煤粒多尺度孔隙中瓦斯扩散机理及动扩散系数新模型

为解决经典扩散模型不能准确描述煤粒瓦斯全时扩散的科学问题。采集我国典型矿区的代表性煤样,开展了各种条件下的煤粒瓦斯扩散实验。采用经典扩散模型拟合实验表明,某时刻前,扩散率的实验值大于理论值,此时刻后,实验值小于理论值,此规律惟一。经典扩散模型不能准确描述瓦斯扩散全过程,误差极大,进而发现了煤粒瓦斯扩散系数随时间延长而衰减的特有现象。为此,提出了煤粒多尺度孔隙分布的新物理模型,新模型假设煤粒中孔隙呈非均质多尺度形态分布,并具有自相似分形结构,这种多尺度分形结构孔隙决定了煤粒扩散系数的多级分布,进而决定了瓦斯宏观扩散力学机理,即,煤体由表及里,孔隙由大到小分级分布,其扩散系数亦相应的由大到小逐级递减。扩散初期,瓦斯从扩散系数较大的大孔隙中快速逸出,扩散后期,从扩散系数较小的小孔隙中慢速逸出,直至深达微孔内部。正是这种逐级递减的孔隙形态及相应的多级扩散系数分布,形成了瓦斯扩散系数随时间延长而衰减的扩散机理。根据这一物理假设,引入初始扩散系数D0、扩散系数衰减系数β两个参数反映扩散系数动态衰减特征,提出了动扩散系数数学模型,经200余组数据检验,新模型能较准确描述各条件下的煤粒瓦斯(CH4,CO2,N2)扩散全过程。新模型涵盖了经典单孔隙扩散模型和双孔隙模型,将其推广到了多孔隙维度,并能解释经典单孔隙扩散模型出现的问题,新模型在准确性、简单性、解释性、预测性上优于国外双孔隙模型及其它经验公式。多尺度动扩散系数扩散模型为准确计算瓦斯(煤层气)含气量、储量、突出预测指标,解释各种条件下的瓦斯扩散机理提供了新物理模型和计算新方法。     

新扩散模型下温度对煤粒瓦斯动态扩散系数的影响

升温促进煤基质中瓦斯快速大幅解吸/扩散是热激励法增产瓦斯机理之一，其首要关键科学问题是探明温度对扩散系数的影响规律和影响机理。采用恒温与升温方法进行了3种不同条件下的扩散实验：（1）初始同压不同温吸附后恒温扩散；（2）同初始吸附量条件下（高温高压、低温低压吸附后）恒温扩散；（3）同初始温压吸附后的升温扩散实验。实验结果表明：实验（1），（2）中用单孔隙经典扩散模型计算的常扩散系数随温度升高呈现无规律的波动形态，经典模型无法解释这一现象。原因是经典模型不能精确描述全时段扩散过程，误差极大，继而发现了扩散系数随时间延长而衰减的特有现象。为此，提出了能精确描述全时扩散过程的动态扩散系数新模型。新模型分析表明，煤基质中多尺度非均质孔隙形态决定了多级孔隙扩散系数分布，进而导致了扩散系数随时间延长而衰减。新模型下动扩散系数随温度升高单调递增，符合阿雷尼乌斯关系，规律惟一，经典模型常扩散系数是新模型动态扩散系数的平均值。新模型涵盖了经典模型，前者是后者的推广。     

含瓦斯煤粒前期扩散理论模型及解析解

为了研究瓦斯前期扩散规律,在假设煤粒瓦斯前期扩散系数近似恒定的基础上,根据球坐标系表示的Fick第二定律,建立了数学模型,并运用数学物理方法推导出了其解析解。采用新模型与经典模型分别对不同吸附平衡瓦斯压力、煤级、粒度和破坏类型的扩散实验数据进行了数值计算,结果表明:新模型能够适合不同实验条件的前期扩散规律,比经典模型更加符合实验结果;采用新模型计算得到的扩散系数普遍比经典模型要高;当煤粒均值度趋近趋于1时,新模型与经典模型计算结果趋同;扩散系数与瓦斯压力、煤级、粒度和破坏程度正相关,前期扩散源占比与破坏类型、瓦斯压力呈正相关,而与粒度、煤级负相关。     

