瓦斯赋存与流动理论.ppt

1、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,2,1.1 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,3,1.1 煤中孔隙分类,微孔直径小

2、于10-5mm，构成煤中的吸附容积，通常认为不可压缩。 小孔直径10-5mm10-4mm，构成了毛细管凝结和瓦斯扩散空间。 中孔直径10-4mm10-3mm，构成了瓦斯缓慢层流渗透区域。 大孔直径10-3mm10-1mm，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。,4,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。

3、 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,5,1、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，煤层瓦斯含量系数。,6,4、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

4、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,7,1.4 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。,8,2、径向流动。两个方向有分速度。 矿井中的石门、竖井，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,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

5、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。,9,1.1 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,10,2.1 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，

6、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,11,2.1 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； 流体的动力粘度，Pas； dp在长度dx的压差； dx-和流体流动方向一致的极小长度。,12,2.1 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。,13,2.1 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

7、瓦斯压力的平方，Pp2； p在位置n处的瓦斯压力，MPa； 煤层透气系数，m2/(MPa2.d)； B单位换算系数； K煤层的渗透率，m2； Pn1个大气压。,14,2.1 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：,15,2.1 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，为常数，,16,2.1 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，

8、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；,17,2.2 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。,18,19,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F01.5时结束。 一般认为瓦斯涌出阶段在F01.5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

9、压力时，误差就增大，特别是在流动后期，F00.4其误差更大。,2.2 瓦斯在均质有限煤层的单向不稳定流动,20,2.3 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。,21,2.3 瓦斯在实际煤层的单向不稳定流动,假设,式中，n为待定常数，m为指数，取决于矿山压力和煤质结构。,解得,22,23,1.1 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

10、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,24,3 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,25,3 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。,26,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，Re100，紊流，流动阻力与流速平方成