第4章 矿井瓦斯涌出(参考).ppt

第4章矿井瓦斯涌出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。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（＜0.1μm）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，Pa.S;
----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。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。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。§4.2煤层瓦斯涌出量及主要影响因素B）相对瓦斯涌出量
----矿井正常生产条件下，平均日产一吨煤所涌出的瓦斯体积。
qg=Qg/A
式中：qg－相对瓦斯涌出量，m3/t；
Qg－绝对瓦斯涌出量，m3/d；
A－日产量，t/d
说明：
（1）相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。
（2）相对涌出量的单位：m3/t，过去采用：m3/(t.d)是不正确的。3、瓦斯涌出强度----比瓦斯涌出量
----单位时间（minord），单位暴露面积（cm2orm2）涌出的瓦斯体积。
单位：m3/(d.m2)，m3/(min.m2)，cm3/(min.cm2)。
4、瓦斯涌出形式
----指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式。
（1）普通涌出
----长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。
特点：时间上：连续不断
空间上：普遍存在
涌出强度：缓慢、均匀。（2）特殊涌出
----矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。
特点：时间上：突然地、间隔的
空间上：非普遍存在
涌出强度：产生动力破坏。
二、掘进巷道的瓦斯涌出
1、煤巷掘进工作面瓦斯涌出的构成及变化
（1）瓦斯涌出构成
巷道壁、迎头煤壁、采落煤炭。
瓦斯涌出强度随时间的涌出而降低。（2）时空不均匀性
机掘：开机后，瓦斯涌出量
逐渐增大，达到极限稳定值。

炮掘：放炮后（6~9min），瓦斯
涌出迅速增长（5~20倍），然后
下降经过一段时间恢复到初始值。

时间与空间上存在瓦斯涌出与
浓度的不均匀性是种潜在危险。2、排瓦斯带深度
t G

当t达到一定时间后，
煤壁基本上不涌出瓦斯
时的瓦斯影响深度。
3、煤巷排瓦斯极限期----Tj
煤壁涌出瓦斯随着暴露时间的延长而逐渐减小，当达到Tj时，瓦斯涌出接近零，此时间称为排瓦斯极限期。一般