《煤體瓦斯運移理論及應用》是作者根據多年的研究總結而成，主要結合物理化學、滲流力學、熱力學等多學科的理論，分析了煤體吸附瓦斯的微觀機理、影響因素及過程；介紹了煤吸附瓦斯的實驗系統、數據處理軟件及吸附實驗的過程和結果；研究了煤吸附瓦斯的表面自由能、等量吸附熱及吸附勢；分析了煤分子結構模型，利用Gaussian軟件模擬了煤表面分子對甲烷分子的吸附及煤表面分子對多元混合瓦斯分子的相互作用；分析了瓦斯在煤體中的擴散模型，建立了煤層瓦斯解吸擴散過程的物理數學模型，實驗研究了煤體瓦斯解吸擴散特征；實驗研究了外加場對煤體瓦斯吸附解吸的影響，探討了外加場對煤體瓦斯吸附解吸影響機理；實驗研究了真三軸和假三軸作用下瓦斯在煤體中的滲流規律，建立了考慮吸附作用的煤體瓦斯固流耦合理論；分析了瓦斯抽放的制約因素和瓦斯運移的自主通道和人工通道強化方法。
《煤體瓦斯運移理論及應用》可供從事煤礦安全、瓦斯災害防治、瓦斯運移理論研究等領域的科技工作者、研究生、本科生等參考。
前言
第1章 緒論
1.1 煤礦瓦斯災害現狀
1.2 煤體瓦斯吸附解吸擴散理論和實驗研究現狀
1.2.1 煤體瓦斯吸附解吸擴散實驗研究現狀
1.2.2 煤體瓦斯吸附理論研究現狀
1.2.3 煤體瓦斯解吸擴散理論研究現狀
1.2.4 煤對多元氣體的吸附研究現狀
1.3 煤體瓦斯滲流理論和實驗研究現狀
1.3.1 煤體瓦斯滲流實驗研究現狀
1.3.2 煤體瓦斯滲流理論研究現狀
1.4 本書研究內容
第2章 煤體瓦斯吸附微觀機理
2.1 瓦斯的性質及微觀特性
2.2 煤的結構及微觀特征
2.2.1 煤的化學結構
2.2.2 煤的物理結構
2.2.3 煤吸附瓦斯相關基本物性參數測試
2.3 煤吸附瓦斯的微觀機理
2.3.1 煤吸附瓦斯的機理
2.3.2 煤吸附瓦斯的微觀作用力
2.3.3 礦井瓦斯氣體與煤表面分子間力的分析
2.4 煤體吸附瓦斯的過程
2.4.1 煤體吸附瓦斯的過程
2.4.2 吸附速率方程
2.5 小結
第3章 煤體瓦斯吸附實驗方法
3.1 測試方法
3.1.1 測試方法
3.1.2 目前煤的甲烷吸附量測定的幾個標準對比分析
3.1.3 測試方法選擇
3.2 實驗系統
3.2.1 現有的實驗系統
3.2.2 實驗系統研制
3.2.3 實驗裝置功能
3.2.4 實驗裝置的標定
3.3 瓦斯吸附實驗
3.3.1 實驗準備
3.3.2 實驗步驟
3.3.3 數據處理
3.3.4 實驗結果
3.4 實驗結果分析
3.4.1 煤的變質程度
3.4.2 煤中的水分
3.4.3 瓦斯壓力
3.4.4 吸附溫度
3.4.5 煤巖的顯微組分
3.5 小結
第4章 煤體對多元氣體的吸附實驗
4.1 煤體對單一氣體的吸附結果分析
4.2 多組分吸附實驗方法
4.2.1 配氣方法
4.2.2 吸附實驗與數據處理方法
4.2.3 多組分吸附的體積校正方法
4.3 煤體吸附多組分氣體的特征和規律
4.3.1 煤體吸附多組分氣體特征
4.3.2 多組分吸附模型的預測方法
4.3.3 多組分吸附模型分析方法
4.3.4 不同模型的適用性及多組分吸附規律
4.4 多組分吸附的應用實例
4.5 小結
第5章 煤表面分子吸附瓦斯分子模擬分析
5.1 煤的分子結構模型研究
5.2 分子模型構建
5.2.1 計算模型的構建
5.2.2 煤表面分子模型的確定
5.2.3 氣體分子模型的確定
5.3 煤體表面分子片段模型的選擇
5.4 煤表面分子與甲烷分子的相互作用能
5.4.1 與單個甲烷分子相互作用的計算
5.4.2 與多個甲烷分子相互作用的計算
5.5 煤表面分子與多元混合瓦斯分子的相互作用計算
5.5.1 吸附能的計算
5.5.2 吸附幾何構型
5.5.3 電荷集居數的計算
5.6 煤表面分子吸附瓦斯分子研究結果分析
5.7 小結
第6章 煤吸附瓦斯熱力學
