煤體內(nèi)瓦斯的物理特性和流動(dòng)理論分析

韓修彪

(貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)工業(yè)和信息化局, 貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 前 言

煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象,也是煤礦中常見的一種災(zāi)害事故,它是指煤與瓦斯在較短的時(shí)間內(nèi)向工作面或巷道涌出的一個(gè)過程。此事故的發(fā)生會(huì)造成大量的設(shè)備損壞及人員的傷亡。要想預(yù)防這種煤與瓦斯突出就要去了解煤體內(nèi)瓦斯的物理特性和流動(dòng)理論?，F(xiàn)對(duì)煤體內(nèi)瓦斯的物理特性與流動(dòng)理論進(jìn)行研究分析。

1 煤體的物理特性

1.1 煤體的吸附特性與強(qiáng)度

煤體內(nèi)部的表面積很大,它是一種多孔介質(zhì),煤體內(nèi)部面積給煤體吸附氣體創(chuàng)造條件,在孔隙的內(nèi)表面產(chǎn)生剩余力量,孔隙表面的一些氣體分子吸附這種剩余力量,被吸附的是比較容易液化的氣體,液化越容易被吸附就越容易。

煤體的抗壓強(qiáng)度是指煤體發(fā)生破壞時(shí)的最大壓應(yīng)力[1],也就是說當(dāng)壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí),煤體就會(huì)發(fā)生破壞,可以把煤與瓦斯突出的過程看成煤體破壞的過程,通常發(fā)生突出的是堅(jiān)硬的煤體,發(fā)生突出一般是在煤體發(fā)生破壞時(shí)。研究煤體的突出,就是要了解煤體強(qiáng)度的承受極限[2]。

1.2 鉆孔周圍煤體應(yīng)力及其破壞

煤體在未受到外界采掘的影響時(shí),煤體的應(yīng)力處于平衡狀態(tài)[3]。在煤體中打鉆孔后,應(yīng)力平衡遭到破壞,應(yīng)力重新分布,以前的形狀也會(huì)被破壞,瓦斯含量和煤體透氣性會(huì)改變,煤體中瓦斯的運(yùn)移及瓦斯壓力會(huì)受到影響。

2 煤體的壓縮試驗(yàn)

2.1 壓縮試驗(yàn)

根據(jù)煤的力學(xué)性質(zhì),煤體受到外力壓迫后,會(huì)發(fā)生崩裂、變形。現(xiàn)取某煤礦3號(hào)煤層3個(gè)矩形煤樣,采用WDW3100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作壓縮試驗(yàn),通過作壓縮試驗(yàn),得出了力－位移曲線圖,見圖1～圖3。其中煤樣1長(zhǎng)度為140 mm,寬度為50 mm,面積為7000 mm2。煤樣2長(zhǎng)度為120 mm,寬度為70 mm,面積為8400 mm2。煤樣3長(zhǎng)度為140 mm,寬度為60 mm,面積為8400 mm2。

圖1 煤樣1的力－位移曲線

圖2 煤樣2的力－位移曲線

2.2 壓縮實(shí)驗(yàn)分析

由圖1～圖3可知,煤樣1最大力為1659 N,抗壓強(qiáng)度為0.24 MPa;煤樣2最大力為678 N,抗壓強(qiáng)度為0.08 MPa;煤樣3最大力為5143 N,抗壓強(qiáng)度為0.61 MPa。由此得出3個(gè)煤樣的最大壓力與抗壓強(qiáng)度有區(qū)別,故大致取3個(gè)煤樣的平均值,即最大壓力為2493 N,抗壓強(qiáng)度為0.31 MPa。

圖3 煤樣3的力－位移曲線

3 瓦斯的流動(dòng)理論

3.1 瓦斯在煤層中的運(yùn)移

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與層流運(yùn)動(dòng)是煤層瓦斯在煤層中常見的流動(dòng)形式。因?yàn)?煤體是由裂隙與孔隙組成的,而煤層是其的一種介質(zhì),同時(shí)存在于煤層中的也有孔隙與裂隙。在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的是氣體,那么可以將瓦斯在煤層中的流動(dòng),看成是氣體的流動(dòng)。從孔隙結(jié)構(gòu)的微孔上講,這種流動(dòng)稱之為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。從另一邊方面即煤層中存在著裂隙上講,這種流動(dòng)稱之為層流滲透運(yùn)動(dòng)[4]。

3.2 瓦斯在煤層中流動(dòng)的理想方程

可以將煤體看作是一個(gè)多孔介質(zhì),首先對(duì)瓦斯流動(dòng)中的模型做出假設(shè)：

(1)把煤層頂?shù)装蹇闯刹煌笟鈳r層,因?yàn)榕c煤層透氣性作比較,煤層頂?shù)装逋笟庑员让簩油笟庑砸?

