煤層氣的易流變性是什么意思

【專家解說】：瓦斯事故是煤礦中最嚴(yán)重的災(zāi)害，全世界又以我國最為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國百分之九十以上的礦井都是瓦斯礦。建國初期，我國煤礦瓦斯科學(xué)基本上是一片空白，采礦界對(duì)煤層瓦斯的賦存和流動(dòng)的研究很少，對(duì)煤和瓦斯突出更是一無所知。1955年北票三寶礦發(fā)生300t的大突出，傷亡50多人，從那以后，國家開始認(rèn)識(shí)到煤和瓦斯突出問題的嚴(yán)重性，并將它列入中蘇合作的168項(xiàng)重大科技項(xiàng)目之中。為獲取瓦斯研究中所需要的第一手資料，周世寧先后到撫順、北票、陽泉、焦作等煤礦，深入現(xiàn)場，進(jìn)行了詳細(xì)而系統(tǒng)的研究。終于在1963年首先提出了影響煤層原始瓦斯含量的八項(xiàng)地質(zhì)因素，這成為瓦斯地質(zhì)科學(xué)的基礎(chǔ)。50年代初期，對(duì)煤層瓦斯流動(dòng)理論全世界還沒有這方面的著作，只有地下水力學(xué)對(duì)水、石油、天然氣在砂巖地層中的流動(dòng)有系統(tǒng)的論述。與瓦斯在煤層中的流動(dòng)相比，水、石油和天然氣等流體與通過的孔隙介質(zhì)無關(guān)。而瓦斯對(duì)煤層有很強(qiáng)的吸附性，1t煤中可含數(shù)十立方米的瓦斯，其中百分之九十以上處于吸附狀態(tài)，吸附瓦斯是以固體狀態(tài)存在于煤的孔隙表面，能造成煤體膨脹影響煤層的內(nèi)應(yīng)力和滲透性，因此要想將地下水力學(xué)應(yīng)用到煤層瓦斯流動(dòng)理論，必須將煤對(duì)瓦斯的吸附性導(dǎo)入滲流理論的達(dá)西定律，這也是周世寧的創(chuàng)新之處。 在建立煤層瓦斯流動(dòng)理論的微分方程式以后，如何解算是一個(gè)難題，因?yàn)橥咚乖诿簩又械牧鲃?dòng)是時(shí)間、空間的函數(shù)，是一個(gè)不穩(wěn)定過程，對(duì)單向流動(dòng)還能用解析方法解出，對(duì)徑向流動(dòng)就無法解算，只能用數(shù)值積分計(jì)算，在當(dāng)時(shí)沒有電子計(jì)算機(jī)的情況下，是無法建立起瓦斯流動(dòng)方程的。周世寧在實(shí)驗(yàn)室中建立了單向和徑向流動(dòng)的模型，其中充滿煤粉，預(yù)先用穩(wěn)定流動(dòng)測(cè)出其透氣系數(shù)。然后在充入一定壓力的瓦斯后突然打開，測(cè)定流動(dòng)場內(nèi)瓦斯壓力和流量隨時(shí)間的變化。這種物理模擬的實(shí)驗(yàn)方法只能測(cè)出在某一特定條件下的流動(dòng)狀況，而不能得到一般的普遍規(guī)律.周世寧又借助于相似理論，從微分方程中導(dǎo)出瓦斯壓力、流量和流動(dòng)時(shí)間的相似準(zhǔn)數(shù)，再將測(cè)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入到各個(gè)準(zhǔn)數(shù)中，將各準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系畫成曲線，再將曲線分段用代數(shù)方程表達(dá)。由于相似準(zhǔn)數(shù)是無因次的，這樣就從一個(gè)具體的瓦斯流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中抽象出通用的瓦斯流動(dòng)普遍規(guī)律，這是瓦斯學(xué)科建設(shè)中的重大進(jìn)展。 