瓦斯在煤体中运移的基本特性研究研究生毕业论文.doc

硕士研究生学位论文瓦斯在媒体中运移基本特性研究Experiment Reserch to the Basic Laws of Methane Transport in coal 作 者： 罗新荣 导 师：周世宁教授中国矿业学院北京研究生部 一九八五年四月研究生毕业论文摘 要瓦斯在煤体中的运移一般被认为是泊稷叶流动、分子滑动、吸附相瓦斯的表面流动和固体中的扩散的综合效应。本文在评述前人研究工作的基础上，通过物理模拟和数值模拟初步探索了瓦斯在煤体中运移的基本规律。在研究煤体的瓦斯吸附动力学问题时，吸附相瓦斯参与的过程占有重要的低位，因而要以菲克定律（扩散理论）为研究基础；当研究瓦斯缓慢流动问题时，吸附相瓦斯的运移占有极其次要的低位，因而以达西定律（渗流理论）为研究基础。分析了应力、孔隙压力对瓦斯流动的影响，确定了瓦斯在煤层中流动的本构假设，应用电子计算机分析了煤层瓦斯单向流动方程，提出了煤层中给定应力和给定变形的两个基本概念对瓦斯流动的影响。关键词：煤层瓦斯；瓦斯含量；膨胀应力；渗透率； 瓦斯运移AbstractMethane transport in coal are generally regarded as the total effects of Poisuilles Flow,Molecutar streaming, Surface Flow and Bulk Diffusion of adsorped methane.This paper reviews the basic laws of methane transport in coal through physical simulating test and numerical computer simulation. When reserching the dynamics questions of methane adsoeped,the transport of methane adsorped dominates and Diffusion Theory-Ficks Law is basic to study.When studying the question of methane slowly flowing,the transport of methane adsorped is too less to be negligible as compared to gas-phase methane transport and percul-ation theory-Darcys Law is basic to study.Analyzes the effects of stress and pore pressure on methane flow in coal.Presents the concepts of determined stress and determined strain effect on methane flow.Key words: Methane in coal；Content of gas ；Swelling stress ；Percolation rate ；Methane Transport目 录摘 要1Abstract2引 言4第一章概 述5第一节国内外研究现状6第二节实验分析的理论基础与基本概念10第二章 实验方法16第一节 实验材料16第二节实验技术18第三节 实验过程19第三章 实验结果与分析23第一节 瓦斯含量测定结果与分析23第二节 粉煤成型煤样吸附瓦斯的膨胀应力与渗透率27第三节 块煤试样的渗透率33第四章 瓦斯在媒体中运移的基本特征40第一节 瓦斯在媒体中运移的基本特征40第二节 煤层瓦斯涌出特性41第五章 煤层瓦斯单相流动分析43第一节 煤层瓦斯单相流动方程43第二节 煤层瓦斯单相流动方程的数值模拟与分析45第六章 结论49谢 辞51参考文献52引 言瓦斯在煤体中的运移一般被认为是泊稷叶流动（Poiseuiles Flow）、分子滑动(Molecular Streaming)、吸附相瓦斯的表面流动(Surface Flow)和固体中的扩散(Bulk Diffusion)的综合效应。