（流体力学专业论文）不同孔径下瓦斯流动机理及模型研究.pdf

摘要 瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，同时瓦斯也是2 l 世纪战略性接替能源，但在其开采、治理过程中发生的吸附、解吸、扩散和 渗流机理认识仍不清晰。基于前人研究成果，本文进行了以下工作： 1 、介绍了煤的三维交联大分子结构，其中一些小分子量原子基团影响 着对瓦斯气体的吸附 2 、总结了煤层裂隙、孔朦分类，依据其物理特性和二者构成的网络结 构，论述了孔隙、裂隙系统在瓦斯气体吸附及质量传递过程中的不同作用。 3 、探讨了煤瓦斯之间的吸附作用，估算了煤与瓦妖分子吸附势讨论 了瓦斯的扩散类型；f i c k 扩散、k n u d s e n 扩散、过渡型扩散、表面扩散和晶 体扩散；指出考虑气体可压缩性、储层压力和温度等因素影响，按诺森数来 判断扩散类型并不合适；提出了扩散系数公式：d = ( 1 一m ) d 口+ 国巩+ 比+ d c 探讨了气体流动过程中的滑脱效应。 4 、论述了瓦斯解吸、扩散、渗流运移机理，推导了可压缩气体的达西 定律，建立了考虑滑脱作用下的瓦斯渗流扩散数学模型。 5 、探讨了区别于等效连续介质假设的离散裂隙网络渗流理论，引入图 论方法，建立了离散裂隙网络渗流模型，应用m a t l a b 软件编制了模型求解 程序通过算例模拟验证了应用离散裂隙网络流动模型求解流体在煤岩体中 流动的可行性 关键词：瓦斯：煤；孔隙裂隙 吸附；扩散渗流；图论：渗流裂隙网络模型 a b s t r a c t c o a l b e dm e t h a n ed i s a s t e ri sa l w a y so n eo ft h 6m a i nd i s a s t e r st ot h r e a t e nt h es a l r i t yo f c o a lm i n ei nt h ec o a le x p l o i t a t i o n , b u ta tt h es 帆et i m ee o a l b e dm e t h a n ei st h es l r a t e g i e a l t e r n a t i v ee n e r g yi n2 1 “e , 衄t u r y al o to fr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h i sa l t e r n a t i v ee n e r g y , b u tu n t i li i o ws o m ep r o b l e m ss t i l ll 即a a i nt t m o l v e c t , s u e l a 勰t l a ea b s o t l , t i o n d e s o r 埘o n d i f f u s i o ne s s e n i nt h ep r o c e s so fe x p l o r a t i o na n dc o n t r 0 1 b a s e d0 1 1t h ep l 劂o i i sr e s e a r c h d o n eb yo t h e rs c h o l a r s ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ef o l l o w i n g ：t 、 1 t i l es t r u c t u r eo ft h r e e - d i m e n s i o n a lc l d s s - l i n kg i a n tm o l e c u l e sa n dt h ei m p a c to fs m a l l m o l e c u l a ra t o m i cg r o u n dg r o u po nt h ea b s o r p t i o no f c o a l b e dm e t h a n em i n t r o d u c e d 2 d i f f e r e n tc l a s s i f i c a t i o n so fe o a l b e df r a c t l l r e $ a n dp o r e sf r a c t u r ei ss u m m a r i z e d , t h e d i f f e r e n tr o l e so f p o r 髂a n df l b c t t l l t ! ss y s t e ma r ei l l u s t r a t e di ne o a l b e dm e t h a n ea b s o r p t i o na n d m a s st r a n s i t i o n , b a s e do nt h ep h y s i c a le l a a r a e t e r i s t i e sa n dt h ee o n s l z u e t i o nn e t w o r ks l t u e t u r e 3 t h ea b s o r p t i o nb e , t w c c nc o a la n dm e