 １ 矿 王 中 瓦斯 涌出形式为例来讲 解煤层瓦斯的 涌出规律 与预测 社 ，０ ７ １ ． ２ ０ ．０ 方 法 【 综掘 工作面瓦斯预测技术的研究》 ． ２ 】《 陈大力主编 ， 煤矿安全出 ２ ０ ．． 五 、煤层瓦斯 的涌 出规律 （ 煤层被揭 露后 ，随煤层 版 社 ，０ １８ 【］《 ３ 矿井瓦斯涌出理论 与预 测技术》 ． 王魁军 ， 程五 一等编著 ， 煤 暴露时间延长） 炭 工 、 出版 社 ，０ ９ ７ ｌ ２０ ．．
煤层瓦斯流动理论课件
煤层中瓦斯流动可以看作是 理想气体流动，因此可以利 用理想气体状态方程描述瓦 斯流动。
当煤层高度增加时，压力会 发生变化，根据理想气体状 态方程，可以推导出瓦斯流 动方程：$\frac{dp}{dt}=μ\gamma g(h-h0)$。
煤层瓦斯抽放与利用的相关图表说明
煤层瓦斯抽放示意图
该图表展示了煤层瓦斯抽放的过程， 包括抽放孔的位置、抽放时间、抽放 流量等参数。
实施效果
提高了煤层气的利用率，减少了环境污染，提供了清洁 的能源供应，取得了良好的经济、社会和环境效益。
04
煤层瓦斯流动理论与安全
煤层瓦斯流动对煤矿安全的影响
煤层瓦斯流动是导致煤矿 事故的主要原因之一，容 易引起爆炸和中毒等事故。
煤层瓦斯流动的不稳定性 可能导致瓦斯突然涌出， 给矿工带来极大的安全隐患。
01 煤质
煤的孔隙结构、渗透性、吸附 特性等对瓦斯流动有重要影响。
02 地层压力
地层压力是控制瓦斯流动的主 要因素之一，瓦斯流动速度和 范围与地层压力密切相关。
03 温度
温度影响瓦斯的吸附和解吸过 程以及扩散速度，对瓦斯流动 有重要影响。
04 水含量
水含量影响煤的渗透性和瓦斯 的吸附特性，从而影响瓦斯流动。
研究难点
如煤层瓦斯非线性流动特性、复杂地质条件下的瓦斯运移规律等。
煤层瓦斯流动理论的发展趋势与展望
发展趋势
如数值模拟在煤层瓦斯流动理论中的应用将更加广泛，对实际矿井瓦斯流动的指导作用将更加明显。
展望
如随着计算技术的发展和实验条件的改善，未来将会有更加精细的煤层瓦斯流动理论模型出现。
06
附录：煤层瓦斯流动理论的相关公式与图 表
煤层瓦斯流动理论与瓦斯治理
煤与瓦斯突出过程中煤瓦斯两相流的运动状态
3、煤瓦斯两相流的产生：当发生突出时，煤和瓦斯会形成一个两相流。这种 两相流的出现与瓦斯压力、煤的力学性质以及地质构造等因素有关。
4、运动状态：突出过程中的煤瓦斯两相流具有复杂的运动状态，包括速度、 方向、能量和杂质等问题。这些因素都可能对煤矿安全产现象，它涉及到煤炭开采过程中的多种因素。 随着采煤技术的进步和安全要求的提高，对煤与瓦斯突出的研究变得越来越重 要。两相流是煤炭开采过程中常见的流动现象，它由固体颗粒和气体组成，对 煤与瓦斯突出的研究具有重要意义。本次演示将介绍煤与瓦斯突出两相流的研 究现状和展望。
研究背景
在过去的几十年中，煤与瓦斯突出问题一直受到国内外学者的广泛。针对煤与 瓦斯突出的研究主要集中在地质力学、瓦斯赋存规律、危险性预测和防治措施 等方面。随着研究的深入，人们对煤与瓦斯突出的发生机制有了更深刻的认识， 但仍然存在许多争议。其中，煤瓦斯两相流在突出过程中的运动状态是研究的 一个重要方向。
2、理论研究
理论研究是研究煤与瓦斯突出的另一种手段。通过建立数学模型，研究人员可 以模拟和分析煤炭开采过程中的各种物理现象。在理论研究中，研究人员通常 会使用流体力学、固体力学、热力学等理论知识，以及数值计算方法，来建立 数学模型并求解方程。通过理论研究，研究人员可以更好地理解煤与瓦斯突出 的物理机制，并为实验研究提供指导。
