瓦斯赋存与流动理论

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1、流体力学流体力学，周光炯，高教。流体力学，吴望一，北大。煤层瓦斯赋存与流动理论，周世宁，林柏泉，煤炭工业出版社矿井瓦斯抽放理论与技术，林柏泉，张建国中国矿业大学出版社程庆迎：13685112689qingyingcheng@126.com11.1煤中孔隙分类1.2把富含孔隙和裂隙的煤体看作多孔介质1.3煤层中的瓦斯流动模型的简化假设1.4煤层中的瓦斯流动状态分类1、基本概念和假设2.1瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动2、瓦斯单向流动计算2.3瓦斯在实际煤层的单向不稳定流动2.2瓦斯在均质有限煤层的单向不稳定流动3瓦斯在煤层中单向流

2、动理论的应用21.1煤中孔隙分类微孔－直径小于10-5mm，构成煤中的吸附容积，通常认为不可压缩。小孔－直径10-5mm～10-4mm，构成了毛细管凝结和瓦斯扩散空间。中孔－直径10-4mm～10-3mm，构成了瓦斯缓慢层流渗透区域。大孔－直径10-3mm～10-1mm，构成了瓦斯强烈的层流渗透区间，并决定了具有强烈破坏结构煤的破坏面。可见孔和裂隙－直径大于10-1mm，构成层流和紊流混合渗透区间，决定煤的宏观破坏面。3瓦斯以吸附状态和游离状态赋存在煤体中，并在其中运移。多孔介质定义：带有孔洞的固体。多孔介质的特点：多相性；（可同时

3、存在固、液、气）固体骨架遍布于整个多孔介质中，固体骨架的比表面积比较大，构成孔隙空间的孔隙比较狭窄。孔隙空间的绝大多数孔隙相互连通，少量空隙封闭，流体在连通的孔隙中流动。1.2把富含孔隙和裂隙的煤体看作多孔介质41、因煤层顶底板透气性与煤层相比小得多，认为煤层顶底板围岩为不透气层，且不含瓦斯。2、煤层的透气性和孔隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响；3、煤层瓦斯含量由游离瓦斯和吸附瓦斯组成，X可表示：1.3煤层中的瓦斯流动模型的简化假设或者N－煤层孔隙率，B－量纲修正系数，p-为煤层中的瓦斯压力，a,b－朗格缪尔吸附常数，f－分别为温度

4、、水分、可燃物的修正系数，α煤层瓦斯含量系数。54、瓦斯流场内温度变化不大，瓦斯在煤层中的流动按等温过程来处理；5、瓦斯为理想气体，瓦斯在煤层甲的流动为层流渗透，且服从达西定律；1.3煤层中的瓦斯流动模型的简化假设61.4煤层中的瓦斯流动状态分类按流场的空间流向分类1、单向流动。在x,y,z三维空间内，只有一个方向有流速，其余两个方向流速为零。在矿井中，如沿煤层开掘平巷，且煤层的厚度小于巷道高度、巷道全部开切煤层，则巷道两侧瓦斯的流动郡是沿着垂直于巷道的掘进方向流动的，此即单向流动。72、径向流动。两个方向有分速度。矿井中的石门、竖

5、井，钻孔垂直穿透煤层时，煤壁内的瓦斯流动。可采用x,y直角坐标表示，或采用极坐标r,θ表示。1.4按流场的空间流向分类3、球向流动。厚煤层中的掘进工作面、钻孔或石门刚进入煤层时的煤壁内的瓦斯流动。以及采落煤块中涌出的瓦斯的流动。特点：煤体中形成近似同心球状的等压线，而流线则一股呈放射网状。81.1煤中孔隙分类1.2把富含孔隙和裂隙的煤体看作多孔介质1.3煤层中的瓦斯流动模型的简化假设1.4煤层中的瓦斯流动状态分类1、基本概念和假设2.1瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动2、瓦斯单向流动计算2.3瓦斯在实际煤层的单向不稳定流动2.2瓦

6、斯在均质有限煤层的单向不稳定流动3瓦斯在煤层中单向流动理论的应用92.1瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动满足的流动方程：质量守恒定律，运动方程第一项代表单位时间内，单位体积的质量增量，后面代表单位时间内、单位体积内质量的净流出。质量守恒定律瓦斯在煤层中单向流动102.1瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动运动方程1856年法国H.Darcy通过水流过砂层的试验得出多孔介质渗流特性：u-流速；K－多孔介质的渗透率，m2；μ－流体的动力粘度，Pa·s；dp－在长度dx的压差；dx-和流体流动方向一致的极小长度。112.1瓦斯在均质无限煤

7、层的单向不稳定流动运动方程若均质多孔介质的三维流动若介质各向异性则为二阶张量。122.1瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动运动方程q-比流量，1大气压，t℃时，1m2煤面上流过的瓦斯流量，m3/(m2.d)；P－瓦斯压力的平方，P＝p2；p－在位置n处的瓦斯压力，MPa；λ－煤层透气系数，m2/(MPa2.d)；B－单位换算系数；K－煤层的渗透率，m2；Pn－1个大气压。132.1瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动此式为变系数二阶偏微分方程，为便于解算，采用近似简化：142.1瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动边界条件为：初始条件为

8、：求解得：对于某一固定煤层，p0，λ，α为常数，152.1瓦斯在均质无限煤层的单向不稳定流动上式是我国煤壁瓦斯涌出量的预测基础，测出C值后，任意时间内瓦斯涌出量可以计算。式中，C为瓦斯涌出特性系数。在计算中，t是瓦斯流动的时间，而在煤