t h a n ei si n v e s t i g a t e c la n dt h ea d s o r p t i o np o t e n t i a lo f c o a la n dm e t h a n ei sc a l c u l a t e d ；t h ed i f f e r e n tt y p e so fa b s o r p t i o n ：f i e kd i f f u s i o n , k n u d s d i f f u s i o n , t r a m i t i o n a ld i f f u s i o n , s u r f a c ed i f f u s i o n , a n dc r y s t a ld i f f u s i o n 射d i s c u s s e d t o j u d g et h et y p e so fa b s o r p t i o nw i t hk n u d s e nn u m b e ri s n o ta p p r o p r i a t eo nt h eb a s i so f f a c t o r s 。s u e l a 雒t l a ei m p a c t so fg a sc o m p r e s s i b i l i t y , r e s e r v o i rp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ；t h e a b s o r p d o nc o e t t i e n tf o r m u l a e ：d = ( 1 一) d k + 缈口。+ p 。+ 岛i sd e v e l o p e d t h eg a s s s l i p p a g ee f f e c t si si n v e s t i g a t e d 4 t h em e t h a n ed e s o r p t i o n , d i f f u s i o na n ds e e p a g ef l o we s s e n o fe o a l b e dm e t l u m ei s e x p l o r e d ，t h eg a s sd a r e yl a w i sd e x l i l e e a ；t h em a t l a e m a t i em o d e lo fm e t h a n es e e p a g e d i f f u s i o ni se s t a b l i s h e d , w i t ht h ef a c t o ro f s l i p p e r yu n d e rc o n s i d e r a t i o n 5 t i a cd i f f u s i o n 丘i c 眦n e t w o r ks e e p a g ef l o wt h e o r yw h i e l ai sd i f f e r e n tf r o mc o n t i n u o u s l n c d i ai sd i s e u s s 咄t l a cm o d e lo fd i f f u s i o nf r a c t u r en e t w o r ks e e p a g ef l o wi ss e t 印b yl h e g r a p hm e t h o d , t l a ep r o g r a mo fs o l v i n gt h em o d e li s w r i t t e nb ym a t l a bs o f t w a r e t h e f e a s i b i i t yo f u s i n gt h em o d e l t os o l v et h ef l o wo ff l u i di nc o a lr o c km a s si st e s t i f i e d k e y w o r c l $ ：e o a l b e dm e t h a n e ；c o a l ；p o r ef r a c t u r e ；a d s o r p t i o n ；d i f f u s i o ne s s e n c e ；g r a p h f l a e o r y ；t h em o d e lo f s e e p a g en e t w o r k 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是瑰个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果：讨论了瓦斯气体发生f i c k 扩散、k n u d s e n 扩散、过渡型扩散、表面扩 散和晶体扩散的适用条件，指出考虑气体可压缩性、储层压力和温度等因素 影响，按诺森数来判断扩散类型并不合适，提出了扩散系数公式： d = ( 卜街) d 自+ 玩十以+ d c 。基于图论的数学方法，建立了区别于等效连续 介质假设的离散裂隙网络渗流模型，并通过算例模拟验证了应用离散裂隙网 络流动模型求解流体在煤岩体中流动的可行性。