文档介绍：第4章矿井瓦斯涌出
包括:普通涌出和特殊涌出
§4-1 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、、。
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
掘进面,采煤工
作面煤壁。
瓦
斯
流
向
瓦
斯
流
向
等压瓦斯线
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。
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( < )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。
可用Fick定律描述,即:
式中:D----扩散系数;
----瓦斯浓度梯度;
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。
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
式中:K----煤层的渗透率,m2;
μ----流体的绝对粘度,;
----流体的压力梯度,Pa/m。
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。
大多数情况下,煤层的瓦斯流动表现为服从Darecy定律。
V
Re=10
②非线性渗透定律----日本
式中 Vn----无因次流速;
a------煤的瓦斯渗透性系数;
m----指数;
----无因次瓦斯压力梯度。
③渗透微分方程
由Darcy定律和质量守恒定律,可推导得:
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,
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:
即:
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。
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。
说明:(1)煤层透气性系数相差很大。
(2)与地压的关系。
煤层瓦斯透气性系数,m2/
Mpa/m
Q=1m3/d
S=1m2
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。