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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，
2、吸附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：煤层瓦斯；瓦斯含量；膨胀应力；渗透率； 瓦斯运移AbstractMethane transport in coal are generally regarded as the total effects of Poisuilles Flow,Molecutar streaming, Surface Flow and Bulk Diffusi
3、on 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 basic to
4、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.Presents
5、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目 录摘 要1Abstract2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第三章 实验结果与分析23第一节 瓦斯含量测定结果与分析23
6、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引 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(Surface 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，
7、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
8、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
9、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；3. 煤体吸附瓦斯所产生的膨胀变形和膨胀应力的实验考
10、察与分析；4. 应力与空隙压力对透气性的影响的实验研究；5. 煤层瓦斯流动方程的确定和计算机数值模拟与分析。第一章 概 述第一节 国内外研究现状瓦斯在煤体中运移的基本规律，国内外做过很多的研究。一是以菲克定律（扩散理论）为基础的实验研究；二是以达西定律（渗流理论）为基础的实验研究。P.Gsevenster（19852）用单毛孔扩散模型的吸附动力学方程式： （1-1-1）式中：D是扩散系数，、是恒压系统在时间为0、t达到吸附平衡时的吸附气体量，S是试样的内表面积，V是试样的体积。整理粒状煤样在低恒压条件下吸附的实验数据，得到了氧气和水蒸气在煤体中的扩散系数为10-13（cm3/s）的数量级。他还
11、用P.C.Carman（1950）提出的确定微孔隙中表面扩散的方程式： （1-1-2）式中，是表面渗透率，Ds是表面扩散系数，s是煤样的固体密度，是孔隙率，p是煤样两边的压力差，w是煤样两边的吸附量之差，吸附量以吸附等温线上获得。/是试样的总渗透率，/是计算气体渗透率，其中N1是分子量为M1的非吸附性气体的能流速度（尔格/s）。A是煤样的横截面积，L是煤柱长度或厚度。在薄片状煤样上测定计算了甲烷、氧气和水蒸气等气体在煤体中的扩散系数为10-11（cm2/s）的数量级。其中甲烷的气相扩散系数为1.310-11，吸附表面扩散系数为1.510-11，即表面流动占总流动的一半以上。方程1-1-1只是在
12、Qt/Q0.7时，试验点则完全偏离（低）方程曲线。根据方程1-1-1预测的吸附平衡时间比实际的平衡时间约高一个数量级。艾雷（Airey，1968）根据不同煤样的瓦斯解析实验结果，提出了下述预测瓦斯解析的经验方程式： （1-1-3）并指出方程1-1-1对于描述瓦斯解析的全过程是不适用的。西蒙斯和凯瑟尔（Thimons and Kissell,1973）是唯一用流动实验的方法测定甲烷和氮气在煤体中的扩散系数，实验是在恒温、压力变化范围在0.72.7大气压下做的，并得出以下结论：1）吸附相瓦斯的表面运移与气相瓦斯的运移相比较，前者可以忽略不计；2）稳态扩散系数在10-410-5（cm3/s）的数量级
13、；3）非稳态扩散系数是稳态扩散系数的0.510倍。对于吸附相瓦斯的运移，西蒙斯和凯瑟尔的结论与赛文斯特的结论完全相反。道格拉斯和弗朗克（Douglas and Frank,19823）对此做出了评述，认为两者研究结果的相互矛盾归因于煤的微孔隙（micropore）和宏孔隙（macropore）结构上的差别，并针对单毛管扩散模型的方程1-1-1与实验结果的差距，提出了双球孔隙扩散模型（bidisperse pore diffusion model）,即将煤粒视为由许多半径相同的微球体中作扩散运动，同时在微球体所形成的孔隙中作渗流，并建立了扩散方程式： （1-1-4） （1-1-5）初始条件和边界
14、条件为 Ci(0, r i)=C0 （1-1-4）, Ca(0, r a)=C0 (1-1-5)采用积分变换法方程（1-1-4），（1-1-5）的解为 （1-1-6）提出了确定双球模型参考的试验方法，实验结果与理论方程式一致。在建立了理论模型的基础上，道格拉斯和弗朗克提出了在若干个不同压力下和极低的压差下，测定吸附性和非吸附性气体的扩散，来确定克努森扩散（即分子滑流）、表面扩散和固体扩散的相对大小。虽然道格拉斯和弗朗克建立了双球扩散模型的理论方程式，与实验结果一致，但方程复杂，参数的确定较为困难，还未见有使用价值。国内抚顺煤研所（19834）等单位，通过现场实验研究，提出了用瓦斯解吸速度法在井下测定煤层瓦斯含量的公式：
