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。

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：
dx
dp 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
0.110
n 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。

在大量试验研究的基础上提出了更能符合瓦斯流动的基本规律—幂定律(Power Law)。

()m x dP q dx λ=-
式中 x q —在x 点的比流量.m 3/(m 2·d)；
m —渗透指数.m =1~2.
该理论用于雷诺数区
R=10~100，此时为非线性层流区域。

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4.地物场效应的煤层瓦斯流动理论
该理论认为地应力场、地温场及地电场应力史对瓦斯流动场也有重要影响应该考虑进去，修正达西定律和幂定律。

图1 瓦斯气体的扩散模式
a. 菲克型扩散
b. 诺森型扩散
c. 过滤型扩散
4 总结
（1）分析了煤层瓦斯的赋存规律，介绍了影响煤层瓦斯赋存的影响因素。

（2）分析了瓦斯在煤层中运移的基本参数包括瓦斯压力和煤层透气系数，并介绍了瓦斯在煤层中的运移规律。

（3）论述了几种瓦斯流动理论、包括线性理论、瓦斯扩散理论和瓦斯渗透—扩散理论等多种理论，并介绍了它们的应用范围。

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