矿井瓦斯防治论文讲解.docx

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矿井瓦斯防治论文讲解

煤矿瓦斯及其防治技术探讨

1、我国煤矿安全生产现状分析

我国95％的煤矿开采是地下作业。

煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8％至89.6％（2002－2005年）；煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71％。

煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。

由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下。

特别是煤矿重大及特大瓦斯（煤尘）灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。

实际上，这些瓦斯事故的发生不是偶然的，它是以往煤矿生产过程中存在问题的集中暴露，涉及许多方面。

既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及国家的体制、管理、经济政策，社会的传统观念，煤矿企业的文化素质等。

2、瓦斯赋存及流动规律

2.1瓦斯在煤层中的流动机理

瓦斯在煤层中的流动是一个十分复杂的运移过程，主要取决于煤层介质的孔隙结构和瓦斯在煤层中的赋存状态。

煤是一种多孔的微裂隙发育的介质，微裂隙间含有孔隙和大部分与微裂隙相连的毛细管通路，而孔隙和毛细管通路的数目是变化的，它们之间或多或少互有联系，其直径由几，变化到几不等。

瓦斯在煤层中主要是以吸附和游离状态赋存在煤体中的，其中呈游离状态压缩在微裂隙和大孔隙中的较少，大部分为吸附在煤体中。

根据煤体中的孔隙分布和煤层中的联系系统以及周世宁教授的研究表明：

瓦斯在煤层中的流动主要是层流渗透运动和扩散运动，其中前者基本上服从Darcy渗透定律，且主要发生在煤体大孔和微裂隙中；后者则基本上服从扩散定律，且主要发生在煤体微孔隙之中。

因此，瓦斯在煤体中的运动可以认为是一个扩散渗透的过程。

2.2煤的吸附理论及煤层瓦斯含量

2.2.1瓦斯赋存状态

煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态两种。

固体表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附2种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果，如图2-1所示。

在被吸附的瓦斯中，通常以将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。

在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%~90%，游离瓦斯量占10%~20%；在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。

在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态，吸附状态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中；当外界的瓦斯压力或温度发生变化或给予冲击和振荡、影响了分子的能量时，则会破坏其动态平衡，而产生新的平衡状态。

煤是一种多孔介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性，煤体表面吸附瓦斯量的多少，与煤体表面积的大小密切相关，而煤体表面积的大小则和煤体孔隙特征有关。

因此，煤体孔隙特征对吸附瓦斯有重要的作用。

1-游离瓦斯；2-吸附瓦斯；3-吸收瓦斯；4-煤体；5-煤中孔隙

图2-1煤体中瓦斯的赋存状态

2.2.2煤的吸附性及其影响因素分析

煤之所以具有吸附性是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力的不同所致，这种吸附性的大小主要取决于3个方面的因素，即：

一是煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；二是被吸附物质的性质；三是煤体吸附的环境条件。

由于煤对瓦斯的吸附是一种可逆现象，吸附瓦斯所处的环境条件就显得尤为重要。

煤中吸附瓦斯量的大小主要取决于煤化变质程度、煤中水分、瓦斯性质、瓦斯压力以及吸附平衡温度等。

（1）瓦斯压力。

实验研究表明：

在给定的温度下，吸附瓦斯量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化，如图2-2所示，从图中可以看出：

随着瓦斯压力的升高煤体吸附瓦斯量增大；当瓦斯压力大于3.0时，吸附的瓦斯量将趋于定值。

（2）吸附温度。

目前的实验研究表明：

温度每升高1，煤吸附瓦斯的能力将降低约8%。

其原因主要是：

温度的升高，使瓦斯分子活性增大，故而不易被煤体所吸附；同时，已被吸附的瓦斯分子又易获得动能，会产生脱附现象，使吸附瓦斯量降低。

（3）瓦斯性质。

对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力条件下，煤对二氧化碳的吸附量比甲烷的吸附量高，而对甲烷的吸附量又大于对氮气的吸附量。

图2-2吸附瓦斯量与瓦斯压力关系图

（4）煤的变质程度。

煤的瓦斯生成量及煤的比表面积和煤的变质程度有关。

一般情况下，从中等变质程度的烟煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速增加状态。

（5）煤中水分。

水分的增加会使煤的吸附能力降低。

目前可以采用俄罗斯煤化学家艾琴格尔的经验公式来确定煤的天然水分对甲烷吸附量的影响。

2.3煤层瓦斯流动理论研究

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。

2.3.1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（Dracy’slaw），1856年,法国水力学家Darcy通过实验总结出了著名的Darcy定律：

（1）

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/（MPa2·d）。

Darcy定律是在常温和常压条件下，各向同性砂柱中的一维流动过程实验得到的结果。

在直角坐标系中，若以vx,vy,vz表示三个坐标方向上的渗流速度分量，就得到三维流动下的Darcy定律：

（2）

Darcy定律有一定的适用范围，超出这个范围就不再符合Darcy定律了。

雷诺数Re是个无量纲的数，用来表示作用在流体上的惯性力和粘滞力之比，它是判别层流和紊流的准则。

同样，多孔介质流体的雷诺数Re为：

（3）

式中：

d———孔隙骨架的代表性长度，m；

v———流体的渗流速度，m/s；

γ———流体的运动粘滞系数，m2/s。

　　经验表明,当Re在1～10之间时,属低雷诺数区,粘滞力占优势,流体的运动符合Darcy定律。

2.3.2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

（4）

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。

Kn≥10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，而分子和毛细管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Kn≤0.1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0.1