软硬煤瓦斯扩散特性及差异性研究

为了弄清软硬煤瓦斯扩散特性的差异性,采用吸附解吸实验装置对软硬煤的瓦斯扩散特性进行测试,结果表明:软煤的瓦斯极限吸附量大于硬煤的瓦斯极限吸附量;软硬煤的瓦斯扩散量随着时间的增加而增加,软煤的瓦斯扩散量大于硬煤的瓦斯扩散量;软硬煤的瓦斯扩散率随着时间的增加而增加,但增加的梯度逐渐减小,软煤的瓦斯扩散率大于硬煤的瓦斯扩散率;软硬煤的瓦斯扩散系数随着时间的增加而减小,在扩散的前期软硬煤扩散系数减小幅度最大,随着时间的延长,扩散系数减小幅度逐渐减小;软煤扩散系数的衰减速度大于硬煤瓦斯扩散系数的衰减速度,软煤的瓦斯扩散系数大于硬煤的瓦斯扩散系数,研究结果为煤层瓦斯防治提供理论指导。     

中尺度煤块中煤层气多尺度扩散系数随时间依赖的实验及模型

为探究煤层气含气量(和储量)测定过程中混有中尺度(厘米级)煤块的影响,开展了不同煤种的毫米-厘米级中等尺度煤块在不同压力下的煤层气扩散实验。实验发现,扩散前期实验扩散率大于经典模型的理论扩散率,扩散后期实验扩散率小于经典模型的理论值。全时扩散过程中扩散系数并非一个常数,而是随时间延长而衰减的函数。提出了能精确描述不同气压下不同煤种中尺度煤块的煤层气扩散全过程的动扩散系数新模型。与以往实验相比,中尺度煤块的初始扩散系数比粉煤大1～2个数量级,而扩散系数衰减系数比粉煤小1～2个数量级,原因是中尺度煤块包含了更大的孔裂隙,而其孔径级差较小。     

煤粒瓦斯初始扩散系数及其影响因素

通过扩散实验对平煤八矿、鹤壁六矿原生结构煤/构造煤煤样进行研究分析,利用实验数据,并结合动扩散系数新模型,分别计算出0.5、1.0、1.5 MPa 3个吸附平衡压力下的初始扩散系数D_0,经过比较分析,初步探讨了不同煤体结构、不同变质程度、不同粒径在不同吸附平衡压力下对煤样的D_0的影响规律:整体上来看,构造煤初始扩散系数D_0比原生结构煤要大;在构造煤的对比中,鹤壁贫瘦煤煤样的初始扩散系数小于平顶山肥煤煤样的初始扩散系数,而在原生结构煤的对比中,扩散系数的大小关系整体上呈现相反的规律;随着压力的变化,构造煤粒径为0.5~1.0 mm的煤样的初始扩散系数D_0明显大于粒径为0.25~0.5 mm的煤样,原生结构煤2种粒径煤样的D_0大小对比结果整体上呈现出相似规律。     

软硬煤瓦斯扩散系数动态变化规律的差异性

为了研究软硬煤瓦斯扩散特征的差异性,选择淮南丁集、安阳龙山2种变质程度的软硬煤样,模拟了瓦斯吸附-解吸动态扩散过程,对比了软硬煤瓦斯扩散系数的动态变化特征。采用压汞法测定了软硬煤的孔隙结构参数,分析了软硬煤解吸扩散参数差异的产生机理。结果表明:软硬煤在解吸的初始阶段,软煤的扩散系数明显大于硬煤,但随时间衰减也更快;在整个扩散时间内,煤粒瓦斯扩散系数随放散时间呈现单调递减的减函数,即呈幂函数衰减,最终趋于稳定,扩散系数体现出时变性的特征;软煤的中孔和大孔孔容明显大于硬煤,以致软煤的扩散系数明显大于硬煤;储存于不同孔隙和位置的瓦斯扩散路径的差异是软硬煤瓦斯扩散系数随时间变化的原因。     