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：日期： 辽宁工程技术大学项士学位论文 1 绪论 1 1 煤层气概况 随着我国国民经济的迅速发展，对石油、天然气的需求量逐年增加，能 源短缺的问题越来越突出，仅靠常规能源的勘探和开发已经远远跟不上国民 经济的发展要求，寻求非常规能源来补充和接替常规能源成为了我国可持续 发展能源战略的重要方向。专家指出，煤层气将是2 l 世纪新兴的接替能源， 其勘探开发必将是接替常规天然气资源最有前景和现实的途径之一，因此， 进行适合我国特殊地质条件下的煤层气相关基础理论研究，具有重大的理论 价值和重要的战略意义【t - 4 。 煤层气( c o a l b e dm e t h a n e ) ，又称为煤层甲烷，煤矿中俗称“瓦斯”，贮存 于煤层及其围岩中，是由气体化合物与气体元素组成的混合体，同时它又是 在煤炭形成过程中伴生的一种非常规天然气 5 - 6 。煤层气的主要成分是甲烷， 还有少量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫及氮气等气体，其发热量为 3 0 4 0 m i m 3 ，与油田伴生气和气田天然气一样均属于高热值的可燃气体， 且燃烧中基本上不会产生烟尘，洁净优质。长期以来煤层气一直被当作“有 害”气体，直到2 0 世纪7 0 年代，美国 7 - s 率先在圣胡安和黑勇士盆地进行煤 层气地面开发试验成功，才被作为一种新型的洁净能源加以开采利用。煤层 气的开采不仅使不可再生能源得到充分利用，而且有利于环境的保护和减少 煤矿安全事故发生【9 1 。 煤层气的形成主要有以下四种： 第一种，有机质在煤化作用过程中相伴生成； 第二种，由于火成岩侵入或碳酸盐受热分解生成的c 0 2 经断层等通道进 入到含煤地层之中而生成； 第三种，放射性物质蜕变过程生成； 第四种，地下水放出的放射性惰性气体氡及惰性气体氦； 其中，第一种为有机成因，第二、三、四种为无机成因。煤层气的组成 一般以甲烷( 包括少量重烃) 为主，只在少数情况下以二氧化碳为主( 如甘 辽宁工租技术大擘硕士学位论文 2 肃窑街煤矿) ；氮、氡等稀有气体含量甚微。 我国煤层气资源及其丰富，据测算，我国煤层气资源总量约为3 1 4 6 万亿立方米。迄今为止最完整的煤炭资源勘探成果和煤层气含量的实测资料 显示：我国的煤层气含气量大于8m 3 t 的富煤层气资源量为1 2 4 4 万亿立方 米，含量大于4 m 3 t ，埋深小于2 0 0 0 米的煤层气资源量为1 4 ，3 4 万亿立方米； 埋深小于1 5 0 0 米的煤层气资源量为9 2 6 万亿立方米埋藏深度介于 1 5 0 0 2 0 0 0 米的煤层气资源量为5 0 8 万亿立方米。从分布区域来看，我国东 部地区的煤层气资源总量为3 3 9 万亿立方米，占我国煤层气资源总量的 l o 7 8 ；中部地区的煤层气资源总量为2 0 0 8 万亿立方米，占总量的6 3 8 2 ， 其中晋陕蒙的煤层气总量为1 7 2 5 万亿立方米；西部地区的煤层气资源总量 为7 9 9 万亿立方米，占总量的2 5 4 由此可以看出，我国的大部分煤层气 资源分布在西气东输管运沿线，开发利用前景巨大 全世界范围内煤层气储量十分丰富，总量超过天然气。煤层气作为一 种新兴的战略能源，它的有效开发和利用已经成为国际上能源开发的热点， 世界上主要的发达国家如美国、加拿大、英国、法国等已先后开展了一系列 煤层气的勘探试验工作，除美国在圣胡安、黑勇士盆地等已进入开发阶段并 形成了煤层气产业外，其他国家均在研究探索阶段。我国的煤层气开发剐刚 起步，虽在全国陆续开展了一些煤层气的勘探开发工作，但仍处于初步勘探 开发起步阶段。 1 2 瓦斯气体运移的研究现状 瓦斯在煤层及采动裂隙岩体中的运移和聚积规律，是煤矿瓦斯防治、抽 放和煤层气开发技术发展的基础，而这项研究涉及渗流力学、岩石力学、采 矿及安全工程学等多学科，关键在于力学学科的渗流理论 2 , 9 - 1 1 1 自1 9 4 7 年 前苏联学者e m 克里切夫斯基将渗透理论用于描述煤层内瓦斯运移过程，得 出了考虑瓦斯吸附性质的瓦斯渗流规律，为煤岩瓦斯渗流理论的发展奠定了 基础，到现在，煤岩瓦斯耦合作用理论已经发展了近6 0 年。目前，在国内 外反应瓦斯运移机理的数学模型主要集中在煤层瓦斯渗流规律、煤层瓦斯扩 散理论、煤层瓦斯渗流一扩散规律以及多物理场、多相煤岩瓦斯耦合规律。 辽宁工程技术太学j l 士学位论文3 ( 1 ) 煤层瓦斯渗流规律的研究 1 9 6 5 年，周世宁院士从渗流力学角度出发，把多孔介质的煤层视为一 种大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，在我国首次提出了基于达西定律的线 性瓦颠流动理论，奠定了我国瓦斯研究的理论基础。并于1 9 8 4 年，在总结 前期大量的实测工作成果的基础上，创建了“钻孔流量法”煤层透气系数测定 的新技术，该测定方法及其计算方法被广泛应用于我国煤矿开采中，目前已 成为测定煤层透气系数的标准方法。郭勇义( 1 9 8 4 年) 结合相似理论，就 一维情况研究了瓦斯渗流方程的完全解，并将瓦斯的等温吸附量用朗格缪尔 ( l a n g m u i r ) 方程来描述，提出修正的瓦斯流动方程。