由于多孔特性及其大分子结构，煤是一种良好的吸附剂，当瓦斯气体分子被强烈地吸附于煤的固体表面时，就产生表面扩散。

对吸附性极强的煤来说，表面扩散占有很大比重。

当孔隙直径与瓦斯气体分子尺寸相差不大，压力足够大时，瓦斯气体分子就会进入微孔隙中以固溶体存在，发生晶体扩散，在煤体扩散中一般比较小。

1、菲克型扩散

当Kn≥10时，由于孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程，因此扩散是由于瓦斯气体分子之间的无规则运动引起的，可以用菲克扩散定律去描述，即

（5）

式中：

J———瓦斯气体通过单位面积的扩散速度，kgP（s·m2）；

　　———沿扩散方向的浓度梯度；

　　Df———菲克扩散系数，m2/s；

　　C———瓦斯气体的浓度，kg/m2。

等式中由于扩散是沿着浓度减少的方向进行的，而扩散系数总是正的，故式中要加一个负号。

由于孔道是弯曲的各种形状，同时又是相互连通的通道，所以扩散路径因孔隙通道的曲折而增长，孔截面收缩可使扩散流动阻力增大，从而使实际的扩散通量减少。

考虑以上因素，瓦斯气体分子在煤层内有效扩散系数可定义为：

（6）

式中：

Dfe———瓦斯气体在煤层内的有效Fick扩散系数，m2/s；

θ———有效表面孔隙率；

τ———曲折因子，为修正扩散路径变化而引入的。

对于给定状态的某种瓦斯气体来讲，菲克型扩散的扩散系数大小取决于煤本身的孔隙结构特征。

2、诺森型扩散

当Kn≤0.1时,瓦斯气体在煤层中的扩散属于诺森型扩散，根据分子运动论，在半径为r的孔隙内，由于壁面的散射而引起的瓦斯分子扩散系数为：

（7）

式中：

Dk———诺森扩散系数；

r———孔隙平均半径，m；

R———普适气体常数；

T———绝对温度，K；

M———瓦斯气体分子量。

若考虑有效表面孔隙率、曲折因子半径变化等因素,则有效扩散系数为：

（8）

式中：

s———煤粒的比表面积，m2/kg；

ρ———煤密度，kg/m3。

　　从上式中可以看出,诺森扩散系数与煤的结构和煤层的温度等有关。

3、过渡型扩散

当0.1

（9）

4、表面扩散

对于凸凹不平的煤粒表面，具有表面势阱强度即表面能量Ea，当瓦斯气体分子的能量等于表面能ΔEa时，气体分子在煤表面形成表面扩散，见图2-3。

图2-3　瓦斯气体在煤表面上的表面扩散

表面扩散经常同普通的菲克型扩散在煤层较大孔隙中同时进行，使扩散的总通量增大；另一种情况是当瓦斯气体被煤表面强烈吸附时，吸附层增厚使得瓦斯气体扩散通量减少。

5、晶体扩散

煤晶体内的扩散阻力较大，扩散通量较小。

由煤大分子结构可知，煤是由周边联结有多种原子基团的缩聚芳香稠环、氢化芳香稠环通过各种桥键和交联键合边联结而成，在其中含有各种缺陷、位错或空位。

当瓦斯气体压力较低时，不易进入到芳香层之间或碳分子之间；而当瓦斯压力较高时，瓦斯气体分子则可能进入芳香层缺陷或煤物质大分子之间，发生晶体扩散。

当孔隙半径与瓦斯气体分子大小相差不大，且压力足够大时，瓦斯气体分子可以进入到煤微孔隙中以固溶体（取代式固溶体、填隙式固溶体）形式存在，且不易脱附。

晶体扩散通量与瓦斯气体分子的化学位梯度成比例，即：

（10）

化学位可用瓦斯气体的活度a或分压p代替，由Darken关系式：

（11）

式中：

B———迁移率；

　　　D———自扩散系数，即由于瓦斯气体与煤的物理化学性质相似性。

由于瓦斯气体在煤层中以固溶体形式赋存的量较少，一般在晶体的芳香层缺陷内的瓦斯量为1%～5%，在芳香碳晶体内瓦斯量为5%～12%，所以只有当瓦斯压力很高时，扩散才会较为明显[6]。

2.3.3瓦斯渗透—扩散理论

瓦斯渗透与扩散理论认为，煤层内瓦斯运动是包含了渗透和扩散的混合流动过程。

煤层中存在相互沟通的裂隙网络，沿着这些裂隙网络，游离瓦斯流向低压工作面，而煤体的透气率与该裂隙网络密切相关。

与此同时，块煤内部的瓦斯解吸，向裂隙扩散，因此煤层中瓦斯的渗透率和介质的扩散性共同决定了瓦斯的流动状况[7]。

2.3.4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[8]。

在大量试验研