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3、提高安全性
煤炭开采是一个高风险行业，保障工人的安全是首要任务。未来，我们需要更 加注重安全性问题，采取更加有效的措施来预防和处理煤与瓦斯突出事故。同 时，我们还需要加强安全教育和培训工作，提高工人的安全意识和应急能力。
四、结论
煤与瓦斯突出两相流是一个复杂而又重要的研究领域。目前，我们已经取得了 一定的研究成果，但是还有很多问题需要进一步研究和探讨。未来，我们需要 进一步加强基础研究和技术发展，提高安全性，为煤炭行业的可持续发展做出 更大的贡献。
瓦斯
§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律 煤层与围岩属于孔隙——裂隙结构体。煤层 孔隙与裂隙的闭合程度对地应力的作用很敏感， 地应力增高时，其闭合程度增大，透气性变小， 而地应力降低(卸压)时，裂隙伸张，透气性可以 增大几个数量级，当煤层遭受采动影响时，煤层 中的瓦斯就会流动，但是瓦斯在煤层孔隙裂隙中 的流动过程是非常复杂的。
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§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律
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§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律 3) 压力表指示出煤层的真实瓦斯压力或稳定值 后，即可进行煤层透气系数的测定。
4) 卸下压力表排放瓦斯，测定钻孔瓦斯流 量．在测定时要记录时间(年、月、日、时、分)测 量流量的仪表，可用0.5m3/h的湿式气体流量计(煤 气表)来测量钻孔的瓦斯流量。
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§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律 2．瓦斯扩散运动及菲克定律 瓦斯在孔隙——裂隙系统内的运移基本上可以分 为两类，一类是扩散运动，另一类是渗透运动。 瓦斯在小孔(<lμm)与微孔(<0.1μm)内的运移 主要为扩散运动，即瓦斯分子在其浓度梯度的作 用下由高浓度向低浓度方向运移。可用菲克(Fick) 定律来描述：
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§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律
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§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律
5) 计算透气性系数时，因附表9中的公式较多， 究竟用哪个公式进行计算Y可采用试算法，即先 用其中任何一个公式计算出入值，再将这个入值 代入F0＝Bλ中校验F0值是否在原选用公式的范围 内，如F0值在原选用公式的范围内，结果正确； 如不在所选公式范围，则根据算出的F0值，选其 所在范围的公式进行计算。—般t＜1d时先用F0 ＝ 1～10之公式，f＞1d，可先用F0＝102＞103公式进 行试算。