当研究煤的吸附动力学特性时，表面运移和固体扩散占有很重要的低位；而在研究瓦斯流动的各种问题时，吸附相瓦斯占有极其次要的地位；分子滑流效应仅在低压下显著。因此，瓦斯在煤体中的运移，达西定律的适用是有条件的。在矿井生产过程中，由于采掘工程的影响，破坏了原岩应力场的平衡和瓦斯压力的平衡，形成采掘工作面周围空间的应力重新分布和瓦斯流动。在影响瓦斯流动的基本参数（瓦斯压力P，煤层透气性系数和含量系数）中，地应力对煤的透气性起着决定性的作用，而透气性的大小对瓦斯的保存与排放、瓦斯压力的分布起着重要的作用。煤与瓦斯突出又与瓦斯的排放和压力的分布有着重要的联系。瓦斯压力对煤体中的孔隙起着一定的支撑作用，但煤体的吸附能力和瓦斯密度的增大对流动通道有着一定的阻碍作用。研究煤层瓦斯运移的基本规律，对完善瓦斯流动理论和防治瓦斯有着重要的意义。研究煤的吸附动力学特性，包括煤的吸附能力、吸附或解吸时的动力特性以及煤吸附瓦斯时的物理化学变化，对研究瓦斯运移和煤与瓦斯突出的机理具有重要意义。研究地应力、瓦斯压力、煤的吸附能力以及煤吸附瓦斯时所产生的膨胀变形与膨胀应力对煤层透气性的影响，可以为解放层的开采以及解放范围的确定提供一定的理论依据，还可以为矿井瓦斯抽放提供可靠地抽放参数，达到工程最简，抽放效果最佳的经济效益，还可以对采掘工作面的瓦斯涌出进行预测，为矿井的通风设计提供理论依据；并且对确定采掘工作面前方煤体中的瓦斯压力分布，进而采取降低瓦斯压力梯度防止突出的措施有重要的指导意义。煤层作为非正规天然气的生气层和储气层，研究瓦斯在煤层中运移的基本规律，对开采煤层气，解决矿井瓦斯问题，充分利用资源以及煤的地下气化都具有重要意义。本专题研究以物理模拟和数学模拟两个方面进行初步探索应力、空隙压力和西覅能力对煤体透气性的影响，分析了回采工作面和回采巷道煤壁周围在地应力和孔隙压力影响下的透气性的变化和瓦斯压力的分布，以期对瓦斯流动理论有所裨益，对生产实际有所帮助。研究工作主要侧重于一下几个方面：1. 达西定律适用性的实验考察与分析；2. 分子滑流效应与煤体吸附能力对透气性影响的实验研究；3. 煤体吸附瓦斯所产生的膨胀变形和膨胀应力的实验考察与分析；4. 应力与空隙压力对透气性的影响的实验研究；5. 煤层瓦斯流动方程的确定和计算机数值模拟与分析。第一章 概 述第一节 国内外研究现状瓦斯在煤体中运移的基本规律，国内外做过很多的研究。一是以菲克定律（扩散理论）为基础的实验研究；二是以达西定律（渗流理论）为基础的实验研究。P.Gsevenster（19852）用单毛孔扩散模型的吸附动力学方程式： （1-1-1）式中：D是扩散系数，、是恒压系统在时间为0、t达到吸附平衡时的吸附气体量，S是试样的内表面积，V是试样的体积。整理粒状煤样在低恒压条件下吸附的实验数据，得到了氧气和水蒸气在煤体中的扩散系数为10-13（cm3/s）的数量级。他还用P.C.Carman（1950）提出的确定微孔隙中表面扩散的方程式： （1-1-2）式中，是表面渗透率，Ds是表面扩散系数，s是煤样的固体密度，是孔隙率，p是煤样两边的压力差，w是煤样两边的吸附量之差，吸附量以吸附等温线上获得。/是试样的总渗透率，/是计算气体渗透率，其中N1是分子量为M1的非吸附性气体的能流速度（尔格/s）。A是煤样的横截面积，L是煤柱长度或厚度。在薄片状煤样上测定计算了甲烷、氧气和水蒸气等气体在煤体中的扩散系数为10-11（cm2/s）的数量级。其中甲烷的气相扩散系数为1.310-11，吸附表面扩散系数为1.510-11，即表面流动占总流动的一半以上。方程1-1-1只是在Qt/Q0.7时，试验点则完全偏离（低）方程曲线。根据方程1-1-1预测的吸附平衡时间比实际的平衡时间约高一个数量级。艾雷（Airey，1968）根据不同煤样的瓦斯解析实验结果，提出了下述预测瓦斯解析的经验方程式： （1-1-3）并指出方程1-1-1对于描述瓦斯解析的全过程是不适用的。