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1、硕士研究生学位论文瓦斯在媒体中运移基本特性研究Experiment Reserch to the Basic Laws of Methane Transport in coal作 者： 罗新荣导 师：周世宁教授中国矿业学院北京研究生部一九八五年四月研究生毕业论文1摘 要瓦斯在煤体中的运移一般被认为是泊稷叶流动、分子滑动、吸附相瓦斯的表面流动和固体中的扩散的综合效应。本文在评述前人研究工作的基础上，通过物理模拟和数值模拟初步探索了瓦斯在煤体中运移的基本规律。在研究煤体的瓦斯吸附动力学问题时，吸附相瓦斯参与的过程占有重要的低位，因而要以菲克定律（扩散理论）为研究基础；当研究瓦斯缓慢流动问题时，吸附
2、相瓦斯的运移占有极其次要的低位，因而以达西定律（渗流理论）为研究基础。分析了应力、孔隙压力对瓦斯流动的影响，确定了瓦斯在煤层中流动的本构假设，应用电子计算机分析了煤层瓦斯单向流动方程，提出了煤层中给定应力和给定变形的两个基本概念对瓦斯流动的影响。关键词关键词：煤层瓦斯；瓦斯含量；膨胀应力；渗透率； 瓦斯运移研究生毕业论文2AbstractMethane transport in coal are generally regarded as the total effects of Poisuilles Flow,Molecutar streaming, Surface Flow and Bul
3、k Diffusion of adsorped methane.This paper reviews the basic laws of methane transport in coal through physical simulating test and numerical computer simulation. When reserching the dynamics questions of methane adsoeped,the transport of methane adsorped dominates and Diffusion Theory-Ficks Law is
4、basic to study.When studying the question of methane slowly flowing,the transport of methane adsorped is too less to be negligible as compared to gas-phase methane transport and percul-ation theory-Darcys Law is basic to study.Analyzes the effects of stress and pore pressure on methane flow in coal.
5、Presents the concepts of determined stress and determined strain effect on methane flow.Key words: Methane in coal；Content of gas ；Swelling stress ；Percolation rate ；Methane Transport研究生毕业论文3目 录摘 要.1Abstract.2引 言.4第一章 概 述.5第一节国内外研究现状.6第二节实验分析的理论基础与基本概念.10第二章 实验方法.16第一节 实验材料.16第二节实验技术.18第三节 实验过程.19第三
6、章 实验结果与分析.23第一节 瓦斯含量测定结果与分析.23第二节 粉煤成型煤样吸附瓦斯的膨胀应力与渗透率.27第三节 块煤试样的渗透率.33第四章 瓦斯在媒体中运移的基本特征.40第一节 瓦斯在媒体中运移的基本特征.40第二节 煤层瓦斯涌出特性.41第五章 煤层瓦斯单相流动分析.43第一节 煤层瓦斯单相流动方程.43第二节 煤层瓦斯单相流动方程的数值模拟与分析.45第六章 结论.49谢 辞.51参考文献.52研究生毕业论文4引引 言言瓦斯在煤体中的运移一般被认为是泊稷叶流动（Poiseuiles Flow） 、分子滑动(Molecular Streaming)、吸附相瓦斯的表面流动(Surf
7、ace Flow)和固体中的扩散(Bulk Diffusion)的综合效应。当研究煤的吸附动力学特性时，表面运移和固体扩散占有很重要的低位；而在研究瓦斯流动的各种问题时，吸附相瓦斯占有极其次要的地位；分子滑流效应仅在低压下显著。因此，瓦斯在煤体中的运移，达西定律的适用是有条件的。在矿井生产过程中，由于采掘工程的影响，破坏了原岩应力场的平衡和瓦斯压力的平衡，形成采掘工作面周围空间的应力重新分布和瓦斯流动。在影响瓦斯流动的基本参数（瓦斯压力 P，煤层透气性系数 和含量系数 ）中，地应力对煤的透气性起着决定性的作用，而透气性的大小对瓦斯的保存与排放、瓦斯压力的分布起着重要的作用。煤与瓦斯突出又与瓦斯
8、的排放和压力的分布有着重要的联系。瓦斯压力对煤体中的孔隙起着一定的支撑作用，但煤体的吸附能力和瓦斯密度的增大对流动通道有着一定的阻碍作用。研究煤层瓦斯运移的基本规律，对完善瓦斯流动理论和防治瓦斯有着重要的意义。研究煤的吸附动力学特性，包括煤的吸附能力、吸附或解吸时的动力特性以及煤吸附瓦斯时的物理化学变化，对研究瓦斯运移和煤与瓦斯突出的机理具有重要意义。研究地应力、瓦斯压力、煤的吸附能力以及煤吸附瓦斯时所产生的膨胀变形与膨胀应力对煤层透气性的影响，可以为解放层的开采以及解放范围的确定提供一定的理论依据，还可以为矿井瓦斯抽放提供可靠地抽放参数，达到工程最简，抽放效果最佳的经济效益，还可以对采掘工作
9、面的瓦斯涌出进行预测，为矿井的通风设计提供理论依据；并且对确定采掘工作面前方煤体中的瓦斯压力分布，进而采取降低瓦斯压力梯度防止突出的措施有重要的指导意义。煤层作为非正规天然气的生气层和储气层，研究瓦斯在煤层中运移的基本规律，对开采煤层气，解决矿井瓦斯问题，充分利用资源以及煤的地下气化都具有重要意义。本专题研究以物理模拟和数学模拟两个方面进行初步探索应力、空隙压力和西覅能力对煤体透气性的影响，分析了回采工作面和回采巷道煤壁周围在地应力和孔隙压力影响下的透气性的变化和瓦斯压力的分布，以期对瓦斯流动理论有所裨益，对生产实际有所帮助。研究工作主要侧重于一下几个方面：1. 达西定律适用性的实验考察与分析；2. 分子滑流效应与煤体吸附能力对透气性影响的实验研究；研究生毕业论文53. 煤体吸附瓦斯所产生的膨胀变形和膨胀应力的