矿井瓦斯基础理论及瓦斯压力测定
03
瓦斯压力测定方法
直接测定法
定义
直接测定法是通过在煤层或岩层中钻孔，安 装压力表直接测量瓦斯压力的方法。
适用范围
适用于各种类型的矿井和煤层条件，特别是 不稳定的煤层和岩层。
优点
直接测定法能够获得较为准确的瓦斯压力数 据，不受其他因素的影响。
缺点
需要耗费较长的时间和人力物力，且有一定 的安全风险。
02
煤与瓦斯突出
瓦斯压力的异常变化可能引发煤 与瓦斯突出，造成人员伤亡和财 产损失。
03
矿井通风与瓦斯涌 出
瓦斯压力影响矿井通风和瓦斯涌 出量，进而影响矿井安全生产的 组织与管理。
瓦斯压力的监测与控制
监测方法
采用传感器、仪表等设备监测矿井中各区域的瓦斯压力，及时掌握瓦斯压力变化情况。
控制措施
通过采取抽放瓦斯、降低煤层瓦斯含量等措施，降低矿井瓦斯压力，预防瓦斯事故的发 生。
间接测定法
定义
间接测定法是通过测量煤层或岩层的相 关物理参数，如地层温度、地层压力等
，推算瓦斯压力的方法。
优点
间接测定法操作简便，能够快速获得 瓦斯压力数据。
适用范围
间接测定法适用于地层条件较为稳定 、有明显的地层压力梯度的矿井。
缺点
由于受到多种因素的影响，推算结果 可能存在误差。
钻孔瓦斯压力测定
瓦斯的性质
瓦斯具有无色、无味、无毒、无刺激 性的特点，但其浓度过高时容易引发 窒息或燃烧爆炸等危险。
瓦斯的生成与赋存
瓦斯的生成
瓦斯主要由煤在成煤过程中生成，其生成量与煤的变质程度、煤层埋藏深度和含气量等因素有关。
瓦斯的赋存
瓦斯通常以吸附和游离状态赋存在煤层中，其赋存状态和分布受到煤层压力、温度和孔隙率等因素的 影响。
煤层瓦斯运移的数学模型
煤层瓦斯运移的数学模型煤层瓦斯运移的数学模型是一种用于研究煤层瓦斯在地下运动传递规律的方法。
该模型基于毛细管力、气体扩散、吸附、解吸等理论建立，通过求解密度、温度、压力、瓦斯浓度等物理量的分布情况，来预测煤层瓦斯运移的行为。
以下是煤层瓦斯运移的数学模型主要包含以下几个部分。
1. 毛细管力模型煤层瓦斯在煤矿中的运动受到毛细管力的影响，因此需要对毛细管力进行建模。
毛细管力模型的基本假设是煤层瓦斯在小孔、小裂隙中运动时，会受到突出孔壁的毛细管力约束，该力对瓦斯运动的方向和速度都会产生影响。
通过建立毛细管力模型，可以预测煤层瓦斯的运动方向和速度。
2. 气体扩散模型气体扩散模型是研究煤层瓦斯扩散运动规律的关键模型之一。
煤层瓦斯的扩散运动遵循菲克定律，即扩散速度正比于浓度梯度，并与温度和压力等因素有关。
通过建立气体扩散模型，可以预测煤层瓦斯的浓度分布。
3. 吸附解吸模型煤层瓦斯在煤矿中的运动过程中，会与煤层表面发生吸附反应。
吸附解吸模型用于研究煤层瓦斯与煤层表面的作用，预测煤层瓦斯的吸附和解吸过程，这是研究煤层瓦斯运移规律的重要因素。
通过建立吸附解吸模型，可以预测煤层瓦斯在煤矿中逐步释放的速度和浓度。
4. 两相流模型在煤层瓦斯运动过程中，煤层瓦斯和煤层水形成了一种两相流的状态。
两相流模型是研究煤层瓦斯和煤层水在煤矿中运动交互关系的模型。
通过建立两相流模型，可以预测煤层瓦斯和煤层水之间的相互作用，以及它们在地下的运动规律。
总之，煤层瓦斯运移的数学模型是一种复杂的模型，需要考虑许多因素，但它对于研究煤层瓦斯在地下运移规律具有重要意义。
通过该模型的预测和仿真，可以指导煤矿生产和安全管理，减少煤层瓦斯爆炸的危险。
袁亮—煤层瓦斯流动理论研究