1 9 8 6 年，谭学术利用 瓦斯真实气体状态方程，提出了修正的矿井煤层真实瓦斯渗流方程。 1 9 8 8 年，魏晓林求出了单孔无限圆径向流场瓦斯压力分布式，提出用 无限流场单一钻孔总流量计算煤层平均透气系数的新方法，并在煤矿现场取 褥了成功的应用。1 9 8 9 年鲜学福院士、余楚新在假设煤体瓦斯吸附与解吸 过程完全可逆的条件下，建立了煤层瓦斯流动理论以及渗流控制方程。孙培 德( 1 9 9 3 、1 9 9 4 年) 基于前人的研究成果，修正和完善了均质煤层的瓦斯 流动数学模型，同时发展了非均质煤层的瓦斯流动数学模型，还应用计算机 进行了数值模拟的对比分析此后，孙培德 中对瓦斯运移进行了论述。 ( 4 ) 多物理场煤岩瓦斯耦合规律的研究， 近年来，大多数从事于煤岩瓦斯耦合规律研究的学者都注意到此理论应 该考虑地应力场、地电磁场、温度场等对瓦斯渗流场的影响。在国外， w h s o m e r t o n ( 1 9 7 5 年) 研究了裂纹煤体在三轴应力作用下氮气及甲烷气体 的渗透性，得出煤样渗透性与作用应力、应力史有关且其透气率随地应力的 增加按指数关系减小j g a w u g a ( 1 9 7 9 年) 、v v k h o d o t ( 1 9 8 0 年) 、 s h a r p a l a n i ( 1 9 8 5 年) 等专家学者，在实验条件下，研究了在地球物理场中含 气煤样的力学性质以及煤岩体与瓦斯渗流之间的固气力学效应。另外， s h a r p a l a n i ( 1 9 8 4 年) 还深入研究了受载条件下含瓦斯煤样的渗透特征， e n e v e r 等( 1 9 9 7 年) 通过研究澳大利亚含瓦斯煤层的渗透性与有效应力之 间的相互影响得出，煤层渗透率变化与地应力变化为指数关系。 从2 0 世纪8 0 年代以来，周世宁院士、鲜学福院士、林柏泉教授等 系统地研究了含气煤体的变形规律、煤样透气率等力学性质赵阳升、靳钟 铭、胡耀青等人，通过对含高瓦斯煤的渗透、变形和强度试验。得出了轴压、 侧压、瓦斯孔隙压力对含瓦斯煤层特性的影响规律。周世宁、何学秋在国家 自然基金的资助下，采用热压型煤为试样，研究了含瓦斯煤的流变特性，得 到了类似于岩石特性的蠕变特性曲线。这些研究工作为我国深入研究考虑地 应力场、地电磁场、温度场等多场耦合作用的瓦斯流动理论提供了基本依据。 1 9 9 4 年，赵阳升基于前人的研究工作，提出了煤层瓦斯流动的固结数 学模型，系统和完善了均质煤体固气耦合数学模型及其数值解法。此后，基 于岩体基质岩块与裂缝变形、气体渗流及相互作用的物理机制，研究了块裂 辽宁工程扶术大擘焉士学住论文 6 介质岩体变形与气体耦合的数学模型及其数值解法。章梦涛、梁冰从1 9 9 5 年以后，基于塑性力学的内变量理论，以含瓦斯煤力学为基础，研究了煤与 瓦斯的耦合作用对煤与瓦斯突出的影响及突出发生的失稳机理，提出煤与瓦 斯突出的固流耦合失稳理论，进一步发展了瓦斯突出的固气耦合数学模型 丁继辉、赵国景等人基于多相介质力学，从热力学第二定律出发，以应力的 二阶功最小作为突出发生的准则，建立了煤与瓦斯突出的固流两相介质耦合 失稳的数学模型及有限元方程，并进行了数值模拟。 李树刚教授( 1 9 9 8 年) 在采场卸压瓦斯的运移规律明显受矿山压力影 响的认识基础之上，将煤岩体看作可交形介质，研究了综放开采矿山压力下， 考虑煤岩体变形对瓦斯运移的影响规律，为有效防治综放开采工作面瓦斯事 故和合理抽取并利用瓦斯资源提供了理论依据。之后，借助现代化的电液伺 服岩石力学试验系统，以数控瞬态渗透法进行了全应力应变过程的软煤样渗 透特性试验，得出煤样渗透性与主应力差、辖应变、体积应变关系曲线，拟 合出相应方程，首次提出煤样渗透系数一体积应变方程应作为耦合分析中主 要的控制方程。鲜学福院士、王宏图等人通过研究地应力、地温和地电效应 对煤层瓦斯渗流特性的影响，并通过建立煤层瓦斯运动方程、连续性方程、 气体状态方程和含量方程，推导获得了考虑地应力场、地温场和地电场中的 煤层瓦斯渗透率以及煤层瓦斯渗流方程。曹树刚教授、鲜学福院士在分析煤 层瓦斯流动特性的基础之上，提出原煤吸附瓦斯贡献系数，建立了煤层瓦斯 流动的质量守恒方程；并基于煤岩流变力学实验，提出讨论煤岩流变力学性 质的广义弹粘塑性组合模型，建立了可用来研究煤与瓦斯延迟突出机理的含 瓦斯煤的固- 气耦合数学模型。近年来，粱冰、刘建军等根据瓦斯的吸附规 律和煤与瓦斯固气耦合作用的机理，建立了考虑温度场、应力场和渗流场的 固气耦合数学模型，并对不同温度下煤岩应力和瓦斯压力的分布规律进行了 数值模拟计算。 ( 5 ) 多楣煤岩瓦斯耦合规律的研究 近年来，多相渗流耦合问题也逐日成为煤炭科研工作者研究的燕点。但 是，由于此问题本身的复杂性，致使国内外对它的研究很少赵阳升、胡耀 青等人研究了气液二相流体在裂缝渗流的模拟实验，揭示了二相流体在裂缝 渗流中，水( 气) 相对饱和度对水( 气) 相对渗透性影响的规律。2 0 0 1 年， 辽宁工程技术大学硕士学位论文7 孙可明、粱冰、王锦山基于气溶于水的条件下，建立了煤层气开采过程中的 煤岩骨架变形场和渗流场以及物性参数间耦合作用的多相流体流固耦合渗 流模型。之后又建立了考虑解吸、扩散过程的煤岩体变形场与气、水两相流 渗流场的多相流固耦合模型并进行了数值模拟，通过与试井资料的实际数据 对比，表明流固耦合模型比较接近实际。