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。     

构造煤多尺度孔隙中瓦斯扩散的动扩散系数新模型

针对原生煤和构造煤2类煤种的瓦斯扩散进行对比实验,结果表明:与原生煤相比,构造煤的瓦斯扩散率前期增加更加迅速,后期衰减也更加迅速;构造煤的全过程扩散率一直大于原生煤。实验发现,扩散系数是随时间增大而逐渐衰减的变量,为此提出动扩散系数的表达式,建立了动扩散系数新扩散模型。通过验证,新扩散模型对不同煤种的构造煤瓦斯扩散全程能够准确描述,拟合精度均高于经典模型,表明新扩散模型更加精确、适用范围更广泛。     

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。     

煤粒瓦斯定压吸附数学模型及数值解算

为了研究瓦斯在煤粒中的流动机理,开展了4组不同初始压力下的煤粒瓦斯定压吸附实验,提取了累计瓦斯吸附量随时间变化的实验数据。基于压力梯度驱动的达西理论和游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型,建立2种煤粒瓦斯定压吸附数学模型,并利用有限差分法对数学模型进行了数值解算,得到了煤粒内部累计吸附量的模拟数据。将2种模拟结果与实验数据对比分析发现,数值计算结果与实验相吻合,验证了数值模拟的准确性;两者中的关键比例系数随压力呈现不同的变化趋势,透气性系数随压力呈负相关,微孔道扩散系数不随压力而改变;证明了新提出的游离瓦斯密度梯度驱动的扩散模型比达西定律更适合用来描述煤粒中的瓦斯运移规律。     

考虑基质多尺度扩散的双孔隙介质模型

基于煤层瓦斯运移的多尺度扩散效应,根据变直径毛细管物理模型,通过压汞实验、低温液氮和二氧化碳吸附实验对贵州某矿7~#煤层煤样的孔径分布进行测定,通过Knudsen方程得出不同扩散方式的临界直径,从而得出不同扩散方式所占比例,提出考虑多种扩散方式的有效扩散系数.建立了考虑多尺度扩散、Klinkenberg效应、基质收缩和有效应力的双孔隙介质耦合模型,利用多物理场耦合软件对煤层瓦斯钻孔抽采情况进行了数值模拟研究,分析了新模型条件下钻孔抽采煤基质和煤裂隙中的瓦斯压力分布以及瓦斯扩散速度和瓦斯渗流速度的差异,得出煤层瓦斯钻孔抽采情况下的运移规律.通过在井下打穿层钻孔进行瓦斯抽采,测量每天的瓦斯流速和流量,将现场测得的瓦斯流速和流量与数值模拟结果做对比,得出所建立的双孔隙介质模型符合工程实际的要求,为深煤层开采瓦斯防治提供参考.     

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。     

温度对煤粒瓦斯扩散动态过程的影响规律与机理

根据气体在多孔介质的运移理论,推导出了含瓦斯煤粒的扩散通量、扩散系数与温度分别呈指数函数、幂函数关系。运用自制设备,实验研究了吸附平衡压力为(0.74±0.01) MPa,吸附温度为303 K,解吸环境温度为283~313 K条件下,不同煤阶含瓦斯煤粒的扩散通量与温度的量化关系,确定了3种煤阶煤粒瓦斯放散量随温度变化的修正方法和回归系数,查明了不同煤阶煤粒的瓦斯扩散系数随温度升高的量化变化规律。实验结果表明,前60 min的温度影响回归系数a可在0.011 0~0.012 0之间取值,无烟煤取0.011 0,高变质烟煤可取0.011 5,低变质烟煤可取0.012 0。揭示了温度对含瓦斯煤粒扩散动态过程的影响机理,温度升高增强了甲烷分子的活性、促使孔隙扩张,特别是小孔隙的扩张,大大提高了瓦斯在煤粒中的扩散能力。     

