煤礦瓦斯及其防治技術(shù)探討論(編輯修改稿)
2025-02-02 15:09 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 為修正擴散路徑變化而引入的。 對于給定狀態(tài)的某種瓦斯氣體來講，菲克型擴散的擴散系數(shù)大小取決于煤 本身的孔隙結(jié)構(gòu)特征。 諾森型擴散 當(dāng) Kn ≤0. 1 時 ,瓦斯氣體在煤層中的擴散屬于諾森型擴散，根據(jù)分子運動論，在半徑為 r 的孔隙內(nèi)，由于壁面的散射而引起的瓦斯分子擴散系數(shù)為： MRTrDk ?832? （ 7） 式中： Dk ———諾森擴散系數(shù)； r ———孔隙平均半徑， m； R ———普適氣體常數(shù)； T ———絕對溫度， K； M ———瓦斯氣體分子量。 若考慮有效表面孔隙率、曲折因子半徑變化等因素 ,則有效擴散系數(shù)為： MRTsMRTsDD kke ???????? ? 238834 2???? （ 8） 式中： s ———煤粒的比表面積， m2/kg； ρ———煤密度， kg/m3 。 從上式中可以看出 ,諾森擴散系數(shù)與煤的結(jié)構(gòu)和煤層的溫度等有關(guān)。 過渡型擴散 當(dāng) 0. 1 Kn 10 時 ,孔隙直徑與瓦斯氣體分子的平均自由程相近，分子之間的碰撞和分子與壁面的碰撞同樣重要，擴散過程受兩種擴散機理的制約，在恒壓下其有效擴散系數(shù)與菲克擴散和諾森擴散系數(shù)的關(guān)系為： kefepe DDD111 ?? （ 9） 表面擴散 對于凸凹不平的煤粒表面 ， 具有表面勢阱強度即表面能量 Ea， 當(dāng)瓦斯氣體分子 的能量等于表面能 ΔEa 時 ， 氣體分子在煤表面形成表面擴散 ， 見圖 23。 5 圖 23 瓦斯氣體在煤表面上的表面擴散 表面擴散經(jīng)常同普通的菲克型擴散在煤層較大孔隙中同時進行 ， 使擴散的總通量增大 ；另一種情況是當(dāng)瓦斯氣體被煤表面強烈吸附時 ， 吸附層增厚使得瓦斯氣體擴散通量減少。 晶體擴散 煤晶體內(nèi)的擴散阻力較大 ， 擴散通量較小。由煤大分子結(jié)構(gòu)可知 ， 煤是由周邊聯(lián)結(jié)有多種原子基團的縮聚芳香稠環(huán) 、 氫化芳香稠環(huán)通過各種橋鍵和交聯(lián)鍵合邊聯(lián)結(jié)而成 ， 在其中含有各種缺陷、位錯或空位。當(dāng)瓦斯氣體壓力較低時 ， 不易進入到芳香層之間 或碳分子之間 ； 而當(dāng)瓦斯壓力較高時 ， 瓦斯氣體分子則可能進入芳香層缺陷或煤物質(zhì)大分子之間 ，發(fā)生晶體擴散。當(dāng)孔隙半徑與瓦斯氣體分子大小相差不大 ， 且壓力足夠大時 ， 瓦斯氣體分子可以進入到煤微孔隙中以固溶體 (取代式固溶體、填隙式固溶體 ) 形式存在 ， 且不易脫附。晶體擴散通量與瓦斯氣體分子的化學(xué)位梯度成比例 ， 即 ： xCcpBRTxuBCJ ??????????? lnln （ 10） 化學(xué)位可用瓦斯氣體的活度 a 或分壓 p 代替 ， 由 Darken 關(guān)系式 ： CpCDCaCDCD lnln)(lnln)()( 00 ??????? （ 11） 式中 ： B ———遷移率 ； D ———自擴散系數(shù) ， 即由于瓦斯氣體與煤的物理化學(xué)性質(zhì)相似性 。 由于瓦斯氣體在煤層中以固溶體形式賦存的量較少 ， 一般在晶體的芳香層缺陷內(nèi)的瓦斯量為 1 %～ 5 % ， 在芳香碳晶體內(nèi)瓦斯量為 5 %～ 12 %， 所以只有當(dāng)瓦斯壓力很高時 ， 擴散才會較為明顯 [6]。 瓦斯?jié)B透 — 擴散理論 瓦斯?jié)B透與擴散理論認(rèn)為 ， 煤層內(nèi)瓦斯運動是包含了滲透和擴散的混合流動過程。煤層中存在相互溝通的裂隙網(wǎng)絡(luò) ， 沿著這些裂隙網(wǎng)絡(luò) ， 游離瓦斯流向低壓工作面 ， 而煤體的透氣率與該裂隙網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)。與此同時 ， 塊煤內(nèi)部的瓦斯解 吸 ， 向裂隙擴散 ， 因此煤層中瓦斯的滲透率和介質(zhì)的擴散性共同決定了瓦斯的流動狀況 [7]。 非線性瓦斯流動理論 達(dá)西定律偏離的原因為 ： ① 流量過大 ； ② 分子效應(yīng) ； ③ 離子效應(yīng) ； ④ 流體本身的非牛頓態(tài)勢。著名的流體力學(xué)家 EM. Allen 指出 ， 將達(dá)西定律用于描述從均勻固體物 (煤樣 ) 中涌出瓦 6 斯的試驗 ， 結(jié)果導(dǎo)致了與實際觀測不相符合的結(jié)論。從通過變化壓差測定煤樣瓦斯?jié)B透率看 ， 達(dá)西定律不太符合瓦斯流動規(guī)律 [8]。在大量試驗研究的基礎(chǔ)上提出了更能符合瓦斯流動的基本規(guī)律 —冪定律 (Power Law) 。 mx dxdpq )(??? （ 12） 式中 ： qx ——在 x點的比流量 ， m3/P(m2d) 。 m ——滲透指數(shù) ， m = 1～ 2。 該理論用于中雷諾數(shù)區(qū) ， Re = 10～ 100， 此時為非線性層流區(qū)域。 多煤層系統(tǒng)瓦斯越流理論 根據(jù)地下滲流力學(xué)多煤層瓦斯越流的定義 ， 如保護層開采的有效保護范圍的確定問題、井下鄰近層 (采空區(qū) ) 瓦斯抽放工程的合理布孔設(shè)計
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