刘建军利用流体力学、岩石力学和 传热学理论，给出了考虑温度场、渗流场和变形场作用下的煤层气水两相 流体渗流理论，并通过数值模拟的方法，研究了温度效应对煤层气开发的影 响。骆祖江，陈艺南等( 2 0 0 1 年) 系统地论述了水、气二相渗流耦合模型 的全隐式联立求解的方法与原理，并将该法应用于沁水盆地3 群煤层气井气、 水产量的预测中，收到了良好的效果。林良俊，马凤山建立了气、水二相流 和煤岩变形的微分方程，用有限元分别将它们进行离散化。对煤岩变形模型 和气一水二相流耦合模型及数值解法进行了讨论 1 3 存在的问题 随着工业抽放瓦斯的进行和煤层气的开发利用，瓦斯气体在煤层中的 运移流动机理，国内外不少学者已经做了大量的工作，但对于瓦斯气体的吸 附、扩散机理及模式等的认识仍不清楚。 同时，以连续介质假定为基础的经典渗流理论，经过近百年的发展，已 较为成熟和完善，并在与由松散颗粒构成的多孔介质体有关的工程实践中得 到广泛、成功的应用。但在实际的煤系地层中，煤岩并不是连续的整体，而 是由遍布于其中大大小小的裂隙、割理和由裂隙切割的岩块所构成的离散实 体，裂隙构成了流体渗流的通道，岩体渗流实质上是裂隙网络渗流问题。而 以往的大多数文献中多采用连续介质等效的方法对研究对象进行研究，但该 方法却不能真实的反映流体在煤岩体中的流动情况。 1 4 本文主要的研究内容 本论文基于前人的研究成果，以渗流力学，岩石力学和离散数学为基础， 开展了如下工作： ( 1 ) 介绍了煤的大分子结构，总结了前人对煤中孔隙、裂隙的分类方 案，分析了孔隙、裂隙系统在瓦斯气体吸附及质量传递过程中的不同作用。 辽宁i 程技术大学硕士学位论文 ( 2 ) 探讨了煤分子与瓦斯分子之间的吸附作用，计算了二者间吸附势。 ( 3 ) 讨论了瓦斯的f i c k 扩散、k n u d s e n 扩散、过渡型扩散、表面扩散 和晶体扩散五种扩散类型及体滑脱效应；指出考虑气体可压缩性、储层压力 和温度等因素影响，以诺森数来判断气体扩散类型的可行性。 ( 4 ) 论述了瓦斯解吸、扩散、渗流运移机理，推导了稳态情况下可压 缩气体的达西定律，建立了考虑滑脱作用下的瓦斯渗流扩散数学模型 ( 5 ) 探讨了区别于等效连续介质假设的离散裂隙网络渗流理论，引入 图论方法，建立了离散裂隙网络渗流模型，应用m a t l a b 软件编制了模型求 解程序，并进行了算例求解验证。 辽宁i 程技术大学硕士学位论文 2 煤的物理特性 2 1 煤大分子结构 煤是由多种性质不同的显微组分所构成，显微组分的不同组合造成了煤 组成结构的不同和性质上的异常复杂。煤是一种三维交联的大分子网络的观 点已经被绝大多数煤化工专家所接受【1 2 1 构成煤大分子的煤基本结构单元 是芳香核，它由碳原子骨架组成，是煤大分子的一级结构成分。要研究煤的 结构特征必须首先弄清这些基本结构单元的基本性质。如其芳香性、缩合性、 大小及其分布等。使用x 射线衍射等方法可以确定基本构造单元的大小和分 布，研究表明，煤的大分子芳香核尺寸平均小于i n t o 图2 - 1 煤的大分子结构 煤大分子通过各种桥键( 如一c h 4 一，一o 一，一s 等) 和交联键相互 联接，桥键和交联键是煤有机大分子的二级结构成分，他们对煤的物理力学 性质影响很大，对煤的断裂模式有很重要的影响。在早期的煤大分子结构网 络模型中，不论是桥键还是交联键，一律被认为是由共价键构成的，但近年 来的煤抽取、膨胀、e s r 和n m r 实验证明，有非共价键形式的键存在，它 们对煤的性质有很大的影响。 n i s h i o k a 等认为，分子内部和分子问的作用在煤的大分子模型网络里起 重要作用，其实验基础是煤膨胀的不可逆性及其在溶剂中膨胀时对煤浓度的 依赖性大部分的煤分子并未组成三维交联键的网络，只是相互关联同时 n i s h i o k a 等还通过煤的抽取实验找到了煤分子相互关联的模式，认为煤分子 间的关联作用不是通过分子间的v a n d e r w a a l s s 力或氢键来实现的，而是通 过电荷转移络合物( c h a r g e - t r a n s f e rc o m p l e x e s ) 来实现的。 在煤的大分子网络中存在着一些分子量较小的原子基团已取得越来越 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 多的证据，同时这一观点也得到越来越多学者的认同b o d z e c k 等认为，把 大分子网络中的小分子结合到网络上的作用力是电子给受体键( e d a ) 。在 此基础上，k r i c h k o ( 1 9 9 0 ) 提出了煤的多体自相关结构模型，认为煤的有 机质是一化学组成类似但又不相同的分子通过多重非共价作用联结而成，其 中重要的作用键是e d a 键和氢键，而氢键是一种特殊的e d a 键。e d a 键的 作用受诸多因素的影响，如静电作用、极化作用、交换作用和电荷转移作用 等。 通过上述分析可以认为煤是一种三维交联的网络，其中大分子内部和大 分子之间通过化学键( 主要是其共价键) 和非化学键连接。在非化学键中起 主要作用的是e d a 键和氡键以及除此之外的分子间作用力 在煤的有机结构中，芳香核的周边存在着大量的原子基团，它们是煤有 机大分子的三级结构组成。