西蒙斯和凯瑟尔（Thimons and Kissell,1973）是唯一用流动实验的方法测定甲烷和氮气在煤体中的扩散系数，实验是在恒温、压力变化范围在0.72.7大气压下做的，并得出以下结论：1）吸附相瓦斯的表面运移与气相瓦斯的运移相比较，前者可以忽略不计；2）稳态扩散系数在10-410-5（cm3/s）的数量级；3）非稳态扩散系数是稳态扩散系数的0.510倍。对于吸附相瓦斯的运移，西蒙斯和凯瑟尔的结论与赛文斯特的结论完全相反。道格拉斯和弗朗克（Douglas and Frank,19823）对此做出了评述，认为两者研究结果的相互矛盾归因于煤的微孔隙（micropore）和宏孔隙（macropore）结构上的差别，并针对单毛管扩散模型的方程1-1-1与实验结果的差距，提出了双球孔隙扩散模型（bidisperse pore diffusion model）,即将煤粒视为由许多半径相同的微球体中作扩散运动，同时在微球体所形成的孔隙中作渗流，并建立了扩散方程式： （1-1-4） （1-1-5）初始条件和边界条件为 Ci(0, r i)=C0 （1-1-4）, Ca(0, r a)=C0 (1-1-5)采用积分变换法方程（1-1-4），（1-1-5）的解为 （1-1-6）提出了确定双球模型参考的试验方法，实验结果与理论方程式一致。在建立了理论模型的基础上，道格拉斯和弗朗克提出了在若干个不同压力下和极低的压差下，测定吸附性和非吸附性气体的扩散，来确定克努森扩散（即分子滑流）、表面扩散和固体扩散的相对大小。虽然道格拉斯和弗朗克建立了双球扩散模型的理论方程式，与实验结果一致，但方程复杂，参数的确定较为困难，还未见有使用价值。国内抚顺煤研所（19834）等单位，通过现场实验研究，提出了用瓦斯解吸速度法在井下测定煤层瓦斯含量的公式： q=q1*t-k （1-1-7） Q=q1*t1-k/(1-k) （1-1-8）重庆煤研所（19835）通过实验研究煤层煤样瓦斯解吸速度规律，得到了同样的方程，并指出煤样瓦斯解吸速度综合反映了煤样孔隙结构特征与瓦斯含量情况，可以作为预测煤层突出危险倾向性的指标。重庆煤研所（19836）等单位，在研究高沼气综采工作面落煤的瓦斯涌出规律时，得到了类似的预测公式： g(1+t) （1-1-9）通过高沼气综采工作面的瓦斯涌出量的预测取得了良好的效果。日本磯部俊朗等（1982，7）根据达西定律在低压下（小于一个大气压）测定计算了粒状煤样的渗透率为10-10达西的数量级。这种把分子滑流和表面扩散运动为主的运移归并为渗透运动是值得商榷的。但赛文斯特和磯部俊朗的实验都证明气体在煤粒（固体）中的运移是极其微弱的。日本大忠一雄（19828）等将粒度一致的粉煤压缩成型，进行氮气渗滤实验，主要考察了分子滑流效应，并对克利彻夫斯基（即克林伯格）公式的适用性进行了验证。从实验结果看，粉煤成样反应的是人造孔隙的渗透特性，试验中没有考察应力和吸附能力对透气性的影响。日本樋口澄志（19849）等根据达西定律测定了大量块煤的渗透率，发现渗透率变化在10-7100达西范围内，并在实验中改用压差方法，考察了流量与压差的关系，讨论了达西定律的局限性，提出了所谓的“菲克定律”，即 VN=a(P1-P2)/Lm （1-1-10） VN=-a(dp/x) m （1-1-10）樋口澄志的实验研究为考察应力对透气性的影响，同时实验方法上也存在问题，压差变化较大（大约130大气压），特别是在出气侧附加压力的情况下，孔隙压力的作用未予注意，也未对克林伯格效应作出分析。樋口自己也认为方程中的系数a与瓦斯压力有关，究竟什么关系未加以分析，在推导流动方程式时当做常数处理，是存在问题的。美国W.H.萨默顿等（W.H.Somerton,197410）达西定律，通过模拟地应力测定计算了块煤试样的渗透率随应力变化的关系，并测定了试样的弹性模数，煤的固体和孔隙的压缩系数，以及煤体中的声速，并得出下列结论：1）渗透率变化在很大范围内，及时是同一煤层的不同煤样，在低应力水平下，渗透率变化在0.1100毫达西；2）煤样的渗透率强烈的依赖于应力在所试验的范围内，高透气性煤样的渗透率减小二个数量级以上；3）煤样的渗透率还十分依赖于应力过程，每一加载循环渗透率都在减小；4）施加应力状态，即静水压力或三轴应力，就随之变化的渗透率来说没有什么差别；5）煤对瓦斯的渗透率一般低于对氮气的渗透率；6）根据裂隙间距、宽度和孔隙计算的渗透率，大大高于实际的渗透率，导致的结论是有大量的裂隙是不连通的，或者是所谓的“死端容积”，它们对流动不起作用。