6.1 吸附熱力學
6.1.1 表面熱力學特性函數基本方程
6.1.2 表面吸附熱力學
6.1.3 吸附能的測定
6.2 煤的吸附表面自由能及其計算
6.2.1 煤表面自由能的形成和特點
6.2.2 煤表面自由能的計算
6.2.3 煤表面自由能的應用探討
6.3 等量吸附熱
6.3.1 吸附熱分類及其測試方法
6.3.2 斜率計算法
6.3.3 Langmuir參數計算法
6.4 等溫吸附曲線預測
6.4.1 吸附勢理論
6.4.2 吸附特性曲線
6.4.3 吸附特性曲線的繪制
6.4.4 不同溫度下等溫吸附曲線預測
6.5 小結
第7章 煤體瓦斯解吸擴散規律
7.1 瓦斯在煤體中的擴散模型
7.2 煤體瓦斯解吸擴散實驗研究
7.2.1 煤樣的采集與制各
7.2.2 實驗方法
7.2.3 實驗測定結果的處理方法
7.2.4 煤體瓦斯解吸擴散規律及影響因素分析
7.3 第三類邊界條件下的煤粒瓦斯解吸擴散模型
7.3.1 多孔介質的連續介質方法及其中流體的質量濃度
7.3.2 帶擴散連續性方程式的推導
7.3.3 煤粒瓦斯解吸擴散動力過程
7.3.4 煤粒瓦斯解吸擴散物理數學模型
7.3.5 煤粒瓦斯擴散方程的解析解
7.3.6 煤粒瓦斯擴散方程解析解的應用
7.4 小結
第8章 外加場對煤體瓦斯吸附解吸影響規律
8.1 電磁場對煤體瓦斯吸附解吸的影響規律
8.1.1 實驗系統
8.1.2 實驗前的準備
8.1.3 實驗結果及數據處理
8.2 聲場對煤體瓦斯吸附的影響規律
8.2.1 實驗系統
8.2.2 實驗前的準備
8.2.3 實驗結果及數據處理
8.3 外加場對煤體瓦斯吸附解吸的影響機理
8.3.1 電磁場對煤體瓦斯吸附解吸的作用機理
8.3.2 聲場對煤體瓦斯吸附的作用機理
8.4 小結
第9章 煤體瓦斯滲流規律研究
9.1 煤體瓦斯滲流實驗裝置
9.1.1 假三軸煤體滲流規律實驗系統
9.1.2 真三軸煤體滲流規律實驗系統
9.2 假三軸煤體滲流規律實驗
9.2.1 煤樣的制取
9.2.2 實驗步驟
9.2.3 煤體滲透率計算公式
9.2.4 實驗結果及分析
9.3 真三軸煤體滲流規律實驗
9.3.1 煤樣的制取
9.3.2 實驗步驟
9.3.3 實驗結果及分析
9.4 考慮吸附作用的煤體瓦斯固流耦合理論
9.4.1 基本假設
9.4.2 煤體滲流場方程
9.4.3 煤體應力場方程
9.5 氣體吸附性對煤層滲流的影響
9.5.1 不同氣體對滲透率的影響
9.5.2 吸附性影響煤層滲透性的機理
9.5.3 氣體吸附性對煤層滲透率影響的現場測試實驗
9.6 小結
第10章 煤層瓦斯運移理論的應用分析
10.1 瓦斯抽放制約因素分析
10.1.1 擴散對瓦斯抽放的影響分析
10.1.2 滲流對瓦斯抽放的影響分析
10.2 采動影響下煤體滲流通道演化觀測方法分析
10.2.1 實驗地點概況
10.2.2 頂板巖層裂隙測試方案
10.2.3 頂板巖層裂隙測試結果
10.2.4 基于圖像處理的頂板裂隙演化規律
10.2.5 基于觀測結果的瓦斯抽放鉆孔布置
10.3 瓦斯抽采自主與人工通道強化方法
10.3.1 煤層瓦斯運移通道強化方法
10.3.2 開采煤層保護層
10.3.3 高壓磨料射流割縫卸壓增透技術
10.3.4 深孔預裂爆破抽放瓦斯
10.4 小結
參考文獻
1.1 煤礦瓦斯災害現狀
我國的煤炭資源十分豐富，是世界上較大的煤炭生產國和消費國。煤炭是我國的主要能源支柱［1］，隨著國民經濟的快速發展，供需形勢呈穩步上升狀態，2003年全國原煤產量約為16.7億t，2004年原煤產量約為19.56億t，2005年原煤產量為21.9億t，2006年原煤產量達23.8億t，2007年原煤產量達25.36億t，2008年原煤產量為27.93億t，2012年原煤產量約為36.5億t，如圖1-1所示。2007年，中國能源礦產新增探明資源儲量有較大增加，已經查證的煤炭儲量達到7241.16億t，其中生產和在建已占用儲量為1868.22億t，尚未利用儲量達4538.96億t。在一次能源消費構成中，煤炭占到70％左右。雖然近些年我國的能源生產和消費結構發生了一定的變化，但是在今后30～50年，我國的能源消耗以煤為主的格局不會改變。