图 1 瓦斯气体的扩散式 a1 菲克型扩散 b1 诺森型扩散 c1 过渡型扩散
由于多孔特性及其大分子结构 ,煤是一种良好 的吸附剂 ,当瓦斯气体分子被强烈地吸附于煤的固 体表面时 ,就产生表面扩散 。对吸附性极强的煤来 说 ,表面扩散占有很大比重 。当孔隙直径与瓦斯气 体分子尺寸相差不大 ,压力足够大时 ,瓦斯气体分子 就会进入微孔隙中以固溶体存在 ,发生晶体扩散 ,在 煤体扩散中一般比较小 。
分子则可能进入芳香层缺陷或煤物质大分子之间 ,
发生晶体扩散 。当孔隙半径与瓦斯气体分子大小相
差不大 ,且压力足够大时 ,瓦斯气体分子可以进入到
煤微孔隙中以固溶体 (取代式固溶体 、填隙式固溶
体) 形式存在 ,且不易脱附 。
晶体扩散通量与瓦斯气体分子的化学位梯度成
比例 ,即
J=
-
BC
5 5
u x
=
-
BRT
和煤层的温度等有关 。
2. 3 过渡型扩散
当 0. 1 < Kn < 10 时 ,孔隙直径与瓦斯气体分子 的平均自由程相近 ,分子之间的碰撞和分子与壁面
的碰撞同样重要 ,扩散过程受两种扩散机理的制约 ,
在恒压下其有效扩散系数与菲克扩散和诺森扩散系
数的关系为
1 Dpe
=
1 Dfe
+
1 Dke
(9)
2. 4 表面扩散
;
Df ———菲克扩散系数 ,m2Πs ;
C ———瓦斯气体的浓度 ,kgΠm2 。
等式中由于扩散是沿着浓度减少的方向进行
的 ,而扩散系数总是正的 ,故式中要加一个负号 。由
于孔道是弯曲的各种形状 ,同时又是相互连通的通
道 ,所以扩散路径因孔隙通道的曲折而增长 ,孔截面
煤层瓦斯赋存及流动规律的研究和分析
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。
煤体内瓦斯的物理特性和流动理论分析
X ＝Bnp ＋１a＋bpbpf(t)������f(m)������F(v) 或:
煤体的抗压强度是指煤体发生破坏时的最大压 应力[１],也就是说当压力达到一定的数值时,煤体 就 会发生破坏,可以把 煤 与 瓦 斯 突 出 的 过 程 看 成 煤 体 破 坏 的 过 程 ,通 常 发 生 突 出 的 是 坚 硬 的 煤 体 ,发 生 突 出一般是在煤体 发 生 破 坏 时. 研 究 煤 体 的 突 出,就 是要了解煤体强度的承受极限 . [２] １．２ 钻 孔 周 围 煤 体 应 力 及 其 破 坏
图 １ 煤 样 １ 的 力 － 位 移 曲 线
图 ２ 煤 样 ２ 的 力 － 位 移 曲 线
２．２ 压 缩 实 验 分 析 由 图 １~ 图 ３ 可 知 ,煤 样 １ 最 大 力 为 １６５９N,抗
压 强 度 为０．２４ MPa;煤 样２ 最 大 力 为６７８N,抗 压 强
４６
采 矿 技 术
煤体 在 未 受 到 外 界 采 掘 的 影 响 时,煤 体 的 应 力 处于平衡状 态 . [３] 在 煤 体 中 打 钻 孔 后,应 力 平 衡 遭 到破破 坏,瓦 斯含量和煤体透气 性 会 改 变,煤 体 中 瓦 斯 的 运 移 及 瓦斯压力会受到影响.
１ 煤 体 的 物 理 特 性
１．１ 煤 体 的 吸 附 特 性 与 强 度 煤 体 内 部 的 表 面 积 很 大 ,它 是 一 种 多 孔 介 质 ,煤
体内部面积给煤体 吸 附 气 体 创 造 条 件,在 孔 隙 的 内 表面产生剩余力量,孔 隙 表 面 的 一 些 气 体 分 子 吸 附 这 种 剩 余 力 量 ,被 吸 附 的 是 比 较 容 易 液 化 的 气 体 ,液 化越容易被吸附就越容易.