这些基团中，有些是酸性的，如一0 h ，有些是 碱性的。在这些基团中，有些是极性的，它们的存在对煤大分子间的作用， 及其对瓦斯气体的吸附都有重要的影响，正是这些基团的作用使得煤对瓦斯 有很大的吸附能力。 2 2 煤层孔隙裂隙分类 煤层中存在着大量的孔隙和裂隙，这些孔隙、裂隙构成了非均质、各向 异性的双重系统，裂隙系统构成了瓦斯气体运移的主系统，孔隙系统是气体 运移的子系统。煤储层中裂隙系统的展布，控制着气体在煤体中的运移和质 量的传递，而孔隙结构分布状况决定了气体在煤中的储集状态和扩散方式 2 2 1 煤的裂隙分类及属性 裂隙是煤中普遍存在，人们认识到他存在至今已有一百多年的历史。裂 隙的分类有多种，在总结前人对裂隙的分类的基础上，苏现波按照裂隙的形 态和成因将煤的裂隙分为三类【”】：割理( 内生裂隙) ，外生裂隙和继承性 裂隙 ( 1 ) 割理( 内生裂隙) 煤储层割理主要是在煤化作用过程中，煤物质结构、构造等因压实脱水 辽宁工程技术大学硕士学位论文 变化而产生的裂隙。根据在层面上的形态和特征，可以将割理分为面割理和 端割理。其中面割理通常是与层面平行或近平行，一般呈板状延伸，连续性 较好，是煤层中的主要内生裂隙。端割理只发育于两条面割理之间，常与层 面垂直或近似垂直，一般连续性较差，缝壁不规则，是煤层中的次内生裂隙。 煤岩中面割理和端割理都比较发育，单体规模小，总体密度大，在空间上交 割成立体网状 1 4 a 5 l 。 图2 - 2 煤中割理分布( 据张新民，2 0 0 2 ) ( 2 ) 外生裂隙 外生裂隙是指煤层在较强的构造应力作用下形成的裂隙，按成因可分为 三种：剪性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理。剪性外生裂隙与煤层面以各种 角度相交，可出现在煤层任何部位，裂隙凹凸不平，且有滑动痕迹多呈羽毛 状、波状，裂隙间距较宽，常两组并存。张性外生裂隙与岩石的张性裂隙一 样，规模较小，雁行排列。劈理是指煤层存在层间滑动时，形成一系列波状 相互平行裂隙 ( 3 ) 继承性裂隙 如果割理形成前后的构造应力场方向不变。早先的割理就会被进一步强 化，表现为部分割理由其发育的煤层向相邻分层延伸扩展，但方向保持不变， 这部分裂隙称为继承性裂隙。继承性裂隙兼具割理和外生裂隙的双重性质， 属过渡类型。 煤中裂隙的孔隙度较小，变化范围为l 6 ，一般在2 左右。从研究 煤中裂隙发育特征与煤储层渗透性关系角度出发，将肉眼可见的煤中裂隙按 尺寸大小划分为五种类型，各种类型及其基本特征见表2 1 。 煤层中存在着大量的裂隙，各种裂隙构成的裂隙系统，其孔隙度很小， 储集能力小，但渗透率却很高，是瓦斯气体质量传递的主要路径，同时连接 着孔隙的子系统，沟通了基质中孔隙，使煤储层介质的孔隙系统和裂隙系统 辽宁工程技术大学硕士学位论文 连通呈网络状分布，促使扩散渗流交替发生，相互补充，相互控制 表2 - 1 裂隙类型及其基本特征 类型特征描述 切穿一个以上煤层自然分层或几个宏观煤岩类型分层的裂隙， 大型裂隙也切穿夹矸层，高度一般5 0 1 0 0 c m ，延伸长度数十米近百米， 裂缝宽度数毫米。垂直或斜交煤层层理分布。 切穿煤层自然分层或几个宏观煤岩类型分层的裂缝，高度一般 较大型裂隙 2 0 5 0 c m 延伸度长度数米数十米，裂缝宽度在微米级毫米 级的范围内，一般垂直或近垂直煤层层理分布 在煤层自然分层或宏观煤岩类型分层中垂向断续成为连续分布 中型裂隙的裂隙，高度一般5 2 0 c m ，延伸长度数十厘米数米，裂缝宽 度在微米级毫米级范围内，常见垂直或近垂直煤层层理分布。 在宏观煤岩类型分层中垂直分布的裂隙，高度一般 5 c m ，延伸 较小型裂隙 长度数厘米数十厘米，裂隙宽度在微米级的范围 在镜煤中垂直分布的裂隙，罕见斜交层理方向分布，即常指的 小型裂隙内生裂隙，高度一般 2 c m ，延伸长度几厘米几十厘米，裂缝 宽度几微米几十微米 2 2 2 煤的孔隙分类及属性 煤层的孔隙系统继承性地负载了植物的组织结构，各种形状大小不一地 圆形孔、椭圆孔或不规则形孔，由植物原始组织结构和成煤作用所控制d 6 成因可将分为气孔、植物组织孔、溶蚀孔，晶间孔等；按大小分为微孔，小 孔，中孔、大孔等。 图2 - 3 煤中孔隙分布( 据张新民，2 0 0 2 ) 煤的孔隙相差很大，大到数微米级的裂缝，小到氮分子( 直径为0 1 7 8 n m ) 都无法通过。孔隙是瓦斯气体的主要储集场所，同时也是瓦斯气体脱附解吸、 扩散的主要场所，因此，研究孔隙系统的分类和属性具有重要意义。孔径分 布可用光学显微镜、扫描电子显微镜、压汞法或低温氮等温吸附法等测定， 如图2 4 所示 辽宁工程技术大学硕士学位论文 微孔 过渡孔 中孔 大孔 光 电 辐 射 流 体 透 入 图2 4 孔型分类及表征孔隙率的各种方法 对煤中孔隙孔径进行分类，国内外学者、机构进行了大量的工作【 ，1 引 分类方案根据研究对象，目的的不同也有所差别。表2 2 总结了一些煤的孔 隙分类方案。普遍采用的分类方案是g i r i s h 等人依据煤的吸附特性进行的分 类，并且得到国际理论和应用化学联合会的认可。