圖1-1 近幾年我國原煤產量
資料來源：中華人民共和國國家統計局煤礦瓦斯事故一直是我國煤炭企業安全生產的重大事故隱患。我國煤礦均為有瓦斯涌出的礦井，全國煤礦年瓦斯涌出量在100億m3以上。高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井煤炭產量約占全國煤炭總產量的1/3。煤礦安全生產"十一五"規劃中指出，我國國有重點煤礦中，高瓦斯礦井占21.0％；煤與瓦斯突出礦井占21.3％；低瓦斯礦井占57.7％。地方國有煤礦和鄉鎮煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井占15％。隨著開采深度的增加及瓦斯涌出量的增大，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井的比例還會增加［2］。國有重點煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井煤
炭產量占42％。在45戶安全重點監控企業中，高瓦斯礦井與煤與瓦斯突出礦井的數量和產量分別占60.2％和60.6％［3］。
瓦斯是一種易燃易爆的物質，當它與空氣或氧氣混合并達到一定濃度后，就具有可傳播燃燒、爆炸的性質，一旦遇到一定強度的誘發能量時，即可發生燃燒、爆炸，甚至破壞力更大的爆轟，在很大的范圍內產生嚴重的后果。煤礦瓦斯爆炸事故往往導致通風系統破壞，風流紊亂，有毒有害氣體擴散，甚至發生連續的災害事故，并給救災工作帶來極大的困難和危險。新中國成立以來，我國煤礦共發生一次死亡人數在100人以上的特大事故25起，其中22起事故屬于瓦斯爆炸事故，見表1-1。僅在2004年和2005年兩年就發生死亡人數在100人以上的瓦斯爆炸事故5起，807人遇難。2007年累計發生瓦斯爆炸事故43起，較大的一起發生于2007年12月5日，山西省臨汾市洪洞縣原新窯煤礦井下發生瓦斯爆炸事故，105人遇難，這是2006年以來中國最嚴重的煤礦安全生產事故。瓦斯爆炸事故給煤礦的安全生產帶來了極大的威脅，而且井下一次爆炸后經常會伴隨連續爆炸與多次爆炸，大大增加了爆炸帶來的傷亡和危害，同時嚴重威脅救護與搶險人員的生命安全。例如，1997年11月27日淮南礦務局謝二礦在20個小時內瓦斯連續爆炸5次，其后又發生近千次爆炸，造成70多人死亡和巨大財產損失；陜西銅川陳家山煤礦首次爆炸后由于現場條件復雜，再次爆炸隨時發生，嚴重影響了救護隊員的搜救。
表1-1 新中國成立以來死亡人數在100人以上的煤礦事故發生時間發生地點事故類別死亡人數/人
1950 .2 .27河南宜洛煤礦老李溝井瓦斯爆炸187
1954 .12 .6內蒙古包頭大發煤礦瓦斯煤塵爆炸104
1960 .5 .9山西大同局老白洞煤礦煤塵爆炸684
1960 .5 .14重慶松藻煤礦煤與瓦斯突出125
1960 .11.28河南平頂山局龍山廟煤礦瓦斯煤塵爆炸187
1960 .12 .15重慶中梁山煤礦瓦斯煤塵爆炸124
1961 .3 .16遼寧撫順局勝利礦電氣火災110
1968 .10 .24山東新汶華豐煤礦煤塵爆炸108
1969 .4 .4山東新汶潘西煤礦瓦斯煤塵爆炸115
1975 .5 .11陜西銅川焦坪煤礦瓦斯煤塵爆炸101
1977 .2 .24江西豐城坪湖煤礦瓦斯爆炸114
1981 .12 .24河南平頂山局五礦瓦斯煤塵爆炸133
