煤矿瓦斯及其防治技术探讨(编辑修改稿)

煤矿瓦斯及其防治技术探讨(编辑修改稿)内容摘要：

气体分子被强烈地吸 5 附于煤的固体表面时，就产生表面扩散。 对吸附性极强的煤来说，表面扩散占有很大比重。 当孔隙直径与瓦斯气体分子尺寸相差不大，压力足够大时，瓦斯气体分子就会进入微孔隙中以固溶体存在，发生晶体扩散，在煤体扩散中一般比较小。 菲克型扩散 当 Kn ≥10 时， 由 于孔隙直径远大于瓦斯气体分子的平均自由程 ，因此扩散是由于瓦斯气体分子之间的无规则运动引起的，可以用菲克扩散定律去描述，即 XCDJ f  （ 5） 式中： J ———瓦斯气体通过单位面积的扩散速度， kgP(sm2 ) ； XC———沿扩散方向的浓度梯度； Df ———菲克扩散系数， m2/s； C ———瓦斯气体的浓度， kg/m2。 等式中由于扩散是沿着浓度减少的方向进行的 ，而扩散系数总是正的，故式中要加一个 负号。 由于孔道是弯曲的各种形状，同时又是相互连通的通道，所以扩散路径因孔隙通道的曲折而增长，孔截面收缩可使扩散流动阻力增大，从而使实际的扩散通量减少。 考虑以上因素，瓦斯气体分子在煤层内有效扩散系数可定义为： ffe DD  （ 6） 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，为修正扩散路径变化而引入的。 对于给定状态的某种瓦斯气体来讲，菲克型扩散的扩散系数大小取决于煤本身的孔隙结构特征。 诺森 型扩散 当 Kn ≤0. 1 时 ,瓦斯气体在煤层中的扩散属于诺森型扩散，根据分子运动论，在半径为 r 的孔隙内，由于壁面的散射而引起的瓦斯分子扩散系数为： MRTrDk 832 （ 7） 式中： Dk ———诺森扩散系数； r ———孔隙平均半径， m； R ———普适气体常数； T ———绝对温度， K； M ———瓦斯气体分子量。 若考虑有效表面孔隙率、曲折因子半径变化等因素 ,则有效扩散系数为： 6 MRTsMRTsDD kke   238834 2 （ 8） 式中： s ———煤粒的比表面积 ， m2/kg； ρ———煤密度， kg/m3。 从上式中可以看出 ,诺森扩散系数与煤的结构和煤层的温度等有关。 过渡型扩散 当 0. 1 Kn 10 时 ,孔隙直径与瓦斯气体分子的平均自由程相近，分子之间的碰撞和分子与壁面的碰撞同样重要，扩散过程受两种扩散机理的制约，在恒压下其有效扩散系数与菲克扩散和诺森扩散系数的关系为： kefepe DDD111  （ 9） 表面扩散 对于凸凹不平的煤粒表面 ， 具有表面势阱强度即表面能量 Ea， 当瓦斯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 ， 见图 23。 图 23 瓦斯气体在煤表面上的表面扩散 表面扩散经常同普通的菲克型扩散在煤层较大孔隙中同时进行 ， 使扩散的总通量增大 ；另一种情况是当瓦斯气体被煤表面强烈吸附时 ， 吸附层增厚使得瓦斯气体扩散通量减少。 晶体扩散 煤晶体内的扩散阻力较大 ， 扩散通量较小。 由煤大分子结构可知 ， 煤是由周边联结有多种原子基团的缩聚芳香稠环 、 氢化芳香稠环通过各种桥键和交联键合边联结而成 ， 在其中含有各种缺陷、位错或空位。 当瓦斯气体压力较低时 ， 不易进入到芳香层之间或碳分子之间 ； 而当瓦斯压力较高时 ， 瓦斯气体分子则可能进入芳香层缺陷或煤物质大分子之间 ，发生晶体扩散。 当孔隙半径与瓦斯气体分子大小相差不大 ， 且压力足够大时 ， 瓦斯气体分子可以进入到煤微孔隙中以固溶体 (取代式固溶体、填隙式固溶体 ) 形式存在 ， 且不易脱附。 晶体扩散通量与瓦斯气体分子的化学位梯度成比例 ， 即 ： xCcpBRTxuBCJ  lnln （ 10） 化学位可用瓦斯气体的活度 a 或分压 p 代替 ， 由 Darken 关系式 ： 7 CpCDCaCDCD lnln)(lnln)()( 00  （ 11） 式中 ： B ———迁移率 ； D ———自扩散系数 ， 即由于瓦斯气体与煤的物理化学性质相似性。 由于瓦斯气体在煤层中以固溶体形式赋存的量较少 ， 一般在晶体的芳香层缺陷内的瓦斯量为 1 %～ 5 % ， 在芳香碳晶体内瓦斯量为 5 %～ 12 %， 所以只有当瓦斯压力很高时 ， 扩散才会较为明显 [6]。 瓦斯渗透 — 扩散理论 瓦斯渗透与扩散理论认为 ， 煤层内瓦斯运动是包含了渗透和扩散的混合流动过程。 煤层中存在相互沟通的裂隙网络 ， 沿着这些裂隙网络 ， 游离瓦斯流向低压工作面 ， 而煤体的透气率与该裂隙网络密切相关。 与此同时 ， 块煤内部的瓦斯解吸 ， 向裂隙扩散 ， 因此煤层中瓦斯的渗透率和介质的扩散性共同决定了瓦斯的流动状况 [7]。 非线性瓦斯流动理论 达西定律偏离的原因为 ： ① 流量过大 ； ② 分子效应 ；。