煤层气的易流变性是什么意思

【专家解说】：瓦斯事故是煤矿中最严重的灾害，全世界又以我国最为严重，据统计，我国百分之九十以上的矿井都是瓦斯矿。建国初期，我国煤矿瓦斯科学基本上是一片空白，采矿界对煤层瓦斯的赋存和流动的研究很少，对煤和瓦斯突出更是一无所知。1955年北票三宝矿发生300t的大突出，伤亡50多人，从那以后，国家开始认识到煤和瓦斯突出问题的严重性，并将它列入中苏合作的168项重大科技项目之中。为获取瓦斯研究中所需要的第一手资料，周世宁先后到抚顺、北票、阳泉、焦作等煤矿，深入现场，进行了详细而系统的研究。终于在1963年首先提出了影响煤层原始瓦斯含量的八项地质因素，这成为瓦斯地质科学的基础。50年代初期，对煤层瓦斯流动理论全世界还没有这方面的著作，只有地下水力学对水、石油、天然气在砂岩地层中的流动有系统的论述。与瓦斯在煤层中的流动相比，水、石油和天然气等流体与通过的孔隙介质无关。而瓦斯对煤层有很强的吸附性，1t煤中可含数十立方米的瓦斯，其中百分之九十以上处于吸附状态，吸附瓦斯是以固体状态存在于煤的孔隙表面，能造成煤体膨胀影响煤层的内应力和渗透性，因此要想将地下水力学应用到煤层瓦斯流动理论，必须将煤对瓦斯的吸附性导入渗流理论的达西定律，这也是周世宁的创新之处。 在建立煤层瓦斯流动理论的微分方程式以后，如何解算是一个难题，因为瓦斯在煤层中的流动是时间、空间的函数，是一个不稳定过程，对单向流动还能用解析方法解出，对径向流动就无法解算，只能用数值积分计算，在当时没有电子计算机的情况下，是无法建立起瓦斯流动方程的。周世宁在实验室中建立了单向和径向流动的模型，其中充满煤粉，预先用稳定流动测出其透气系数。然后在充入一定压力的瓦斯后突然打开，测定流动场内瓦斯压力和流量随时间的变化。这种物理模拟的实验方法只能测出在某一特定条件下的流动状况，而不能得到一般的普遍规律.周世宁又借助于相似理论，从微分方程中导出瓦斯压力、流量和流动时间的相似准数，再将测定的实验结果代入到各个准数中，将各准数的关系画成曲线，再将曲线分段用代数方程表达。由于相似准数是无因次的，这样就从一个具体的瓦斯流动实验数据中抽象出通用的瓦斯流动普遍规律，这是瓦斯学科建设中的重大进展。 对煤层瓦斯流动方程的创建，实验室的物理模拟试验以及实验数据的处理，在全世界都是首次，这一系列工作是在1963年以前完成的，它奠定了煤层瓦斯流动理论体系的基础。 20世纪70年代周世宁在四川天府煤矿从事远距离解放层解放效果的考察，在实测中发现煤层抽瓦斯后，煤体存在明显的收缩效应，使煤体内裂隙增加，应力降低，煤层透气系数增大，煤质变硬，强度增大。这是一个很重要的发现，它破除了瓦斯压力、地应力、透气系数、煤强度，这四者是相互无关的传统概念。在实验室详细测定了彼此的关系之后，再补充到原有的瓦斯流动方程中，这样就将煤层瓦斯流动理论推进到固气耦合的新阶段。目前这一认识已为全世界瓦斯学者所认可，这是瓦斯流动理论的重大进展，也是周世宁从事瓦斯学科研究工作以来最重要的发现。 周世宁在长期从事瓦斯防治的工作中，发现具有瓦斯突出危险的软煤，在强大的地应力作用下，具有明显的流动效应. 在焦作煤矿目睹在向突出危险煤层打大直径钻孔时，饱含瓦斯的软煤自动地从钻孔中流出，达数百公斤之多。