1991 .4 .21山西洪洞縣三河煤礦瓦斯煤塵爆炸147
1996 .11 .27山西大同新榮區郭家窯鄉東村煤礦瓦斯煤塵爆炸114
續表
發生時間發生地點事故類別死亡人數/人
2000 .9 .27貴州水城木沖溝煤礦瓦斯爆炸162
2002 .6 .20黑龍江城子河煤礦瓦斯爆炸124
2004 .10 .20河南大平煤礦瓦斯爆炸148
2004 .11 .28陜西銅川陳家山煤礦瓦斯爆炸166
2005 .2 .14遼寧阜新孫家灣煤礦瓦斯爆炸214
2005 .8 .7廣東梅州大興煤礦透水事故121
2005 .11 .27黑龍江東風煤礦煤塵爆炸171
2005 .12 .7河北劉官莊屯煤礦瓦斯爆炸108
2007 .8 .17山東新泰華源公司透水事故172
2007 .12 .5山西洪洞縣原新窯煤礦瓦斯爆炸105
2009 .11 .21黑龍江龍煤集團新興煤礦瓦斯爆炸108
煤與瓦斯事故已經成為制約我國煤炭行業發展的重要因素。它會在極短的時間內從煤(巖)體中噴出大量煤與瓦斯，同時伴隨強烈的動力現象，并易引發重大瓦斯爆炸事故。不但會造成人員、財物的重大損失，而且會嚴重影響我國在國際社會的形象。
煤礦生產中，隨著機械化程度的提高，特別是綜放采煤技術的廣泛推廣應用，工作面上隅角瓦斯積聚和超限現象的出現更加頻繁，嚴重影響著煤礦的安全生產和勞動者的人身安全，影響著高效綜放采煤技術的推廣應用。若瓦斯排放到大氣中，還會產生極強的溫室效應，破壞環境。在我國煤礦開采中，由瓦斯引起的工傷事故占30％～40％，每年向大氣排放的甲烷量為194億m3，約占世界采煤排放甲烷總量的1/3，引起世界關注。但是，從另一角度看，瓦斯又是一種潔凈能源，我國資源豐富，埋深2000m以上的煤層氣資源約為35萬億m3，其中探明儲量約12萬億m3，遠景儲量為23萬億m3，具有巨大的開發潛力［4］。
為此，無論是把煤層瓦斯作為一種資源進行抽放來綜合開采，還是把瓦斯作為一種災害因素加以防治，都必須研究煤對瓦斯吸附解吸擴散滲流的過程和規律。只有把這些基礎理論研究清楚，才能揭示煤與瓦斯突出發生機理，為煤礦的安全生產及加強煤層瓦斯的抽采提供理論基礎。
1.2 煤體瓦斯吸附解吸擴散理論和實驗研究現狀
1.2.1 煤體瓦斯吸附解吸擴散實驗研究現狀
煤是一種天然吸附劑，具有很強的吸附能力［5］。多年來，人們為了解其吸附解吸機理進行了大量實驗研究。其中煤對甲烷的吸附容量是根據一定壓力范圍內的吸附等溫線得到的。吸附等溫線的測量一般有兩種方法［6］：一種是重量法，另一種是容積法。重量法是在恒定溫度下，測試吸附前后單位吸附劑重量變化來獲得吸附等溫線數據；容積法是在恒定溫度下，測試吸附前后體系的壓力變化來計算獲得吸附等溫線數據。按測試過程，容積法又可再分為動態法和靜態法，動態法是指吸附氣體不斷流過吸附劑表面，在動態情況下獲得所需的吸附等溫線數據；靜態法是通過加入一定量的吸附氣體，等其平衡后獲得吸附等溫線數據，通過再加入吸附氣體再平衡直至獲得整條吸附等溫線數據。重量法需要校正吸附劑在氣相中的浮力，微量增重不易測得；容積法只需要測試吸附平衡前后的壓力變化，具有較高的度。與動態法相比，靜態法可使吸附充分平衡，度較高，同時使用的吸附氣量少，裝置簡單，因而吸附等溫線通常采用靜態容積法測試，如標準的比表面等溫線測試方法就是利用靜態容積法測試氮氣在液氮溫度條件下于吸附劑上的吸附等溫線。靜態容積法的步驟是通過先標定裝有吸附劑空間的死體積(通常使用犎犲標定)，然后加入定劑量的吸附氣體，再測試吸附平衡后的壓力。通過平衡壓力和已知吸附空間的死體積可求得吸附平衡后剩余氣體的量，通過加入量與剩余氣體量之差可獲得吸附等溫線數據，重復以上步驟就可以獲得整條等溫線數據。煤對瓦斯吸附解吸的國內外研究，主要集中在瓦斯吸附的影響因素上。