教学课件：第三章-煤层瓦斯流动理论
有限元法
将求解区域划分为一系列 小的单元，用有限元方程 组代替微分方程进行计算。
有限体积法
将求解区域划分为一系列 小的体积，用控制体积的 方法进行计算。
04
煤层瓦斯流动的实验研究
实验设备与实验方法
实验设备
瓦斯流动实验装置、气体流量计 、压力传感器、温度计等。
实验方法
在实验装置中，将煤样置于模拟 的煤层环境中，控制温度、压力 等参数，测量瓦斯流量、压力等 数据。
吸附状态的瓦斯与煤的表面结 合，不易释放；游离状态的瓦 斯则自由存在于煤的孔隙中。
随着煤层压力的变化，瓦斯在 吸附状态和游离状态之间会发 生转化。
瓦斯流动的基本规律
瓦斯流动受到压力、温度、气体 组分、煤的孔隙结构等因素的影
响。
在煤层开采过程中，瓦斯会从高 压力区域向低压力区域流动，同
时受到温度梯度的影响。
工生命安全。
瓦斯抽采方法
根据煤层赋存条件和瓦斯来源，瓦 斯抽采方法可分为地面钻孔抽采、 井下钻孔抽采和巷道抽采等。
瓦斯抽采技术发展
随着科技的不断进步，瓦斯抽采技 术也在不断发展，如高压瓦斯抽采 技术、深部煤层瓦斯抽采技术等。
瓦斯利用技术
瓦斯利用技术概述
瓦斯利用技术是将矿井中抽采出 的瓦斯进行净化处理，转化为符 合要求的燃气或能源，实现资源
教学课件：第三章-煤层 瓦斯流动理论
• 引言 • 煤层瓦斯的基本性质 • 煤层瓦斯流动的理论基础 • 煤层瓦斯流动的实验研究 • 煤层瓦斯流动的实际应用 • 结论与展望
01
引言
课程背景
01
煤层瓦斯流动理论是采矿工程学 科中的重要内容，涉及到煤层中 瓦斯流动的规律和特性。
02
随着采矿工业的发展，对煤层瓦 斯流动理论的研究和应用越来越 受到重视，对于提高煤矿生产安 全和效率具有重要意义。
第三章煤层瓦斯流动理论
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
单向流动示意图 1- 流线；2-等压线；3-巷道
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
径向流动示意图 1- 流线；2-等压线；3-钻孔
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
球向流动示意图 1- 揭开煤层的掘进工作面；2-等压线；3-流线
一、煤层瓦孔瓦斯流动方程解算程序的应用
根据前面推导的有限差分方程式（3-38），在 matlab平台上编制了求解钻孔瓦斯流动的计算机程序。 该程序可全屏幕输入各已知参数，包括煤层的原始瓦斯 压力、透气性系数、吸附常数，并模拟抽采钻孔周围煤 层中瓦斯流动状况，计算一段时间范围内钻孔周围煤层 瓦斯涌出参数、最佳抽采参数及煤层瓦斯压力与孔壁距 离、抽采时间的关系。
二、瓦斯流动理论及其模型
2.1.4 非线性瓦斯流动理论
✓低雷诺数区，Re<1~10，粘滞 力占优势，属于线性层流区域， 符合达西定律。
✓中雷诺数区， Re的上限为100， 为非线性层流区域，服从非线性 渗透定律。
✓高雷诺数区， Re>100 ，为紊 流，惯性力占优势，流动阻力和 流速的平方成正比。
二、瓦斯流动理论及其模型
2.1.3 瓦斯流动模型的简化 2.1.3.1 一维瓦斯流动方程
煤层瓦斯沿垂直于煤壁的方向流动，可以将其视为一维的平行瓦斯流动。 为了便于计算 进行如下转换 初始条件： 边界条件：
瓦斯流动控制体示意图
二、瓦斯流动理论及其模型
2.1.3.2 二维瓦斯流动方程
无论是煤层穿层孔还是顺层孔，钻孔周围的煤层瓦斯均沿径向流入钻孔。 直角坐标系下二维瓦斯流动方程
二、瓦斯流动理论及其模型
2.1.2 数学模型
二、瓦斯流动理论及其模型
煤层瓦斯赋存与流动理论
落实
4
煤层瓦斯资源特点
01
赋存丰富：煤层瓦斯资源广泛分布于世界各地的煤层中
02
易燃易爆：煤层瓦斯具有易燃易爆的特性，需要严格控制开采和利用过程中 的安全
03
污染环境：煤层瓦斯燃烧会产生大量的有害气体，对环境造成污染