萨默顿等的研究对孔隙压力和煤的吸附能力的作用未作分析，因而是不全面的。苏联霍多特（Xogom，196111）通过实验证明渗透率在很大程度上与通过多孔介质的气体压力有关，并指出在用试验方法测定煤的渗透率与应力的关系时，要求瓦斯压力恒定，并得出方程: K=ae-b （1-1-11）虽然霍多特认为渗透率与孔隙压力有关，但方程（1-1-11）中没有孔隙压力项。苏联切尔诺夫和罗赞采夫12将煤中瓦斯的运移看作是游离瓦斯和吸附瓦斯运移之和，即以下式表示煤层中的瓦斯运移规律： （1-1-12）并与达西定律对比，从实验中得出渗透率与应力和瓦斯压力的公式： pk=f1() f2(p) （1-1-13）其中 f1()= d e-与式（1-1-11）相同 f2(p)K2p(Bp+C)/(1+ap) （1-1-14）苏联学者似乎都未注意到渗透率与应力的关系还与应力过程有关，另外对孔隙压力的作用也未重视，因此，实验结果及分析也是不全面的。煤体在吸附瓦斯时要产生膨胀变形或膨胀应力。当膨胀变形收到约束时，则产生膨胀应力，这种膨胀应力在吸附甲烷时是气体压力的58倍，而在吸附二氧化碳时则是气体压力的3050倍。当煤体不受约束时，吸附瓦斯则产生自由膨胀变形，这种变形在吸附甲烷时达1.5-2.5，最大达6，在吸附CO2时则达到6013.这种膨胀应力与膨胀变形对煤与瓦斯突出有重要作用，对煤层瓦斯运移有重大影响。从天府磨心坡煤矿和中梁山煤矿钻孔预抽煤层瓦斯防止煤与瓦斯突出的实际考察看，钻孔预排瓦斯后，煤体发生收缩变形，煤层顶、底板的相对变形达1.5-2.6，而实际煤体的收缩变形最大可达30，使煤层脱离顶板，产生离层现象，煤层的透气性也增加数倍到数百倍（14,15）。抚顺煤研所（1964，16）曾从实验中得出煤体吸附瓦斯的自由膨胀变形与瓦斯压力的关系式： rAB p1B p （1-1-15）在约束变形的条件下（即r0），中国矿业学院北京研究生部游木润17的实验结果表明膨胀应力与瓦斯压力基本成线性关系，即 rp （1-1-16）若假设膨胀变形与膨胀应力之间存在线性关系 r E r*rE r*r （1-1-17）式中r是约束变形所产生的膨胀应力，r是自由膨胀变形，是自由膨胀变形后外力所产生的变形（r），r r1称为膨胀应力变形，E r是膨胀模量。显然，r 与E r都与瓦斯压力和煤的种类有关。虽然膨胀应力与膨胀变形的关系还未有人做过研究，但看作线性关系，对于定性分析问题比较简便。本专题研究考察了达西定律的适用范围，在围压力恒定、孔隙压力变化不大的条件下，低速渗流符合达西定律，当流速超过一定的限度时，则开始偏离达西定律，当流速超过一定的限度时，则开始偏离达西定律。在实验过程中注意到了应力过程对渗透率的影响和孔隙压力的影响。结合矿井生产的实际情况，认为实验的卸载过程符合大多数采矿工程的实际情况，证明渗透率不仅与地应力有关，而且与孔隙压力和多孔介质的吸附能力有关，分析了煤体吸附瓦斯时所产生的膨胀应力与变形对煤层透气性的影响。第二节 实验分析的理论基础与基本概念1856年达西根据直立均质砂柱中不可压缩流体的稳定流动实验提出了著名的达西公式： Q=KA(h1-h2)/L （1-2-1）或 q=-kgs (1-2-1)对于可压缩气体在均质各向同性介质中的流动，达西公式的推广形式是： （1-2-2） （1-2-2）尽管如此，前人还是用了许多理想模型，试图从流体动力学的基本原理出发来推导达西定律。理想模型方法就是用某些假想的，能够进行数学处理的、比较简单的现象（系统）来代替实际上不可能进行数学处理的复杂现象（系统），通过分析理想模型而得到所需要的结果。使用理想模型方法可以深入理解所研究的物理现象，并明确影响这一现象的各种因素的作用，还可以洞察出描述所研究现象的方程中各种系数的内部结构，而所有这些信息对于安排实验室的实验都是必要的。