Ettinger等［7］在研究了煤的變質程度對甲烷吸附量的影響后認為，煤對甲烷的吸附量隨煤的變質程度的升高而增大。但吳俊［8］的研究卻表明，煤的甲烷吸附量與揮發分呈凹型曲線，并在Vdaf=23％～28％有一極小值，這一現象與煤的比表面積變化有關。陳昌國等［9］觀察到煤的比表面積在Vdaf=20％～30％有一最小值。Yee等［10］指出煤的吸附能力隨煤級增高呈"犝"字形變化，最小值在高揮發分煙煤犃階段。Levy等［11］研究得出了5犕犘a平衡壓力下的吸附量隨煤中固定碳含量的增高而增加。Bustin和Clarkson［12］認為煤的吸附量總體上和煤級的變化關系不明顯，但在個別盆地(如澳大利亞悉尼盆地)煤的吸附量隨煤級的升高而明顯增大。傅雪海等［13，14］對特高煤級煤在平衡水分條件下的吸附特征進行了研究，認為朗繆爾(Langmuir)體積在Ro(max)
為4.5％附近出現拐點，但對低煤級煤在平衡水分條件下的吸附特征研究表明，低煤級煤Langmuir體積與煤級的關系同中、高煤級煤與煤級的關系演化趨勢基本一致，即隨煤級的增高逐漸增大，但對低煤級煤而言，煤的變質程度對Langmuir體積的影響有所削弱，其他因素的影響有所增強，Langmuir壓力總體比中、高煤級煤低，但在低煤級系列內，Langmuir壓力隨煤級的升高而呈減少的趨勢。蘇現波等［15］系統探討了平衡水分下煤的吸附能力與煤階的關系。崔永君等［16］在研究不同煤級的煤對甲烷、氮氣和二氧化碳單組分氣體的吸附時認為，相同平衡條件下，不同煤級煤分別對甲烷、氮氣和二氧化碳的吸附量隨煤級的增高而增高。
煤巖顯微組分是煤對瓦斯吸附的又一影響因素。Ettinger等［7］研究發現，富惰質組煤的甲烷吸附量在中煤級階段高于富鏡質組煤，在高煤級煤階段兩者相當。張新民等［17］研究了各種成分煤的吸附能力，在分析中，又將惰質組分為惰質組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Lamberson和Bustin［18］研究發現，絲質組含量較高的煤樣卻有低的比表面積和甲烷吸附量，而較高的比表面積和甲烷吸附量則有可能出現在富鏡質組或鏡質組和絲質組混合的樣品中，所以認為煤中有機顯微組分和甲烷吸附量不是一種簡單的關系。Clarkson和Bustin［19］研究也認為，鏡質組含量較高的煤，其吸附量并不是較高。秦勇等［20］認為當犚狅(max)>2.1％以后，鏡質組、殼質組和惰質組三大顯微組分之間的光學性質普遍開始轉換，尤其是鏡質組與殼質組已難以區分，各顯微組分有趨于同一性的趨勢。傅雪海等［13，14］的實驗研究表明，Langmuir體積隨鏡質組含量的增加呈現出減少的趨勢，隨惰質組含量的增加呈現增加的趨勢。張麗萍等［21］研究發現鏡質組含量大于60％時，鏡質組反射率和Langmuir體積的關系呈倒"犝"字形，在鏡質組反射率達到2.50％～4.00％時，Langmuir體積達到較大值。
煤的孔隙結構同樣影響煤對瓦斯的吸附［22］，蘇聯學者艾魯尼利用電子顯微技術和犡射線衍射結構分析，測出了甲烷在煤層中的分布，指出80％～90％的瓦斯分子是以填隙、置換、滲入等方式固溶于煤中形成固溶體的［23］。Clarkson和Bustin［19］測試了煤的孔隙結構，并和甲烷吸附量結合起來，認為微孔是煤吸附作用的首要控制因素。鐘玲文等［24，25］通過實驗研究證明，煤對甲烷的儲集能力與煤的孔隙密切相關，孔體積和比表面積越大，煤儲集氣的能力越強。2004年進一步的研究表明氣煤的吸附能力與孔隙表面積、微孔表面積均呈正相關關系；長焰煤的吸附能力與總孔體積無明顯關系，與微孔孔體積呈正相關關系。但桑樹勛等［26］對我國西北地區侏羅紀低煤級煤的比表面積與吸附的研究表明，煤樣的孔比表面積與吸附氣體能力呈負相關關系，分析其原因，
……