04
资源价值高：煤层瓦斯是一种清洁能源，具有较高的资源价值和经济价值
煤层瓦斯燃烧：煤层中瓦斯浓度过高，遇到 火源发生燃烧
煤层瓦斯窒息：煤层中瓦斯浓度过高，导致 人员窒息死亡
煤层瓦斯灾害防治技术
01
通风技术：通过通风系统降低瓦斯浓
度，防止瓦斯积聚
02
抽采技术：利用抽采设备将瓦斯抽出，
降低瓦斯浓度
03
监测技术：通过监测设备实时监测瓦
斯浓度，及时发现瓦斯异常
04
防护技术：使用防护设备，如防爆设备、
03
煤层瓦斯流动速度与渗透率、压力 梯度等因素有关
04
煤层瓦斯流动受地层构造、断层等 地质条件影响
煤层瓦斯流动受采煤活动、注水等 0 5 工程活动影响
煤层瓦斯流动规律是预测瓦斯涌出 0 6 量、制定瓦斯治理措施的重要依据
影响煤层瓦斯流动的因素
煤层厚度：煤层 厚度越大，瓦斯 流动越容易
煤层渗透率：煤 层渗透率越高， 瓦斯流动越容易
煤层瓦斯赋存规律
煤层瓦斯赋存与煤层厚度、 煤质、煤层结构等因素有关
煤层瓦斯赋存具有明显的层 状分布特征
煤层瓦斯赋存受地层压力、 地温等因素影响
煤层瓦斯赋存与煤层开采过 程密切相关，开采过程中瓦 斯含量和分布会发生变化
煤层瓦斯含量影响因素
煤层厚度：煤层 厚度越大，瓦斯 含量越高
瓦斯赋存与流动理论
瓦斯压力主要取决于相对位置x/L和时间准数F0， F0取决于煤层透气系数、煤层原始瓦斯压力，煤层 瓦斯含量系数以及排放瓦斯的时间。
16
17
2.2 瓦斯在均质有限煤层的单向不稳定流动 随着时间的增大， F0增大，瓦斯压力逐渐下降 并向煤层内部传递。 煤层中瓦斯流动过程约左F0>1.5时结束。 一般认为瓦斯涌出阶段在F0<1.5时结束。
同理可以得到非均质煤层掘进巷道瓦斯涌出量。
24
瓦斯在煤层中流动
在大多数情况下，瓦斯在煤层中的流动服从达西
定律。 以前认为达西定律适用于层流，现在认为层流的 范围要比达西定律适用的范围大得多。 瓦斯在煤体中的流动可以分为三个区域： 低雷诺数，Re<1~10，线性层流区，符达西定律。 中雷诺数，10≤Re≤100，非线性层流，服从非线 性渗透定律， 高雷诺数，Re>100，紊流，流动阻力与流速平方 成正比。
1.4 煤层中的瓦斯流动状态分类 2、瓦斯单向流动计算 2.1 瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动
2.2 瓦斯在均质有限煤层的单向不稳定流动
2.3 瓦斯在实际煤层的单向不稳定流动 3 瓦斯在煤层中单向流动理论的应用
8
2.1 瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动
满足的流动方程：质量守恒定律，运动方程
q gradp
若介质各向异性
则为二阶张量。
11
2.1 瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动 K dp dp u 运动方程 dx dx
dP qn dn
BK / 2pn
P p
2
q-比流量，1大气压，t℃时，1m2煤面上流过的瓦 斯流量，m3/(m2.d)； P－瓦斯压力的平方，P＝p2； p－在位置n处的瓦斯压力，MPa； λ－煤层透气系数，m2/(MPa2.d)； B－单位换算系数； K－煤层的渗透率，m2； Pn－1个大气压。
煤层气排采知识点
煤层气排采知识点绪论瓦斯主要由高等植物经烷基化作用形成。
以高等植物为主的成煤原始质料在沼泽中细菌参与下经生物降解作用形成活泥炭，泥炭经成岩作用形成褐煤，再经变质作用有机质发生热裂解形成烟煤和无烟煤。
瓦斯的基本特征1、瓦斯储层是孔隙裂隙双重介质结构微孔体系:大孔体系:吸附量占80-90%，游离瓦斯量占10-20%。
2、瓦斯的赋存状态3、瓦斯的运移方式微孔-大孔-微裂纹-裂隙-裂缝煤体是由若干尺寸小于极限颗粒组成，在尺寸小于极限粒度的煤粒中，瓦斯流动是扩散运动，符合菲克定律。