推导达西定律最简单的理想模型莫过于毛细模型，图1-2-1（a）是该模型的示意图。 （a）直毛细管型 （b）毛细缝隙模型图1-2-1在一根直径为的直圆形毛细管中，稳定流动的哈根-泊稷叶公式为： （1-2-3） （1-2-3）若与流动方向垂直的单位截面积上有N根这样的毛细管，则通过该多孔介质的比流量是： （1-2-4）式中的n为该模型的孔隙率，n=N4.与达西定律(1-2-1)比较，得到 k=n32 （1-2-5）为了使模型更接近实际的多孔介质，可以进一步假设毛细管具有不均一的直径，此时有 （1-2-4） （1-2-5）式中Ni是多孔介质模型的单位横截面积上直径为i的毛细管个数。为了表示均质、各向同介质在各个方向的渗透率，假定在三个正交方向上各放置1/3的毛细管，这样推导出的渗透率是： K=ngb (1-2-6)或 （1-2-6）薛定谔18利用“毛细管组”的平均直径与介质孔径微分分布函数（）改进了毛细管模型。根据定义，（）*d表示毛细管直径在与=d之间的孔隙体积所占的百分数，与三个正交方向中任一方向xi垂直的单位面积上的毛细管正面面积为1/3n()d,所以比流量为： （1-2-7），式中Vxi是（1-2-3）式中的平均流速。与达西定律比较，得到 （1-2-8）艾尔默19曾采用毛细裂缝和宽度不变的狭缝作为表示多孔介质的模型，研究了由这样的三组正交的缝隙所组成的模型。图1-2-1（b）是这种模型的截面图。在b1=b2=b和a1=a2=a的条件下，通过对模型中的流动分析，并假设在缝隙相交处没有水头损失，艾尔默导出了裂隙多孔介质渗透率的表达式： （1-2-9） （1-2-10）式中m=1-n=a(a+b)显然，基于哈根-泊稷叶定律的任何推动啊方法，最终都将导致速度和测压水头梯度之间的线性关系。各种模型之间的差别仅在于他们所得到的表示多孔介质渗透率和介质性质的关系式不同而已。哈根-泊稷叶定律是解纳维尔-池托克斯方程得到的，并且要有管壁处流速等于0的边界条件。但是流体（尤其是气体）的分子本性决定它在管壁处有一种“滑脱”的基本效应，所以在固定的管壁上流速不为0。君特和瓦堡格第一次发现了这一事实。因此，流经一毛细管的气量要比按泊稷叶定律预测的大。克努森曾致力于实验研究从而得出另一种表达经过半径为a和长度h的毛管，在压力为PN时的气体总流量Q的公式： （1-2-11）将气体分子平均自由程公式代入得： （1-2-11）式中C是约等于2的常数，是黏度，是平均压力。克努森方程式（1-2-11）在气体分子平均自由程比管径a大得多时是可以正确表达流动情况，而只有平均自由程比管径小时，泊稷叶公式才适用。因此，介于两者之间的中间状态，则必须把这两个方程式联立起来。阿兹密提出的这一方程式为： （1-2-12）式中是一个无量纲的比例系数，称之为“阿兹密”常数，对于单一气体其值为0.9左右，对于混合气体其值为0.66.根据以上叙述，对连续介质假设成立的气体，其分子平均自由程必须小于流场的一个重要特征线度。定义克努森数为 Kn=L (1-2-13)表1-2-1为根据克努森数划分的流动状态。表 1-2-1根据克努森数划分的流动状态20克努森数Kn=L流动状态Kn0.01连续介质0.01Kn0.1分子滑流0.1Kn3过度态Kn3自由分子流卡尔洪和约斯特（1946）总结了一些事实，认为当孔隙直径与气体分子的平均自由程大小差不多或比它小时，达西定律就失败了。达西定律的失效与哈根-泊稷叶定律在毛管中失效彼此是可以比拟的，当毛管半径愈来愈小时，气体就从原来的粘滞流逐渐过渡到滑脱流动，进一步又成为克努森所发现的自由分子流。但这种比拟只有在毛管模型的基础上才成立，所以受到相应的限制。克林伯格（1941）设想了一种简单的多孔介质毛管模型，并且把滑脱理论应用到每根毛管上，这样他就得到了一个包括滑脱效应的多孔介质的气体流动方程式： =-(ka/)gradp (1-2-14)式中 ka=ke（1+4C/r）=ke(1+b/p) (1-2-15)称为克林伯格气体渗透率公式，其中ke是对液体高密度气体的渗透率，是测定ka时的平均压力p下的气体分子平均自由程，c1是比例系数，r是克林伯格模型的毛细管半径，b是气体-固体系统的一个常数，它依赖于气体分子的平均自由程和多孔介质内通道开口的尺寸，由试验确定。