不同粒径与压力下煤粒瓦斯吸附数学模型研究北大核心

采用煤粒进行瓦斯吸附实验是研究煤基质瓦斯流动机理的基本手段。为探究煤粒形状对煤体瓦斯吸附规律的影响,设计煤粒瓦斯恒温定压吸附实验,得到4种粒度的煤样在不同瓦斯压力下的吸附特征。基于煤基质游离瓦斯密度梯度扩散理论,分别建立圆柱形和球形煤粒瓦斯定压吸附数学模型,并通过有限差分法进行编程解算,后用实验数据来验证模拟结果。发现将煤粒视作球形和圆柱形得到的模拟结果均与实验结果匹配程度较高,证明了煤基质游离瓦斯密度梯度扩散理论的准确性和可靠性;煤样粒径增加时,微孔道扩散系数增大;瓦斯吸附压力对微孔道扩散系数的影响较小,微孔道扩散系数摆脱对瓦斯吸附压力和吸附时间的依赖;相对来说,煤粒的形状对瓦斯吸附数学模型的预测精度影响不大,但2种模型的微孔道扩散系数存在显著差异;当瓦斯吸附压力与煤样粒径固定时,圆柱形煤粒的微孔道扩散系数大于球形煤粒的微孔道扩散系数,约为2倍,主要是由于2种形状有效扩散截面积的差异性。     

煤粒中瓦斯时变扩散规律的解析研究

针对瓦斯在煤粒中的菲克型扩散,对煤粒瓦斯放散过程中扩散系数发生变化的机理进行了分析,并通过求取时变扩散系数Dt的公式对南桐煤样在瓦斯解吸放散过程中的扩散系数变化规律进行了测定,通过对实验数据的分析,得出了时变扩散系数的数学模型,推导出了时变扩散方程的解析解。     

煤粒瓦斯扩散的数值解法

针对煤粒瓦斯扩散的解析解法存在的问题,推导了单孔扩散模型的数值解表达式,提出煤粒瓦斯扩散的数值解法,同时对比分析了解析解与数值解结果的差异性。分析认为:解析解法仅适用于分析定压扩散实验和球形煤粒,其采用的线性吸附假设也与真实瓦斯吸附规律相违背;数值解法考虑了瓦斯吸附常数、煤体孔隙率和温度等真实煤体参数与外界条件,因此具备一定的优越性;在相同瓦斯扩散系数条件下,解析解法计算的煤层瓦斯扩散速率相较数值解较小;如果通过煤粒瓦斯扩散实验结果反算瓦斯扩散系数,传统的解析解法可能会高估煤层的真实瓦斯扩散系数。     

地层条件下基于纳米级孔隙的煤层气扩散特征

通过分析自由甲烷气体在地层条件下特性的变化,计算确定了甲烷不同扩散模式的孔径分布范围,并结合前期煤储层孔隙自然分类成果,就基于储层甲烷扩散的纳米级孔隙进行了初步划分,计算了不同扩散模式的扩散系数.研究表明,储层条件下,煤纳米级孔隙中甲烷存在3种扩散模式,且3种模式的扩散系数差别不大,比地表条件下扩散系数低1~2个数量级.     

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。     

安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性实验研究

为研究安阳矿区构造煤瓦斯扩散动力学特性,在大众矿、龙山矿和贺驼矿分别采取2个（共6个）煤样。采用工业分析、高压吸附试验和瓦斯解吸试验等方法分析煤样的多元物性参数。运用球形扩散模型,采用Origin软件拟合解吸数据,计算出瓦斯扩散系数。结果表明,大众矿、龙山矿和贺驼矿煤样的挥发分分别为20.16%,12.10%和19.01%,变质程度由高到低为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;大众、龙山和贺驼煤样的吸附常数a分别为37.26,52.36,41.30 m³/t,瓦斯吸附能力由大到小为:龙山矿>贺驼矿>大众矿;龙山矿、大众矿和贺驼矿煤样扩散系数分别为9.567 5×10^-10,5.294 3×10^-10,2.384 7×10^-10 m²/s,瓦斯扩散能力由大到小为:龙山矿>大众矿>贺驼矿。表明龙山构造煤瓦斯吸附和扩散能力最强,煤与瓦斯突出危险性最大。     

煤层微孔中甲烷的简化双扩散数学模型

在分析煤层微观孔隙结构,以及煤层气以游离气形式存在煤的大孔隙和吸附状态分布在微孔隙中的基础上,提出了反映煤层气在煤层微孔中吸附－扩散的简化双孔隙扩散数学模型;给出了煤层气吸附－扩散过程的视扩散系数概念,以及数值模拟方法.以重庆地区南桐煤矿和三汇煤矿煤样为实验对象,从理论角度计算模拟了不同压力、孔隙度条件下,煤层气解吸－扩散排出的大孔隙扩散系数和微孔隙扩散系数,以及视扩散系数的变化规律.     