承压煤体瓦斯解吸-扩散特性实验研究

为了研究承压条件下含瓦斯煤的解吸-扩散特性,建立了受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型,并采用单孔模型和双孔模型计算了粒度0.25~0.5,0.5~1和1~2 mm煤样在0~12 MPa轴向压力条件下的瓦斯扩散系数。实验结果表明:双孔模型计算结果与实验数据相关性系数均稳定在99.5%以上,拟合效果优于单孔模型,其中,宏观有效扩散系数在10~(-4)s~(-1)数量级上,高出微观有效扩散系数1~2个数量级;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随轴压升高呈先下降后波动上升的趋势,与受载煤体扩散动态理论模型相符;煤样粒度越大,宏观/微观有效扩散系数对应力越敏感,并且宏观有效扩散系数对应力的敏感性高于微观有效扩散系数;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随煤样粒度减小而增大。研究结果能为井下构造煤瓦斯扩散规律提供借鉴。     

煤岩瓦斯扩散特性试验研究

为研究不同破坏程度煤岩瓦斯扩散特性,分别采用原生煤、碎粒煤、糜棱煤等不同粒径煤样开展了瓦斯解吸试验,并利用变扩散系数瓦斯扩散模型分析了各扩散实验的初始扩散系数及其衰减系数。分析结果表明,当粒径在某范围内,煤岩瓦斯解吸率和初始扩散系数将趋于相同。在某粒径范围内的煤岩瓦斯解吸率随破坏程度增加而增大。随破坏程度增加,煤岩瓦斯初始扩散系数依次增加,而衰减系数依次减小,孔隙更加发育。高破坏程度煤岩瓦斯解吸量大,且瓦斯扩散阻力小,在短时间内能够涌出大量瓦斯从而产生较高的瓦斯压力,更容易引起煤与瓦斯突出。     

不同粒径煤的瓦斯扩散特性实验

采用自制的吸附/解吸实验装置进行不同粒径煤的瓦斯扩散实验,结果表明:甲烷的扩散量随着时间的增加而增大,小粒径煤的扩散量达到平衡的时间短,大粒径煤的扩散量达到平衡的时间长;甲烷扩散率随着时间的增加而增大,粒径越大,扩散率的增长速率越小,粒径越小,扩散率的增长速率越大;扩散系数D随着煤粒径的增加而增大。其为煤层瓦斯治理提供重要的理论依据。     

矿井瓦斯爆炸毒害气体传播规律初步研究

总结了中国煤矿瓦斯爆炸事故发生原因,分析了煤矿瓦斯爆炸事故致害因素。指出瓦斯爆炸事故中,导致人员大量伤亡的主要原因是CO等毒害气体的中毒和窒息,瓦斯爆炸毒害气体传播规律研究对瓦斯爆炸事故预防和防止瓦斯爆炸事故范围扩大意义重大。瓦斯爆炸是一个非常复杂的瞬间化学反应过程。根据矿井通风网络的具体情况,在高斯模型的基础上,提出了适合矿井瓦斯爆炸毒气传播规律的数值计算模型。     

吸附压力对瓦斯放散初速度(ΔP)测定的影响研究

在理论分析吸附压力对瓦斯放散初速度影响的基础上,实验测定了吸附压力对瓦斯放散初速度的影响。结果表明瓦斯放散初速度受吸附压力影响较大,吸附压力越高瓦斯放散初速度越大,吸附压力越小瓦斯放散初速度越小。实验室测定瓦斯压力时应尽量保持吸附压力为0.1MPa,现场使用该指标时应根据当地的大气压力情况做适当调整。     

瓦斯膨胀能与瓦斯压力及瓦斯放散初速度的相互关系

选取2个煤矿,分别在不同标高测定煤层瓦斯压力,在实验室对各点煤样进行初始释放瓦斯膨胀能和瓦斯放散初速度测定。通过观察发现,初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力及瓦斯放散初速度之间存在近似的线性关系,用多元线性回归来构造三者关系模型,得出三者关系曲线。在考虑瓦斯放散初速度为常数时,根据关系曲线可以得到石门揭煤前的安全瓦斯压力,为防止煤与瓦斯突出提供一种简单方便的方法。     