瓦斯在煤体中的运移，除了泊稷叶流动和分子滑流外，还可能由于（）瓦斯在孔隙内壁上的吸附，从而沿压力梯度产生表面流动；（）瓦斯可以溶解（吸收瓦斯）从而由压力差产生的浓度梯度而被扩散传送。卡尔曼与马勒哈勃（1950）把微孔隙中的表面流看作是沿浓度梯度的扩散作用，从而忽略粘性的影响，扩散方程为： （1-2-16）式中Qm是扩散质量流量，其余同（1-1-2）式，实际上方程（1-2-16）包括两部分的扩散流量，两者是难以区分的。因此，对于通过吸附特性多孔介质的流动，除了有泊稷叶流动项和克努森滑动项以外，有必要再加入一个表面流动（扩散）项，即： （1-2-17）或 （1-2-17）式中=（p）是气相瓦斯密度，其余同前。由于吸附膜的存在对气体流动必然会产生一定程度的障碍，所以，粘滞流动、滑脱流动与表面扩散是相互影响的，而且与多孔介质的吸附能力有关。煤层中的瓦斯基本处于三种状态：1）游离状态的，充满在煤、岩石的各种空洞（裂隙、孔隙）中；2）吸附状态的；3）与煤的有机体成物理化学的结合状态的（吸收状态的）。处于吸附状态的甲烷在还未转变成游离甲烷时，不能实现其内能，因此，它只能以分子扩散的形式参加运移。霍多特把煤中的孔隙分为5类，见表1-2-2.表1-2-2 煤层孔隙分类基础孔隙直径孔 隙 特 征100埃超孔或微孔，构成吸附容积1001000埃过渡孔，构成瓦斯毛细凝结和扩散区域10-510-4cm中孔，构成瓦斯缓慢层流渗透区域10-410-2cm大孔，构成瓦斯剧烈层流渗透区域10-2cm可见裂隙，构成层流与紊流渗透同时存在的区域，是坚固域中等强度煤的破裂面若以孔隙直径作为式（1-2-13）的特征长度L，则在瓦斯压力为10大气压、分子平均自由程约50埃时，上述分类基础与根据克努森数划分的流动状态相一致。在天然条件下，埋藏在一定深度的煤层承受外应力和内应力的作用。这种内应力包括煤层饱和瓦斯的气体压力P和煤体吸附瓦斯所产生的膨胀应力r，而外应力F则是上覆岩层和地质构造所施加的。按照特扎基的理论，作用在多孔介质上的外应力等于固体骨架的有效应力和气体压力之和，即 F=+P （1-2-18）或 =F-P （1-2-18）在三维压缩时，有 Fij=ij+Pij(i,j=1,2,3) （1-2-19）或 ij= Fij- Pij（ij=1，其余为0） （1-2-19）孔隙率的改变起因于有效应力的变化，定义体积压缩系数为 =-(1/Ub)dUb/d (1-2-20)提勒尔根据大量的实验研究并结合水力半径理论证明了下列关系式： n=n0(F-p)-c (1-2-21) k=k0(F-p)-c (1-2-22)式中n是孔隙率，k是渗透率，n0、C和k0、m均为实验常数。两式且须在（F-p）大于某一限定值（由试验确定）时才适用。在成煤过程中，伴随着瓦斯的生成，煤层未被“压实”，而保留一定的膨胀变形与膨胀应力。将特扎基的有效应力概念应用到煤体上，就包括了膨胀应力，引进有效应力差的概念，它是有效应力减去膨胀应力r的差值，即定义为： cr （1-2-23）有效应力差c实际上就是在没有吸附性气体充填孔隙的条件下煤体的内应力。由于膨胀应力是与瓦斯压力P和膨胀应力变形r（见1-1-17的定义）有关的，因此有 F=+p=r（p，r） pc （1-2-24）当给定外力F时，即内应力总和不变时，有效应力仅是孔隙压力p的函数，即:=F-p=r(p，r)c此时，在一定的孔隙压力下（P为常数），膨胀应力r和有效应力差c就仅与膨胀应力变形有关。当原始煤层中的膨胀应力变形愈大，膨胀应力也就愈大，有效应力差相对就小；当膨胀应力变形小，膨胀应力也小，而有效应力差相对就大。当给定煤层变形时，外应力就是孔隙压力和膨胀应力的函数，而有效应力差是不变的，即F=+pr(p，r)cp当孔隙压力下降时，膨胀应力变形r也随之降低（见1-1-17），外力也就降低了。此外，只有在原始煤层中有效应力差为0（即c=0）或者给定的变形小于原始瓦斯压力下的自由膨胀变形r（P0）（即r（P0）的条件下，煤层排放瓦斯后，外力降为0，才可能产生离层现象。