煤层气解吸滞后定量分析模型

针对煤解吸滞后过程解、吸附量和速度变化特征,提出了煤层气解吸滞后定量分析模型。根据煤解吸滞后现象分析,结合"墨水瓶"理论,通过引入滞后因子α,提出了煤吸附-解吸模型,揭示了煤吸附-解吸过程质量变化的解吸滞后机理;通过比较解、吸附过程速度,提出了考虑煤基质吸附-解吸过程孔隙率变化的扩散方程,该方程中扩散系数直接可以反映吸附-解吸过程时间异步问题。基于Comsol计算平台,实现了煤层气解吸滞后定量分析模型的数值求解。数值模拟结果显示不同煤阶煤样的等温吸附实验数据验证了α值的合理性,拟合数据表明随煤阶提高,α值越大,解吸滞后程度越大;吸附-解吸过程中扩散系数的变化趋势相反,吸附过程中扩散系数随时间减小,吸附速率随时间减小,解吸过程中,其值随时间增大,解吸速率随时间增大,通过扩散系数得到的解、吸附速率变化趋势与实验室结果一致,证明了此参数的合理性,进而可用来分析解吸滞后现象在时间上的变化趋势。     

粒度对软硬煤粒瓦斯解吸扩散差异性的影响

基于气体在多孔介质的运移理论,采用物理模拟实验的方法,研究了软、硬煤粒瓦斯扩散速度、扩散系数的差异特征随粒径的变化规律;采用压汞法考察了软、硬煤粒孔隙结构特征的差异,分析了粒径对软硬煤瓦斯扩散行为差异性的影响机理。研究结果表明,当粒度大于等于硬煤的极限粒度时,软、硬煤瓦斯扩散初速度差值和扩散系数比值达到最大值,且基本趋于稳定;当粒度小于硬煤的极限粒度时,软、硬煤瓦斯扩散初速度差值和扩散系数比值随粒度的减小而减小;当粒径减小到一定程度——称该粒度为原始粒度,软、硬煤的瓦斯扩散速度和扩散系数几乎没有差别。软煤相对于硬煤和粒度减小,均使大中孔的孔容显著增大,即粒度减小会缩小软硬煤之间瓦斯解吸扩散通道的差别。软硬煤孔隙结构差异是导致瓦斯扩散速度和瓦斯扩散系数随粒径变化规律产生差别的本质原因。以上研究成果为钻屑瓦斯解吸指标、瓦斯放散初速度和煤层瓦斯含量等测定过程中粒度选择与结果修正提供理论参考。     

基于分子模拟的煤中甲烷吸附扩散行为研究现状及展望

煤层中甲烷既是一种优质清洁能源,又是一种矿井灾害源.由于煤分子结构复杂,实验方法难以表征煤中分子微小尺度的吸附扩散行为.随着现代计算机信息科学和统计力学理论的发展,分子模拟方法突破了传统实验宏观的理论研究路线,使得从分子尺度研究煤中甲烷吸附扩散行为成为可能.目前更多科研学者从煤结构特征、孔径分布特性和气体吸附扩散特性等...     

煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响的实验研究

为揭示煤的吸附孔结构对瓦斯放散特性影响机理,选择新疆阜康矿区典型矿井煤样,进行低温氮吸附及瓦斯放散初速度实验,研究了煤的吸附孔特征参数及其对瓦斯放散初速度的影响。结果表明:实验范围内阜康矿区煤的吸附孔中瓦斯的主要放散方式是Knudsen及过渡型;吸附孔各参数对瓦斯放散特性的影响不同,平均孔径越大,瓦斯扩散阻力越小,瓦斯放散初速度越大;孔隙及各孔径下的比表面积和孔容越大,瓦斯放散初速度越小;瓦斯放散初速度与微孔和过渡孔的孔容占比为负线性关系,与中孔的孔容占比为正线性关系,与各孔径下比表面积占比无明显关系;煤的孔隙在研究尺度范围内分形特征显著,瓦斯放散初速度随分形维数的增大而线性减小。