霍多特的分类依据工业吸 附剂的研究提出，微孔构成煤中的吸附容积；小孔( 过渡孔) 构成毛细管凝结 和瓦斯扩散空间；中孔构成缓慢的层流渗透区间；大孔构成强烈的层流渗透 区间，并决定具有强烈破坏结构煤的破坏面；可见孔及裂隙构成层流及紊流 混合渗透的区间，并决定了煤的宏观( 硬和中硬煤) 破坏面霍多特分类方案 被大多数人认可采用。 表2 - 2 煤的孔隙分类方案表( n m ) b b 霍多特( 1 9 6 1 ) 1 0 0 0 o 孤等( 1 9 7 2 ) 3 0 朱之培(19娩) 3 0 抚顺所( 1 9 8 5 ) l g i r i s h 等( 1 9 8 7 ) 国际理论和应用化学 5 0 联合会( 1 9 7 2 ) 俞启香( 1 9 9 2 ) 1 0 0 0 辽宁i 程技术大学硕士学位论文 1 4 近年来，一些学者借助分形理论( m a n d e l b o r t ，1 9 7 5 ) 利用压汞法分析 了煤孔隙的分形分类，进而分析了煤的自然分类【1 9 , 2 0 ，见表2 3 。但该方法 并没有说明区分扩散和渗透的依据。 表2 - 3 基于煤层气运移特征的煤孔隙分类( n m ) 研究表明i s ，煤的总孔容一般在o 0 2 0 2c n l 3 g ，孔隙比表面积在9 3 5 锄2 g 之间，孔隙度在1 6 之间。煤基质微小孔隙系统具有很大比表 面积，极强的吸附能力，是瓦斯气体吸附富集的场所，同时也是瓦斯气体发 生脱附解吸、扩散的载体。瓦斯气体在的孔隙系统中的脱附解吸、扩散为裂 隙系统渗透流动提供了源源不断的气源，使气体通过裂隙系统运移产出成为 可能 2 3 本章小结 本章基于前人的研究成果，详细介绍了煤的三维交联大分子结构，即 由碳原子骨架构成的芳香核、桥键和交联键、一些分子量较小的原子基团三 级结构构成。在这些具有酸性或者碱性的原子基团中，有些是极性的，它们 的存在对煤大分子间的作用，及其对瓦斯气体的吸附都有重要的影响，正是 这些基团的作用使得煤对瓦斯有很大的吸附能力。 对煤层中裂隙、孔隙按成因和大小进行了分类总结，依据其不同的物理 特性和二者在构成网络结构中的不同作用，论述了孔隙、裂隙系统在瓦斯气 体吸附及质量传递过程中，发生脱附解吸、扩散、渗流所起到的作用。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 煤中瓦斯吸附扩散渗流机理 3 1 甲烷分子平均自由程 瓦斯的成分以甲烷( c h 4 ) 为主，其次为二氧化碳( c 0 2 ) 、氮气( n 2 ) 等，甲烷是无色无味气体，在大气压力为1 个标准大气压，温度为o 摄氏度的 标准状态下，每立方米的质量为o 7 1 6 k g ，相对密度为o 5 5 4 ，与氧气适当混 合后具有燃烧性和爆炸性。通常情况下，甲烷对水的溶解度很低，难溶于水， 当压力为3 4 m p a ，温度为2 0 摄氏度时，其溶解度仅为1 m 3 m 3 ，一般认为少量 地下水的流动对瓦斯的排放影响不大，但是，少量地下水的长期流动对瓦斯 的排放则会造成重大影响。 气体分子在多孔介质中的扩散、渗流模式与多孔介质孔径的大小和气体 分子的平均自由程有关【2 卜2 3 1 ，所以从微观上应该了解气体分子平均自由程。 由热力学可知，气体分子每时每刻都在不停地运动着，但其运动有一定 限度。这是因为在任意空间中总存在有大量分子，任一分子在运动时总会有 机会与别的分子相互碰撞。分子在相互碰撞前所走的一段直线距离称为分子 的自由程。平均自由程即分子连续碰撞之间所通过自由程的平均值，用名表 示： a = 歹址2 ；2 了重三：；二手2 丽1 ( s - - ) 对于实际气体，满足气体状态方程【2 4 】： p = z n k t或 n = z k t p ( 3 - 2 ) 式中，矿一分子平均运动速度，m s ； 三一分子平均碰撞频率，s ； 打一分子数密度； 瓯一分子有效直径，n m ； z 一气体压缩因子； k 一玻尔兹曼常数，1 3 8 1 0 - 2 3 ，j k ； r 一绝对温度，k ； p 一气体的压强，m p a 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 将上式代入式( 3 - 1 ) ，得到： 2 2 面k t z 。丽k t 1 ( 3 - s ) = 7 2 一= 1 = t ：7 lj - j ， 2 石罐p 2 石露弓 。 当常温常压下，气体压缩因子z = 1 。根据上式，计算了常温常压下c 矾、 c q 和2 三种气体的平均自由程，见表3 - 1 表3 l 煤层气体分子直径及平均自由程( 2 0 c0 1 0 1 3 2 5m p a ) 3 2 煤中瓦斯吸附 3 2 1 瓦斯吸附的本质 吸收作用是指由于物理或化学的作用力场，某种物质分子能够附着或结 合在两相界面上的浓度与两极本体不同的现象，即在界面上发生增浓现象。 瓦斯气体在煤内表面的吸附是物理吸附 2 5 , 2 6 】，由于甲烷分子的化学惰 性，煤中自由基在常温下也难以对甲烷分子产生化学吸附之外，还根据在 1 0 0 c 一3 0 c 温区的现场红外光谱实验，发现即使在- l o o 时，也观察不到甲 烷分子在煤中形成化学吸附的证据。物理吸附的本质是煤表面分子和瓦斯气 体分子之间相互吸引的结果。煤分子和气体分子之间的引力越大，煤对瓦斯 气体的吸附量越多吸附的速度一般较快，也容易发生脱附过程，这是由于 吸附时没有形成电子参与结合的新键的原因。 