煤粒在尺寸大于极限粒度的煤粒中，瓦斯的流动是渗流运动，符合达西定律。
煤储层渗透率大小受多种地质因素影响，其中地应力是最主要的因素。
基质收缩:煤层气的产出，钻孔周围的瓦斯含量与压力下降，煤体会发生收缩变形，使得煤层中的裂缝张开，增大钻孔周围的煤层透气系数。
如天府矿务局刘家沟煤矿，抽放瓦期前，瓦斯原始最高压力是4.6MPa，抽放后压力下降到0.5MPa，透气性增大到原来的60倍。
国际精细应用化学联合会分类:大孔>50nm;中孔2-50nm;微孔<2nm。
微孔:就是指在相当于滞后回线开始时的相对压力下已经被完全充填的那些孔隙，它们相当于吸附分子的大小。
微孔容积约为0.2-0.6cm3/g，而其孔隙数量约1020个，表面积500-1000m2/g。
中孔:是那些能发生毛细凝聚使被吸附液化而形成弯液面，从而在吸附等温曲线上出滞后回线的孔隙。
大孔在技术上是不能实现毛细凝聚的。
孔洞、裂隙孔洞:气孔、植物残余组织孔、溶蚀孔、铸模孔、晶间孔、原生粒间孔、缩聚失水孔裂隙:内生和外生孔:通孔、盲孔、封闭孔、开式孔不同形态的孔对于瓦斯运移作用是不同的，孔的通道是构成煤体中流体渗流的主要通道，盲孔虽然与孔的通道相连接，但对流体的渗流没能贡献，其中的流体以扩散的开工运移达到孔的通道，敞开孔与自由面相通，其中的流体扩散至自由空间中，敞开孔对流体渗流没有贡献，由于封闭孔与其他孔不连通，其中的流体处于封闭状态。
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二、瓦斯流动理论及其模型
2.1.5 地物场效应的煤层瓦斯流动理论
随着煤层瓦斯流动机理研究的深化，许多学者 用流体—岩石相互作用机制认识煤层内瓦斯运移 过程，充分发展和考虑地应力场、地温场以及地 电场等地球物理场作用下的煤层瓦斯运移耦合模 型及数值方法，使理论模型更能反映客观事实， 以及进一步完善理论模型及测试技术和手段，成 为当今推动煤层瓦斯渗流力学向前发展的主流方 向。
二、瓦斯流动理论及其模型
2.2 瓦斯流动方程 2.1.1 基本假设 煤层中的原始瓦斯压力，温度和含量相同； 煤层的透气性系和孔隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响， 且处处相等； 煤层瓦斯流场内，温度保持不变，并服从理想气体状态方程 ； 瓦斯为理想气体，瓦斯在煤层中的流动为层流渗透，且服从 达西定律； 煤层瓦斯含量有游离瓦斯和吸附瓦斯组成，可以用抛物线方 程近似计算； 瓦斯的吸附、解吸是动态平衡，瓦斯的吸附、解吸是瞬间完 成的； 由于煤层顶底板透气性与煤层相比要小得多，可将其视为不 透气层，且其中不含瓦斯。
诺森型扩散
过渡性扩散
二、瓦斯流动理论及其模型源自对于含瓦斯煤体来说，一般Kn ≥10，由于孔隙直径远大于瓦斯气 体分子的平均自由程，因此扩散是由于瓦斯气体分子之间的无规
则运动引起的，可以用菲克扩散定律去描述。
菲克定律:
J—瓦斯气体通过单位面积的扩散速度，kg/(s ·m2) δ C/δX—沿扩散方向的浓度梯度 Df —菲克扩散系数，m2/s C —瓦斯气体的浓度， kg/ m2
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。
2.1.1 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）
达西定律:
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 —与流体流动方向一致的极小长度，m dp —在dx长度内的压差，Pa
具有固定的瓦斯源； 出口和入口的瓦斯压力不随时 间而变化；
煤层仅仅是瓦斯流过的通道， 所以流场各个点的瓦斯压力也不 变。
非稳定流场
没有固定的瓦斯源，煤层既是
在非稳定性流场中，流场中 瓦斯的来源又是瓦斯流过的通道；
任何一点的瓦斯流速、流向 随着瓦斯的不断流出，煤层内
