煤矿瓦斯灾害防治理论与技术进展

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1、报告人：聂百胜（教授、博导）联系方式：13671224746邮箱：bshnie@163.com日期：2014.5.13煤矿瓦斯灾害防治理论与技术进展中国矿业大学（北京）引言煤炭是我国最主要的能源，它占我国一次能源生产和消费结构75％~80％。据预测，到2050年，煤炭在我国一次能源消耗结构中所占比例仍会达到50％以上。作为世界上最大的产煤国，同时我国也面临着最严峻煤矿安全生产形势，在我国煤矿众多的灾害中，煤与瓦斯突出事故最为严重，对煤矿的人员安全和财产安全造成了巨大危害。这些年来，我们围绕煤吸附瓦斯微观机理、瓦斯在

2、煤层中扩散微观机理、煤岩加载破坏过程中的细观破坏效应、煤体瓦斯渗流规律及防治煤与瓦斯技术方面做了一些工作，并取得了一些成果。中国矿业大学（北京）煤矿瓦斯灾害防治理论与技术瓦斯吸附解吸渗流规律瓦斯突出预测防治理论与技术瓦斯抽放及突出防治技术目标内容应用基础研究技术开发研究思路装备开发现场应用研究思路及内容中国矿业大学（北京）煤吸附瓦斯微观机理研究瓦斯在煤层中扩散微观机理及模型研究基于CT的含瓦斯煤细观变形破坏规律煤与瓦斯突出流变机理脉动注水防突技术研究提高瓦斯抽放效果的热力方法硫化氢防治技术报告内容1.煤吸附瓦斯微观

3、机理研究煤吸附瓦斯微观机理研究煤吸附瓦斯微观机理研究瓦斯气体分子及煤大分子结构通常认为煤大分子呈三维交联网络结构。煤大分子的原子基团中有许多是极性的,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,也使得煤对瓦斯有很大的吸附能力。甲烷二氧化碳氮气气体分子模型示意图次烟煤表面模型高挥发性烟煤表面模型低挥发性烟煤煤表面模型无烟煤煤表面模型煤吸附瓦斯微观机理研究煤对矿井瓦斯气体的吸附力煤分子和瓦斯气体分子之间的作用力主要是范德华力，它包括静电作用力、德拜诱导力、伦敦色散力、库仑作用力。形成吸附势垒，所以吸附势垒是由

4、煤大分子结构和瓦斯气体的性质决定的。煤吸附瓦斯量的大小主要取决于瓦斯气体在煤表面的吸附势垒和煤瓦斯体系的温度。煤吸附瓦斯微观机理研究取向力：偶极距四极距德拜诱导力：伦敦色散力：库仑作用力:煤的表面分子与瓦斯气体分子的范德华力估算表kJ/mol煤吸附瓦斯微观机理研究气体N20-4.02×10-23-1.62×10-8-0.334-21.294-21.628CH400-2.39×10-8-0.036-29.244-29.280CO20-33.0×10-23-2.45×10-8-1.734-49.036-50.770瓦斯

5、气体的吸附热与凝聚热2.瓦斯在煤层中扩散微观机理及模型研究中国矿业大学（北京）瓦斯在煤层中扩散微观机理及模型研究孔隙气体在煤层中的扩散模式(1)孔隙气体在煤孔隙中的扩散模式用诺森数Kn将扩散分为一般的Fick型扩散、Knudsen型扩散和过渡型扩散.它的表达式为：式中:d为孔隙平均直径，m；K为孔隙气体分子的平均自由程，m。Fick型扩散Kn≥10Knudsen型扩散Kn≤0.1过渡型扩散型扩散0.1＜Kn＜10孔隙气体的扩散模式①Fick型扩散若考虑有效表面孔隙率,曲折因子半径变化等因素时,瓦斯气体分子在煤层内有

6、效扩散系数可定义为:式中:Dfe—瓦斯气体在煤层内的有效Fick扩散系数,m2/s;θ—有效表面孔隙率;τ—曲折因子(Tortuosityfactor),是为修正扩散路径变化而引入的。②Knudsen型扩散瓦斯在煤层中扩散微观机理及模型研究有效Knudsen扩散系数为:③过渡型扩散在恒压下其有效扩散系数与Fick扩散和诺森扩散系数的关系为：④表面扩散煤是一良好的吸附剂,当孔隙气体分子被强烈地吸附于煤的固体表面时,若孔隙气体分子的能量等于表面能ΔEa时,气体分子在煤表面形成表面扩散。孔隙气体在煤表面上的表面扩散瓦斯在

7、煤层中扩散微观机理及模型研究孔隙气体分子平均自由程对扩散能力的影响根据分子运动论,平均自由程可表示为瓦斯在煤层中扩散微观机理及模型研究常温下瓦斯分子平均自由程与压强的关系常压下瓦斯分子平均自由程与温度的关系P越大，λ越小，越容易扩散；温度升高，λ增大，不利于扩散，但实际上温度升高扩散能力加强，原因是：温度升高甲烷解吸,游离甲烷浓度增大；温度升高,根据气体状态方程,在体积不变时压强也升高,使得甲烷的扩散能力加强。其他条件相同下，甲烷气体更容易扩散。第三类边界条件下，煤粒瓦斯扩散物理数学模型瓦斯在煤层中扩散微观机理及模

8、型研究第三类边界条件下煤粒内瓦斯扩散浓度分布表达式：第三类边界条件下，煤粒瓦斯扩散物理数学模型瓦斯在煤层中扩散微观机理研究Bi是传质毕欧维数，从物体内外扩散阻力的大小，表征了物体扩散场的特点。Bi小，说明物体内部扩散阻力小，扩散能力强；Bi大，说明外部对流传质阻力小，气体在物体表面浓度和游离气体浓度越接近，气体在物体内外的浓度差越大。F0为传质傅立叶数，F0