特别是在南桐鱼田堡煤矿一次5000吨大突出后，发现距突出点158米处的煤体向突出点位移，这表明突出的规模与煤层的流变性有关，流变性愈强，愈容易发生大型突出。如果能预先测定出煤层的流变性，并加以分类，这对突出的防治是非常有用的。为此周世宁与何学秋博士在实验室对含瓦斯煤的流变性进行了长时间的考察，在全世界首次测得含瓦斯煤的流变性能曲线，得到了许多新的认识，煤矿中存在的最危险的延期突出现象，就是煤体流变性的一种表现。根据实验结果，提出了 “煤和瓦斯突出的流变假说”，为煤和瓦斯突出的防治提供了新的思路，属世界的首创。 发明测定煤层瓦斯参数的技术 在弄清煤层瓦斯赋存和流动的规律以后，已经建立了一系列的计算巷道、回采工作面和钻孔瓦斯涌出量的公式，只要掌握瓦斯压力、煤层透气系数和瓦斯含量系数等参数，就可以进行预测和计算。因此寻求快捷而准确的参数测定方法是非常重要的，否则理论无法应用。例如，对瓦斯压力的测定，19世纪在欧洲已经采用向煤层打钻孔，在钻孔中放一个金属管，再用黏土或水泥等固体物封堵钻孔，通过安装在管上的压力表来测出煤层瓦斯压力。这一传统的方法使用了近100年。中国在五六十年代也是沿用这一方法，感到最大的问题是测不准，这是由于煤层透气系数一般都很低，钻孔周边往往存在由应力产生的微裂隙，钻孔封堵不严而产生的微量漏气，就可以使测出的压力值远低于煤层真实的瓦斯压力。在井下用人工方法封堵一个测压孔，需花费数小时，等待瓦斯压力上升稳定，需要几周甚至半年，而测出的压力值还不能肯定是否准确。如果测定的瓦斯压力值错了，就会造成错误的判断，比如石门揭煤时，就会产生重大的事故。这样的教训已多次发生，造成许多人员伤亡和财产损失。为了确保测压的准确性和可靠性，周世宁发明了胶圈一压力黏液封孔测压技术，在钻孔中先用两组胶圈封闭钻孔，然后在胶圈之间充入黏液，保持黏液的压力高于瓦斯压力，这样就在钻孔中形成固体封液体，液体封气体的主动式封孔测压系统，封孔材料不是固体，而是黏液，可渗入孔周的微裂隙，如有泄漏，则泄漏的不是瓦斯而是黏液，因而从理论上彻底解决了测定结果的可靠性。并且采用了快速封孔和人工注气补偿在打钻和封孔前煤层放散的瓦斯的措施，使封孔测压的时间缩短为3～5天，这对在矿井中经常开展测压工作是非常重要的。 在煤层瓦斯流动场中，透气系数相当于电阻，瓦斯压力相当与电压，它的测定也是非常重要的。然而全世界多年来都沿用水文地质界对岩样的测定方法，从煤层中取出煤芯，在实验室的渗透仪上进行测定。由于煤层透气系数的构成，主要是煤层中的节理和裂隙，而不是煤芯中的孔隙，因而实验室的测量结果与天然煤层相比，相差可达十万倍。怎样能从矿井中直接测定煤层透气系数，一直是各国关注的问题。周世宁想，如果向煤层打一个钻孔，测出它的瓦斯压力、钻孔直径、见煤长度和煤层瓦斯含量系数，打开钻孔测出在一定排放时间下的流量，就应该能求出煤层透气系数。这是因为决定流量大小的参数除透气系数外，其余均为已知数，它存在唯一性，关键在于要有一个计算公式。周世宁根据径向瓦斯流动方程式，导出一个专用的透气系数计算公式，并制成算图，这样只要知道煤层瓦斯压力，测定一个钻孔的瓦斯流量，就可以快捷准确地求得煤层透气系数。煤层透气系数测定方法的发明，其意义重大，它使瓦斯流动理论的应用成为现实。周世宁发明的单孔流量测定煤层透气系数法，1978年被煤炭部定为部颁标准方法，由于该方法简单易行，受到了国内外有关学者的好评。