注水煤瓦斯放散特性的研究

为了弄清煤层注水对瓦斯放散的作用机理,结合现有的实验条件以煤样中水分含量对煤样瓦斯放散初速度的影响为切入点进行研究,通过实验,研究不同变质程度的煤样在不同含水率情况下瓦斯放散初速度的变化规律,实验结果表明煤样的放散初速度与煤样内含水率呈对数关系。煤样中的水分减缓了瓦斯放散初速度,煤样的变质程度越高,水分对其的影响就越大,且当煤样中含有2%~7%的水分时对煤样的瓦斯初始放散速度影响最大,当煤样中的含水率大于10%时,随着煤样中水分的增加,水分含量对煤样瓦斯放散速度的影响越来越小。     

阳泉矿区3~#煤层气吸附—放散特性的实验研究

阳泉矿区是全国最大的无烟煤基地。主采煤层 3#煤层富含大量的煤层气 ,开采过程中煤层气涌出量较大。煤储层吸附—解吸特性是煤层气开发成败的关键因素之一。文章以实验为基础 ,研究了 3#煤层气的吸附—放散特性 ,实验表明 3#煤层气吸附过程是一个非常缓慢的过程 ,需要很长一段时间才能达到吸附平衡 ;3#煤层气产气速率主要受裂隙中气体流动的限制。增加裂隙度 ,提高渗透率是 3#煤层气开发和利用最关键的环节     

煤的瓦斯放散初速度△p的数学模型建立

在煤与瓦斯突出的综合作用假说的机理上,通过对煤的瓦斯放散初速度的影响因素进行全面的理论分析,运用量纲理论和方法分析各影响因素的量纲,建立煤的瓦斯放散初速度的数学模型,并对所得数学模型进行了比较分析和研究;最后在赵各庄煤矿采集和收集相关影响因素的资料,利用此模型计算出煤的瓦斯放散初速度并和实验室测定的煤的瓦斯放散初速度相比较,得到数值相差不大的结论。     

瓦斯放散初速度影响因素实验研究

通过实验测定了吸附时间、粒径、水分对瓦斯放散初速度的影响,并运用菲克定律进行了分析,为煤吸附解吸瓦斯机理的揭示提供一定的理论基础。结果表明,在煤样吸附瓦斯饱和前,吸附时间对瓦斯放散初速度影响较大,当吸附饱和后瓦斯放散初速度不再受吸附时间的影响;瓦斯放散初速度随粒径的减小而增大;瓦斯放散初速度随水分的增加而减小。     

固液两相流体中的扩散与稳定化作用

分析了流体的扩散与稳定机理,并以离心力场为例,论证了扩散流场的稳定条件,此条件也是 固相颗粒保持最佳沉降的必要条件。     

煤体瓦斯放散指标修正研究

通过理论推导确定了煤体1min解吸的瓦斯量,提出了描述瓦斯放散能力的指标Q1,该指标的物理意义更加明确,能反映煤体真实的瓦斯放散能力;对比分析了ΔP指标和Q1指标,通过实验验证了对于高瓦斯放散能力和低瓦斯放散能力的煤体用ΔP指标预测突出危险性是不适用的,提出了3个判据验证ΔP指标的合理性,确定了测定Q1指标的方法。     

不同压力、煤阶对煤中甲烷的扩散影响实验研究

为了研究压力和煤阶对煤中甲烷扩散特性的影响,进行了甲烷等温吸附解吸实验。选取新疆某矿区长焰煤、山西古城矿3号煤层贫瘦煤两种不同变质程度的煤,制成60~80目的干燥煤样。在30℃恒温条件下,不同煤阶的煤样分别在不同的平衡压力条件下进行吸附解吸实验,对比分析研究甲烷在压力、煤阶两个主控因素下煤中甲烷扩散量,扩散率的差异。通过分析实验结果发现:高压力下甲烷累积扩散量大于低压力下的扩散量,而扩散率与之相反;高阶煤中甲烷扩散量大于低阶煤的扩散量,扩散率与之相反。研究不同主控因素下的瓦斯扩散规律,对煤层气开发和防治矿井瓦斯灾害有很好的指导意义。