對(duì)煤層瓦斯流動(dòng)方程的創(chuàng)建，實(shí)驗(yàn)室的物理模擬試驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，在全世界都是首次，這一系列工作是在1963年以前完成的，它奠定了煤層瓦斯流動(dòng)理論體系的基礎(chǔ)。 20世紀(jì)70年代周世寧在四川天府煤礦從事遠(yuǎn)距離解放層解放效果的考察，在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)煤層抽瓦斯后，煤體存在明顯的收縮效應(yīng)，使煤體內(nèi)裂隙增加，應(yīng)力降低，煤層透氣系數(shù)增大，煤質(zhì)變硬，強(qiáng)度增大。這是一個(gè)很重要的發(fā)現(xiàn)，它破除了瓦斯壓力、地應(yīng)力、透氣系數(shù)、煤強(qiáng)度，這四者是相互無關(guān)的傳統(tǒng)概念。在實(shí)驗(yàn)室詳細(xì)測(cè)定了彼此的關(guān)系之后，再補(bǔ)充到原有的瓦斯流動(dòng)方程中，這樣就將煤層瓦斯流動(dòng)理論推進(jìn)到固氣耦合的新階段。目前這一認(rèn)識(shí)已為全世界瓦斯學(xué)者所認(rèn)可，這是瓦斯流動(dòng)理論的重大進(jìn)展，也是周世寧從事瓦斯學(xué)科研究工作以來最重要的發(fā)現(xiàn)。 周世寧在長期從事瓦斯防治的工作中，發(fā)現(xiàn)具有瓦斯突出危險(xiǎn)的軟煤，在強(qiáng)大的地應(yīng)力作用下，具有明顯的流動(dòng)效應(yīng). 在焦作煤礦目睹在向突出危險(xiǎn)煤層打大直徑鉆孔時(shí)，飽含瓦斯的軟煤自動(dòng)地從鉆孔中流出，達(dá)數(shù)百公斤之多。特別是在南桐魚田堡煤礦一次5000噸大突出后，發(fā)現(xiàn)距突出點(diǎn)158米處的煤體向突出點(diǎn)位移，這表明突出的規(guī)模與煤層的流變性有關(guān)，流變性愈強(qiáng)，愈容易發(fā)生大型突出。如果能預(yù)先測(cè)定出煤層的流變性，并加以分類，這對(duì)突出的防治是非常有用的。為此周世寧與何學(xué)秋博士在實(shí)驗(yàn)室對(duì)含瓦斯煤的流變性進(jìn)行了長時(shí)間的考察，在全世界首次測(cè)得含瓦斯煤的流變性能曲線，得到了許多新的認(rèn)識(shí)，煤礦中存在的最危險(xiǎn)的延期突出現(xiàn)象，就是煤體流變性的一種表現(xiàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了 “煤和瓦斯突出的流變假說”，為煤和瓦斯突出的防治提供了新的思路，屬世界的首創(chuàng)。 發(fā)明測(cè)定煤層瓦斯參數(shù)的技術(shù) 在弄清煤層瓦斯賦存和流動(dòng)的規(guī)律以后，已經(jīng)建立了一系列的計(jì)算巷道、回采工作面和鉆孔瓦斯涌出量的公式，只要掌握瓦斯壓力、煤層透氣系數(shù)和瓦斯含量系數(shù)等參數(shù)，就可以進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算。因此尋求快捷而準(zhǔn)確的參數(shù)測(cè)定方法是非常重要的，否則理論無法應(yīng)用。例如，對(duì)瓦斯壓力的測(cè)定，19世紀(jì)在歐洲已經(jīng)采用向煤層打鉆孔，在鉆孔中放一個(gè)金屬管，再用黏土或水泥等固體物封堵鉆孔，通過安裝在管上的壓力表來測(cè)出煤層瓦斯壓力。這一傳統(tǒng)的方法使用了近100年。