和压力都随时间而发生变化，瓦斯压力不断降低，流动场不断
瓦斯气体分子在煤层内有效扩散系数：扩散路径因孔隙通道的曲折 而增长，孔截面收缩使扩散流动阻力增大，实际扩散通量减少。
J—瓦斯气体在煤层内的有效扩散系数，m2/s θ—有效表面孔隙率 τ —曲折因子，为修正扩散路径变化而引入的。
二、瓦斯流动理论及其模型
2.1.3 瓦斯渗透-扩散理论
瓦斯渗透与扩散理论认为，煤层内瓦斯运动是包 含了渗透和扩散的混合流动过程。煤层中存在相互沟 通的裂隙网络，沿着这些裂隙网络，游离瓦斯流向低 压工作面，而煤体的渗透率与该裂隙网络密切相关。 与此同时，块煤内部的瓦斯解吸，向裂隙扩散，因此 煤层中瓦斯的渗透率和介质的扩散性共同决定了瓦斯 的流动状况。
二、瓦斯流动理论及其模型
2.1.2 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Kn：
d—孔隙平均直径，m λ—气体分子的平均自由程，m
扩散分类
诺森数 Kn
Kn≥10
Kn≤0.1
0.1＜Kn＜10
分类
菲克型扩散
单向流动
备注
开始为径向流动，排放一段 时间后，转化为单向流动
钻孔
穿层钻孔（ 包括地面钻孔）
顺层钻孔
径向流动 单向流动
开始为径向流动，抽采一段 时间后，转化为单向流动
一、煤层瓦斯流场分类
按流场的稳定性分类
分类 稳定流场
定义
特点
在稳定流场中，任何一点的 瓦斯流速、流向和压力均不 随时间而变化，故而称其中 的瓦斯流动为稳定性流动
安全工程专业
矿井瓦斯防治
程远平 王亮
中国矿业大学 安全工程学院 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心
第三章 煤矿瓦斯流动
一、煤层瓦斯流场分类 二、瓦斯流动理论及其模型 三、瓦斯流动模型的应用
1 煤层瓦斯流场分类
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动
煤层瓦斯流动方式
孔隙直径为10-5～10-4，瓦斯流动表现为自由扩散或慢速的层流渗透 孔隙直径为10-4～2×10-4 cm，瓦斯流动为层流渗透 孔径大于 2×10-4 cm，瓦斯流动表现为层流渗透或层流与紊流的混合过渡流 孔隙直径小于10-5 cm，瓦斯流动属于分子扩散 孔径小于3×10-7cm，出现瓦斯表面扩散和固体中的扩散
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
单向流动示意图 1- 流线；2-等压线；3-巷道
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
径向流动示意图 1- 流线；2-等压线；3-钻孔
一、煤层瓦斯流场分类
煤层瓦斯流动形态
球向流动示意图 1- 揭开煤层的掘进工作面；2-等压线；3-流线
一、煤层瓦斯流场分类
其内的瓦斯流动为非稳定性 扩大；
流动
各点的瓦斯压力和压力梯度也
在改变。
一、煤层瓦斯流场分类
按流场的稳定性分类
1－成面后几小时 2－成面后4d 3－成面后10d 4－成面后15d 5－面后55d 6－成面后150d （稳定）
2 瓦斯流动理论及其模型
二、瓦斯流动理论及其模型
2.1 瓦斯流动理论
二、瓦斯流动理论及其模型
2.1.4 非线性瓦斯流动理论
低雷诺数区，Re<1~10，粘滞 力占优势，属于线性层流区域， 符合达西定律。
中雷诺数区， Re的上限为100， 为非线性层流区域，服从非线性 渗透定律。
高雷诺数区， Re>100 ，为紊 流，惯性力占优势，流动阻力和 流速的平方成正比。
煤矿常见的流场分类
上述三种流动是按照流场的空间流向分类的基本形式。在实际煤矿中， 由于煤层的非均质性、煤层顶底板岩性的多变性等自然条件的不同，实际 井巷和钻孔中的瓦斯流动是复杂的，有时可能是几种基本流动的综合。
工程分类 煤层中的位置
巷道
巷道高度< 煤层厚度 巷道高度≥煤层厚度
流场类型 单向流动