(2)認(rèn)為煤層是均勻的、各向同性的,煤層中瓦斯壓力的影響對(duì)煤層的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不產(chǎn)生影響;

(3)煤層瓦斯的含量是由游離瓦斯、吸附瓦斯組成的,由下列公式組成：

式中,X為瓦斯含量;n為孔隙率;B為量綱修正系數(shù);p為瓦斯壓力;a、b為朗格繆爾吸附常數(shù);f(t)、f(m)、f(v)為溫度、水分和可燃物的修正系數(shù)。

(4)將瓦斯看做成理想氣體,滲透過程按等溫處理來同比;

(5)煤層中瓦斯流動(dòng)符合達(dá)西定律：

式中,Kx、Ky、Kz為煤層沿x、y、z方向的滲透率;M為瓦斯粘性系數(shù);μ為平均流速,m/s。

根據(jù)上述做出的假設(shè),由質(zhì)量守恒可以得出：

式中,M為瓦斯質(zhì)量,在一般情況,數(shù)值上與煤層瓦斯含量相等,m3/t;ρ為瓦斯的密度,kg/m3。

由上述所列的方程,流動(dòng)方程可建立成瓦斯在煤層中徑向,單項(xiàng),球向等流動(dòng)方程。在均質(zhì)的煤層中來看,Kx＝Ky＝Kz＝K;在穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)下從上述來看,符合拉普拉斯方程?2p＝0[5]。

4 瓦斯突出條件及消突機(jī)理

4.1 煤與瓦斯突出的條件及因素

(1)煤與瓦斯發(fā)生突出的條件。巷道掘進(jìn)過程中,它是力的轉(zhuǎn)換,由一種應(yīng)力的平衡轉(zhuǎn)換到另一種應(yīng)力平衡。在巷道的周圍,煤層及其圍巖等在受力不同的情況下,也在不斷的發(fā)生變形、變化,在受力的情況下,也可導(dǎo)致煤層及圍巖部分等全部破碎或破壞。在通常情況下,一般在力的作用下,轉(zhuǎn)變通常表現(xiàn)為煤的變化、壓出。

(2)煤與巖石體內(nèi)力與能量的傳遞。煤破碎時(shí),裂隙會(huì)逐漸增多,會(huì)使瓦斯斷面、瓦斯解吸的表面積增加,給煤中存在的平衡轉(zhuǎn)變、作用力的轉(zhuǎn)換、瓦斯排放提供了有利的條件[6]。在煤體突然破碎及破壞的時(shí)候,瓦斯還未來得及排放與排出,部分的動(dòng)能會(huì)直接傳遞給煤體[7]。

4.2 鉆孔預(yù)抽瓦斯消突機(jī)理

要使具有突出危險(xiǎn)性煤層中的瓦斯壓力與含量降低,可以通過抽采,抽采鉆孔的施工可以使鉆孔周圍煤層局部的卸壓,減輕突出發(fā)生的主動(dòng)力與能量,使煤體內(nèi)的瓦斯?jié)撃艿玫结尫?煤體的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性與煤層透氣性、強(qiáng)度、應(yīng)力有關(guān)系,瓦斯釋放出來以后,透氣性會(huì)增大,強(qiáng)度增大,煤層應(yīng)力會(huì)減小,煤與瓦斯突出的阻力會(huì)提高。由以上可得,煤層突出危險(xiǎn)性的消除與減弱可以從增強(qiáng)抵抗突出、減弱煤層突出的主動(dòng)力2個(gè)方面來進(jìn)行。鉆孔抽采瓦斯消突機(jī)理如圖4所示。

圖4 鉆孔抽采瓦斯消突機(jī)理示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

采用WDW3100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn),得出煤體最大壓力與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,會(huì)影響煤體間應(yīng)力的分布,在未實(shí)施之前,煤體的應(yīng)力處于平衡狀態(tài),實(shí)施之后,鉆孔周圍的應(yīng)力會(huì)重新分布且會(huì)破壞原有的形狀,使瓦斯的壓力與含量改變,造成瓦斯在煤體中的運(yùn)移。將煤體看作多孔介質(zhì),對(duì)瓦斯流動(dòng)中的模型做了假設(shè),煤層中的瓦斯流動(dòng)符合達(dá)西定律。