中國在五六十年代也是沿用這一方法，感到最大的問題是測(cè)不準(zhǔn)，這是由于煤層透氣系數(shù)一般都很低，鉆孔周邊往往存在由應(yīng)力產(chǎn)生的微裂隙，鉆孔封堵不嚴(yán)而產(chǎn)生的微量漏氣，就可以使測(cè)出的壓力值遠(yuǎn)低于煤層真實(shí)的瓦斯壓力。在井下用人工方法封堵一個(gè)測(cè)壓孔，需花費(fèi)數(shù)小時(shí)，等待瓦斯壓力上升穩(wěn)定，需要幾周甚至半年，而測(cè)出的壓力值還不能肯定是否準(zhǔn)確。如果測(cè)定的瓦斯壓力值錯(cuò)了，就會(huì)造成錯(cuò)誤的判斷，比如石門揭煤時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生重大的事故。這樣的教訓(xùn)已多次發(fā)生，造成許多人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了確保測(cè)壓的準(zhǔn)確性和可靠性，周世寧發(fā)明了膠圈一壓力黏液封孔測(cè)壓技術(shù)，在鉆孔中先用兩組膠圈封閉鉆孔，然后在膠圈之間充入黏液，保持黏液的壓力高于瓦斯壓力，這樣就在鉆孔中形成固體封液體，液體封氣體的主動(dòng)式封孔測(cè)壓系統(tǒng)，封孔材料不是固體，而是黏液，可滲入孔周的微裂隙，如有泄漏，則泄漏的不是瓦斯而是黏液，因而從理論上徹底解決了測(cè)定結(jié)果的可靠性。并且采用了快速封孔和人工注氣補(bǔ)償在打鉆和封孔前煤層放散的瓦斯的措施，使封孔測(cè)壓的時(shí)間縮短為3～5天，這對(duì)在礦井中經(jīng)常開展測(cè)壓工作是非常重要的。 在煤層瓦斯流動(dòng)場中，透氣系數(shù)相當(dāng)于電阻，瓦斯壓力相當(dāng)與電壓，它的測(cè)定也是非常重要的。然而全世界多年來都沿用水文地質(zhì)界對(duì)巖樣的測(cè)定方法，從煤層中取出煤芯，在實(shí)驗(yàn)室的滲透儀上進(jìn)行測(cè)定。由于煤層透氣系數(shù)的構(gòu)成，主要是煤層中的節(jié)理和裂隙，而不是煤芯中的孔隙，因而實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果與天然煤層相比，相差可達(dá)十萬倍。怎樣能從礦井中直接測(cè)定煤層透氣系數(shù)，一直是各國關(guān)注的問題。周世寧想，如果向煤層打一個(gè)鉆孔，測(cè)出它的瓦斯壓力、鉆孔直徑、見煤長度和煤層瓦斯含量系數(shù)，打開鉆孔測(cè)出在一定排放時(shí)間下的流量，就應(yīng)該能求出煤層透氣系數(shù)。這是因?yàn)闆Q定流量大小的參數(shù)除透氣系數(shù)外，其余均為已知數(shù)，它存在唯一性，關(guān)鍵在于要有一個(gè)計(jì)算公式。周世寧根據(jù)徑向瓦斯流動(dòng)方程式，導(dǎo)出一個(gè)專用的透氣系數(shù)計(jì)算公式，并制成算圖，這樣只要知道煤層瓦斯壓力，測(cè)定一個(gè)鉆孔的瓦斯流量，就可以快捷準(zhǔn)確地求得煤層透氣系數(shù)。煤層透氣系數(shù)測(cè)定方法的發(fā)明，其意義重大，它使瓦斯流動(dòng)理論的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。周世寧發(fā)明的單孔流量測(cè)定煤層透氣系數(shù)法，1978年被煤炭部定為部頒標(biāo)準(zhǔn)方法，由于該方法簡單易行，受到了國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的好評(píng)。