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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.com1
11.1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动理论的应用2
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
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4
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、水分、可燃物的修正系数，α煤层瓦斯含量系数。5
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6
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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9
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10
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。11
112.1瓦斯在均质无限煤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。12
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。13
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：14
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：求解得：对于某一固定煤层，p0，λ，α为常数，15
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，而在煤层中开掘巷道时，煤壁暴露前已产生瓦斯流动，上式改写为：瓦斯流动的补偿时间，是补偿见煤前瓦斯已开始流动的时间；煤壁暴露时间；16
162.2瓦斯在均质有限煤层的单向不稳定流动边界条件为：初始条件为：求解得：其中：瓦斯压力主要取决于相对位置x/L和时间准数F0，F0取决于煤层透气系数、煤层原始瓦斯压力，煤层瓦斯含量系数以及排放瓦斯的时间。17
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18随着时间的增大，F0增大，瓦斯压力逐渐下降并向煤层内部传递。煤层中瓦斯流动过程约左F0>1.5时结束。一般认为瓦斯涌出阶段在F0<1.5时结束。上面将变系数改为常系数微分方程求解的方法,在瓦斯流动的时间比较长，有限长度流动场内瓦斯压力低于原始瓦斯压力时，误差就增大，特别是在流动后期，F0>0.4其误差更大。2.2瓦斯在均质有限煤层的单向不稳定流动19
192.3瓦斯在实际煤层的单向不稳定流动矿山压力对瓦斯在煤层中的流动有很大的制约作用，具体通过煤层透气系数的变化反映出来。20
202.3瓦斯在实际煤层的单向不稳定流动假设式中，ρ，n为待定常数，m为指数，取决于矿山压力和煤质结构。解得21
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221.1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动理论的应用23
233瓦斯在煤层中单向流动理论的应用按均质煤层计算掘进巷道瓦斯涌出量对于单巷掘进，对于全部切开煤层的水平巷道，瓦斯涌出量为巷道壁瓦斯涌出QT和掘进工作面采落煤岩瓦斯涌出量QS之和。：若巷道等速掘进速度为u，巷道长度l，煤层厚度m，煤层沿走向均质，原始瓦斯压力相同，煤层透气性均等，则24
243瓦斯在煤层中单向流动理论的应用掘进巷道工作面宽度，m；煤层原始瓦斯含量；采落煤炭运出巷道时剩余瓦斯含量。同理可以得到非均质煤层掘进巷道瓦斯涌出量。25
25瓦斯在煤层中流动在大多数情况下，瓦斯在煤层中的流动服从达西定律。以前认为达西定律适用于层流，现在认为层流的范围要比达西定律适用的范围大得多。瓦斯在煤体中的流动可以分为三个区域：低雷诺数，Re<1~10，线性层流区，符达西定律。中雷诺数，10≤Re≤100，非线性层流，服从非线性渗透定律，高雷诺数，Re>100，紊流，流动阻力与流速平方成正比。26
26瓦斯在煤层中流动在非线性渗透区和紊流区有m为渗透指数，1~2.在非线性渗透区也可用如下二项式渗流定理第一项表示流体和多孔介质之间的直接摩擦引起的压力损耗，当V很小，Re很小，第一项占优势。第二项表示流体在绕过组成多孔介质的无规律的固体系统时因收缩，扩大，转弯等引起的压力损耗，称为“微观局部阻力损耗”。27
