矿井瓦斯涌出

大多数情况下，煤层的瓦斯流动表现为服从Darecy定律。
② 非线性渗透定律----日本
V
n
a
dP dl
m
式中 Vn----无因次流速； a------煤的瓦斯渗透性系数；
m----指数；
dP ----无因次瓦斯压力梯度。
dl
③ 渗透微分方程
由Darcy定律和质量守恒定律，可推导得：
P
t
(P)
说明：（1）煤层透气性系数相差很大。 （2）与地压的关系。
0e b
4、煤层透气性系数的测定(自学) （1）中矿法----钻孔流量法 （2）马可尼法----压力恢复法。
§2.2 煤层瓦斯涌出量及主要影响因素
一、瓦斯涌出的概念 1、瓦斯涌出量的含义 ---- 指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。 它是确定矿井瓦斯等级、进行矿井通风计算等方面的依 据。
V
K
dP
k
dp 2
dP
dl 2p0 dl
dl
即： k
2p0
煤层瓦斯透气性系数，m2/MPa2.d
物理意义：断面为1m3的煤体两侧， 瓦斯压力平方梯度为1MPa2/m时， 流过的流量恰为1m3/d时的介质 透气性。
Mpa/m Q=1m3/d
S=1m2
注意：λ表示给定气体在给定孔隙介质内的流动特性， 对于其它气体必须根据它们的绝对粘度进行换算。
2、瓦斯涌出量表示方法 A）绝对瓦斯涌出量
—-- 单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min：
Qg=Q×C/100
式中 Qg－ 绝对瓦斯涌出量， m3/min； Q－ 风量， m3/min； C－ 风流中的平均瓦斯浓度，％。
B）相对瓦斯涌出量 ---- 矿井正常生产条件下，平均日产一吨煤所涌出的瓦斯体 积。
(P) 2
4P 3 /
P
4
三、煤层透气性系数
是煤层瓦斯流动难易程度的标志。
1、渗透系数（k）
Darecy定律，
V
K
P
l
k----渗透率，表示孔隙—裂隙介质特征的参数。
注：只与孔隙介质的孔隙多少、大小、形态、连通状 况等有关，与流体的性质和压力无关。
2、透气系数（λ）
利用等温气体状态方程（pv=p0v0）对Darecy表达 式进行变换得：
qg=Qg/A 式中：qg － 相对瓦斯涌出量，m3/t；
Qg － 绝对瓦斯涌出量，m3/d； A － 日产量，t/d 说明：
（1）相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同， 但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。
（2）相对涌出量的单位： m3/t，过去采用： m3/(t.d)是不正 确的。
3、瓦斯涌出强度----比瓦斯涌出量 ---- 单位时间（min or d），单位暴露面积（cm2 or m2） 涌出的瓦斯体积。 单位：m3/(d.m2)，m3/(min.m2)，cm3/(min.cm2)。
4、瓦斯涌出形式 ---- 指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式。
（1）普通涌出 ----长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。 特点：时间上：连续不断 空间上：普遍存在 涌出强度：缓慢、均匀。
l
式中：K----煤层的渗透率，m2；
μ----流体的绝对粘度，Pa.S;
P ----流体的压力梯度，Pa/m。
Re=10
l
V
Darecy定律适应范围讨论： a) 低Re区，Re＜1~10，为线性流，符合Darecy定律； b) 中Re区，Re=10~100，非线性渗流，不符合Darecy定律； c）高Re区， Re＞100，紊流区。
可用Fick定律描述，即：
dm D dc dt dl
式中：D----扩散系数； dc ----瓦斯浓度梯度；
dl
dt----时间增量； dm----在dt时间内通过单位面积的扩散量。
2、煤粒扩散运动方程
若煤层由服从Fick定律的煤粒组成，根据Fick定 律和质量守恒定律，得煤粒扩散运动微分方程。
X t
D
2 X r 2
2X rr
式中：X----煤粒瓦斯含量；
r----煤粒内任一点半径。
3、瓦斯渗透运动
瓦斯在中孔（＞1μm）以上的孔隙或裂隙内，由 于压差作用下而产生的运动。
流态：层流，粘性力为主，Re＜1~10。
紊流，惯性力为主
① 线性层流渗透定律----Darcy定律
表述式
V
K
P
P
l
（2）特殊涌出 ---- 矿井生产过程中，在某些特定地点、突然 地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。
特点：时间上：突然地、间隔的 空间上：非普遍存在
涌出强度：产生动力破坏。
二、掘进巷道的瓦斯涌出 1、煤巷掘进工作面瓦斯涌出的构成及变化 （1）瓦斯涌出构成
巷道壁、迎头煤壁、采落煤炭。 瓦斯涌出强度随时间 的涌出而降低。
第二章 矿井瓦斯涌出
包括：普通涌出和特殊涌出
§2-1 煤层瓦斯流动的基本规律
一、煤层瓦斯流场的分类
煤层内瓦斯流动空间的范围称为流场。流场内瓦 斯呈现流动。有一定的：流向、流速、dP 、dC 。
dl dl
1、按流场的流向分类
A）单向流动（一维）：在x、y、z三维空间中，只有一 向有流速。
如:薄及中厚煤层
G
掘进巷道
工作面
t
巷道壁面
采落煤炭
（2）时空不均匀性 机掘：开机后，瓦斯涌出量 逐渐增大，达到极限稳定值。
炮掘：放炮后（6~9min），瓦斯 涌出迅速增长（5~20倍），然后 下降经过一段时间恢复到初始值。
QCH4
机掘
t
QCH4
炮掘
➢ 时间与空间上存在瓦斯涌出与
t
浓度的不均匀性是种潜在危险。
2、排瓦斯带深度
掘进面,采煤工 作面煤壁。
瓦 斯 流 向 等压瓦斯线
瓦 斯 流 向
等压瓦斯线
B）径向流场 在x、y、z三维空间中，两个方向有流速。
Exp：石门、竖井、钻孔垂直穿透煤层时。 等压瓦斯线平行煤壁近似同心圆形。
瓦斯流场
等压瓦斯线
C）球向流场 在x、y、z三维空间中，三个方向均有流速。
Exp:厚煤层中煤巷掘进工作面煤壁内、钻孔或石门进 入煤层等。
G
t
G
t
ห้องสมุดไป่ตู้
当 t 达到一定时间后，
煤壁基本上不涌出瓦斯
2、流场稳定性分类----按流场在时间上有无变化 稳定流场----流场内任何一点的流速、流向、瓦斯压力 均不随时间变化。 非稳定流场----反之。
二、煤层瓦斯流动的基本定律 两类：扩散、渗流
1、瓦斯扩散运动 瓦斯在小孔（＜1μm）与微孔（ ＜0.1μm ）内
运移主要是扩散运动，即瓦斯分子在其浓度梯度作用 下由高浓度向低浓度方向运移。