第二章 实验方法第一节 实验材料一、实验煤样实验煤样分别从淮南谢一矿（烟煤）、阳泉一矿（无烟煤）和乐平涌山矿（无烟煤）取得。取样的工业分析结果见表2-1-1表2-1-1试验煤样工业分析结果煤层编号水分Wf（%）灰分Af（%）挥发分Vr（%）真比重d(g/cm）容重(g/cm)孔隙率n（%）淮南谢一矿B7煤层1.127.5426.171.381.324.3淮南谢一矿B8煤层1.0912.1131.741.421.299.2淮南谢一矿B13煤层0.9210.0934.261.401.307.1阳泉一矿S5层0.537.7214.691.371.323.6乐平涌山矿B2煤层1.0612.4710.521.561.503.8试样分别制成长方体块状和粒度为0.1-0.25mm的圆柱形成型煤样。实测煤样的特征见表2-1-2.表2-1-2 实测煤样特征每样编号试样类型长宽高或直径长(mm）裂隙特征或成型压力B7平行层理块煤50.730.730.3B7垂直层理块煤50.530.629.8B8平行层理块煤50.630.930.3B8垂直层理块煤51.530.630.1B13平行层理块煤50.829.929.7B13垂直层理块煤51.231.030.8S5平行层理块煤50.730.830.6S5垂直层理块煤51.230.330.3B2平行层理块煤50.531.031.0B2垂直层理块煤51.430.830.8B7粉煤成型煤样粉煤3053成型压力10吨S5粉煤成型煤样粉煤3050成型压力10吨S5粉煤成型煤样粉煤3152成型压力10吨B2粉煤成型煤样粉煤3052成型压力10吨块煤煤样和粉煤成型试样见图2-1-1.二、实验气体实验分别用氮气、甲烷和二氧化碳三种气体测定试样的渗透率，以考察试样的吸附性能对渗透率的影响和表面扩散效应。实验气体的物性参数数据见表2-1-3表2-1-3 实验气体物性数据20、22气 体 分 子符 号分 子 量(kg/kmol)密 度20，1atm(kg/m)熔 点(）沸 点()临 界 数 据动力粘度20（厘泊10）标准状态（25，1atm）温 度Tc(）压 力 Pc（bar）密度c(t/m)分子直 径平均自由程N 228.021.14-210.5-195.7-147.1633.930.3111.7563.50746C H416.040.66-182.5-161.5-82.546.400.13811.0844.14530C O244.011.80-56.631.173.920.4651.4663.30839第二节 实验技术实验采用稳定流动的测试技术，由家在系统、稳压系统、恒温系统、测试系统和数据处理系统等5部分组成。实验系统见图2-2-1和图2-2-2. 4 39 6 81212 105 711121高压气瓶； 2减压器； 3恒温立柜 4高压缸； 5试样； 6精密压力表7精密压力表； 8压差计；9皂膜流量计10粘液压力表； 11高压泵； 12高压阀图2-2-1一、加载和稳压系统采用SJB-型手动高压计量泵和活塞式压力计通过高压胶管给高压缸中的粘液加压，载荷压力（模拟地应力）范围为0-160公斤/厘米。稳压系统分为两个部分：1）稳定高压缸上的高压阀截止粘液的进出，高压缸上有一压力表指示粘液压力，一般可以保证粘液压力的波动范围在1公斤/厘米以内。2）稳定入气口的气体压力，通过YQY-1型氧气减压口将高压气瓶中的高压瓦斯降到实验所需的压力（0-30公斤/厘米）。在流经试样的气体流量稳定后，入气口压力和出气口压力变可稳定。加载和稳压装置见图2-2-3.二、恒温和测试系统在整个实验装置基本都放置在恒温立柜中，恒温立柜分为上、下两部分，中间以白板隔开，上部分为实验装置，下部分有加热电炉，用WMZK-01型温度指示控制仪指示立柜上部的温度控制下部分电炉加热。恒温温度控制在200.5。实验装置的进出气侧装有精密压力表和双管压力差计，以测量气体压力和压差。当压差低于700毫米汞柱时，用CGS-50型双管差压计测定进出气侧的压力差，测量误差为1毫米汞柱。