固体对气体的吸附从本质上说是由固体表面的原子或离子与气体分子 之间的相互作用力引起的，最终表现为固体表面分子与气体分子间电引力的 作用。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，引起物理吸附的力是范德华( v a nd e r w a a l s ) 力和排斥力 2 4 , 2 7 - 3 0 。 ( 1 ) 范德华力 范德华力包括静电作用力( 又称取向力，k e c s o m 力) 、德拜( d e b y e ) 诱导 力、伦敦色散力( l o n d o nd i s p e r s i o nf o r c e ) 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 静电作用力 极性气体分子( h 2 0 ，c o ) k 有永久偶极矩，与煤表面的极性基团会产生静 电作用力，x - 表达式为： 晶= 一塑3 r 6 t ( 3 4 ) 式中，乓，一煤与瓦斯分子问偶极矩相互作用能，k j m o l ； 心一煤大分子的永久偶极矩，d e b y e ； 以一气体分子的永久偶极矩，d c b y e ； ，一气体分矛与煤分子之间的距离，i l m ； r 一绝对温度，k 。 对于有些气体( n 2 ，0 2 ，c o ，c 0 2 等) 还存在有四极矩， 作用也有一定的影响。其表达式为： 耻一丝r s k t 一云等 式中，e ：一煤大分子与气体分子四极矩作用势，k l m o l ； q 一煤大分子的四极矩，孵佣； q l 一气体分子的四极矩，孵绷； k b o l t z m m a n 常数，k = 1 3 8 0 4 8 x 1 0 - z 3 j k 。 这对分子问相互 ( 3 - 5 ) 静电作厝力是极性分子问由于永久偶极矩与永久偶极矩之间的相互作 用产生的。瓦斯气体( 甲烷、二氧化碳和氮气) 的分子结构是空间对称的， 都是非极性分子，不存在永久偶极矩因此，煤分子和瓦斯分子之间不存在 静电作用力。 德拜诱导力 由于瓦斯气体中甲烷、氮气、二氧化碳的分子结构是空间对称或线形对 称的，是非极性的，不存在永久偶极矩；但其在极性分子的永久偶极矩的电 场作用下会变形极化而产生诱导偶极矩( i n d u c e dd i p o l e ) 。由前述煤大分子结 构的分析，煤是由多种性质迥异的显微组分所构成，在其大分子之间和内部 有大量的交联键，周边存在着许多极性原子基团，如羟基( 一o h ) 等，而 且煤结构受到破坏后，薄弱的交联键会断开，断面上会形成一些悬键，使之 辽宁工程技术大学硕士学位论丈 带有电性；所以煤的大分子是具有极性的，它的诱导作用可使瓦斯气体分子 形成诱导偶极矩。煤的大分子和瓦斯气体分子之间存在着德拜诱导力，通常 计算固有偶极矩的平均诱导作用能的德拜公式为： = 一华2 2 ， ( 3 6 ) 式中，。一德拜诱导力，k j m 0 1 以一煤分子的极化率，绷3 x l o - - ”； 一瓦斯气体分子的极化率，绷3 x 1 0 - m 固有四极矩也产生电场，对具有四极矩的瓦斯气体分子的吸引能为： ：= 一三2 塑丝r s 堡 ( 3 7 ) 伦敦色散力 色散力是任何分子间都存在的分子间的作用力。它是诱导偶极与诱导偶 极相互作用而产生的。色散力是一种自举力，它是靠相邻分子的电子密度的 涨落相互关联而产生的。煤分子的电子密度的涨落使它本身产生一个瞬时偶 极矩，这一瞬时偶极矩使瓦斯气体分子极化，于是煤的大分子累积电子的部 位把瓦斯气体分子上与之相邻区域的电子推开，从而在瓦斯气体分子上诱导 出一个正电荷区。同理，煤的大分子的正电荷区在瓦斯气体分子上也诱导出 一个负电荷区与之匹配。这种电荷相关使分子间的势能降低，相当于一种结 合力。l o n d o n 运用量子力学得出当间距为，的球形分子时两个球形分子之间 由色散力产生的位能层为： 驴三等格 s ， 式中，t 一煤分子的电离势，e f ； 一气体分子的电离势，p 矿 瓦斯气体与煤表面作用力估算 综上所述，煤分子和瓦斯气体分子之间的范德华力可用下式表达： b ( ，) = 圾l + 反2 + 1 + e m + e l = c l ，一c 2 ，- c 3 r - ( 3 - 9 ) 严格地说，e 项是由偶极- - a 极和四极一四极相互作用引起的。 辽宁工程技术太学硕士学位论文 1 9 以上所讨论的各种力对不同的气体来说，贡献各不相同由于在应用式 ( 3 9 ) 进行计算时的不可靠性和近似性，一和，。o 两项又相当小，通常忽略不 计，式( 3 9 ) n - i 以简化为： 易( ，) 一一= c r 。 ( 3 - l o ) 表3 - 2常见矿井气体分子的固有偶极矩、四极矩、极化率及电离势 为了估算煤大分子对矿井主要瓦斯气体分子n 2 ，c h 和c 0 2 的范德华 作用力，参考有关文献对聚合物和大分子的实测数据，其中，1 e r g = 】x 1 0 - 7 j ； l e v = 1 6 0 2 0 9 x 1 0 。”j ；1 d = 3 3 3 5 6 4 1 0 。3 0 c m ；阿佛加德罗( a v o g a d r o ) 数为 n = 6 0 2 3 1 0 ”l m o l 。 表3 3 煤分子计算参数 表3 - 4 煤