并对进出气侧的精密压力表进行校正，调整压力表的示值误差。调整后进出气侧的压力表的示值误差可控制在0.02大气压以内。当压差高于1大气压时，则用精密压力表测量气体压力和压力差。气体流量则用玻璃皂膜流量计计量。根据美国W.H.萨默顿等的研究报导，当流量低于0.1厘米/秒时，则难以稳定。实验的气体流量一般高于0.1厘米/秒，流量稳定时间在0.5-2小时。恒温和测试系统装置见图片2-2-4.三、数据处理系统测试的数据经过PC-1500计算机处理与储存，并打印出实验数据的回归曲线。数据处理系统见图2-2-5.第三节 实验过程一、煤样瓦斯含量的测定用自制含量缸，配上底盖、高压阀和精密压力表（见图2-1-1）。首先用氮气给缸内充至20大气压，在恒温（200.3）的条件下测定缸体积，反复测定若干次，取其平均值作为刚体积。之后测定甲烷和二氧化碳气体在恒温20下的压缩系数。上述准备工作完成以后，给含量缸注入粒度为0.1-0.25mm的煤样约80克，并尽量压实，以减少余隙容积的影响。首先注入气体至20大气压，检查其密封情况，当确认各部分不漏气时，缓慢放掉缸内气体，然后接上真空泵预抽2小时。最后注入实验气体至30大气压左右，放进恒温水桶（200.3）中，吸附平衡6-8小时后，放气一次，以后每隔4-6小时放气一次。放气时通过胶管、量瓶和水准瓶测定放气体积（见图2-3-1），并记录室温、大气压力以修正误差。一次放气的压力差为3-4大气压，共测定8-10个点，采用最小二乘法计算吸附常数a、b值和含量系数值。 322411水准瓶； 2胶管； 3量瓶； 4含量缸；图2-3-1 测定排除的瓦斯量示意图二、粉煤成型煤样的渗透率的测定1.粉煤的成型取粒径为0.1-0.25mm的粉煤，装入套筒内，套筒的两端各套上一根直径为30mm的套杆加载用，放在10吨万能材料试验机上进行加载，压缩成型，成型压力均为10吨，成型试样的直径为30mm，长度50mm左右，并留在套筒内作渗透性试验。在煤样的成型过程中，用预先粘贴在套筒外径周边上的电阻应变先测定成型过程中的载荷与套筒外径切向变形，并记录了成型煤样在加、卸载过程中的载荷与压缩、伸张变形曲线（见图3-2-1），为试验提供一定的分析数据。2.成型煤样渗透率的测定8为了模拟地应力，同时也为了确保煤样在各方向变形的一致，采用了预应力端密封，即在煤样的端面与密封端塞的端面之间垫上了一块厚度大于两面间距3-5mm的圆形分气柱垫片，使端塞拧紧时，给煤样施加一定的轴向压力。垫片与煤样之间要垫两层细铜网，端塞与套筒之间用橡胶垫密封。见图2-3-1.21345671成型煤样； 2套筒； 3垫片；4端封胶垫；5端塞；6鼓形圈；7压冒；8精密压力表图2-3-1 粉煤成型煤样密封图在测定成型煤样的渗透率之前，为了考察气体压力对套筒产生的变形及其对渗透率的影响，专门测定了气体压力所产生的套筒外径的切向变形。试验中发现，当用不同的气体（氮气、甲烷、二氧化碳）测定时，套筒的变形相差很大。而且吸附性愈强的气体，其变形也愈大，反映了煤体吸附瓦斯时产生的膨胀应力。因此，在测定渗透率的同时，也测定了膨胀应力。测定膨胀应力时，将贴在套筒外径切向方向的应变片接入YJ-5型静态电阻应变仪。将入气口和出气口接到真空泵上抽真空2小时，然后通入气体，待平衡后，记下压力度数和应变度数，并将应变值换算成内压，求出膨胀应力。测定结果见图3-2-3.测定绳头驴时，高压气瓶中的气体经减压口调到待测压力（1-30大气压），由高压胶管导入进气阀，由精密压力表和双管压差计测定流经试样的气体的压力和压差。出气侧的放出的气体经胶管导入玻璃皂膜流量计，经过30分-2小时的稳定时间后，测定气体的流量，并记录室温和大气压力以修正误差。为了对比，将以套筒中压出的圆柱型试样用块煤实验方法测定其渗透率与围压力的关系。测定结果见图3-2-5到图3-2-8.三、块煤试样渗透率的测定将加工好的块煤试样（503030mm），真空（-760mmHg，105）干燥4小时，再冷却到室温后取出。先观察记录表面裂隙情况，并涂上一层强力“502”胶，以增加表面强度。用正方体（303030mm）铝合金接头与试样对接好，表面涂上“703”硅橡胶，