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。     

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。     

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。     

密度梯度驱动的煤粒瓦斯解吸扩散模型及试验研究

为解决菲克扩散模型在煤粒瓦斯解吸扩散过程中存在较大偏差的问题,更好地解释瓦斯在煤粒中的解吸扩散机制,首先开展了封闭空间煤粒瓦斯解吸试验,得到不同初始解吸压力下的煤样瓦斯解吸数据,并评估了4种解吸经验公式的精确性;随后回顾了浓度梯度驱动的菲克扩散模型,提出了游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型;在此基础上,建立了相关的解吸扩...     

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。     

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。     

煤粒瓦斯放散模型对比分析

根据煤粒瓦斯放散的机理,将常见的几种放散模型分为扩散型、渗透型、实验型3类。通过放散模型和实验结果的对比,表明渗透模型中的新解吸式与实验结果的拟合度最高;然后绘制了4种煤样在不同初始瓦斯压力下新解吸式和实测结果的对比曲线,发现两者在各种条件下都比较吻合。因此,新解吸式可较准确地描述煤粒瓦斯的放散规律,有助于指导工程实践,进一步分析还得出煤粒中的瓦斯放散更符合达西定律。     

柱状煤心瓦斯径向多尺度动态表观扩散模型与实验

为了提高长钻孔瓦斯含量测定的准确性,进行了φ50 mm×100 mm柱状煤心径向和1～3mm颗粒煤球向瓦斯解吸流动实验。实验结果表明：常系数扩散模型不能准确描述柱状煤心瓦斯的径向流动全过程;90 min前,实验值大于理论值;90 min后,实验值小于理论值,这种现象是由于煤体的多尺度孔隙结构引起的。进而提出了柱状煤心瓦斯径向多尺度动态表观扩散系数新模型。计算表明：新的径向动态表观扩散模型能精确描述瓦斯在柱状煤心中的表观扩散;相同时间内柱状煤的径向解吸比率远小于颗粒煤球向解吸比例,损失量较小;因而,进行长钻孔长时间测定瓦斯含量时,柱状煤心比颗粒煤更有优势。     

煤基质扩散系数对煤层气开采影响的数值分析

针对煤层的双重孔隙特性,采用考虑了Fick第一扩散定律和考虑有效应力的渗透率模型对煤层气的开采过程进行研究,探讨了扩散系数对煤层气开采的影响作用。采用不同的扩散系数值(1.2×10-10 m2/s与1.2×10-13 m2/s),通过数值计算,对煤层气的产量演化过程进行分析。计算结果表明:扩散作用主导的煤层气生产过程要远远长于自由相气体主导的煤层气生产过程,具体来说,基质气体压力演化过程的时间尺度(109s)比裂隙气体压力演化的时间尺度(107s)要高两个数量级;在煤层气解吸过程初期,不同的基质扩散系数对产量的影响不明显;在解吸过程后期,两种情况下单位时间内的煤层气产量相差很大,最终可达到三个数量级。     

煤中CH4扩散影响因素的分子动力学分析

为从微观角度分析煤中甲烷扩散影响因素,以孙家湾、大同、双鸭山3种煤样为研究对象,基于XRD衍射试验结果,构建3种煤大分子结构模型,采用分子动力学模拟方法,研究压力、温度、CO₂、H₂O对CH₄分子在煤中扩散的影响,揭示了不同影响因素下煤中CH4扩散系数变化规律。研究结果表明:压力增加,CH4分子在3种煤中扩散系数先减小后趋于稳定,当压力增大到一定值后孙家湾、大同、双鸭山3种煤中CH4分子扩散系数将分别稳定于1.084×10^-8、0.770×10^-8、1.137×10^-8m²/s;相同压力条件下,3种煤中CH4分子扩散速率由大到小顺序为双鸭山煤、孙家湾煤、大同煤。温度升高,CH4分子在3种煤中的均方位移均增大,有利于其扩散,不利于其吸附;温度变化对CH4分子在3种煤中扩散速率影响程度由大到小为孙家湾煤、双鸭山煤、大同煤。在一定范围内,水体积分数增加对CH4分子扩散具有阻碍作用,含水饱和度增加对孙家湾与大同煤中CH4分子扩散速率影响较大,对双鸭山煤中CH4分子扩散速率影响较小,注水采气法对孙家湾煤矿与大同煤矿更有效。随CO₂体积分数增加,CH4分子扩散系数减小。CO₂对煤中CH4分子扩散抑制作用由强到弱为大同煤、孙家湾煤、双鸭山煤。与H₂O相比,CO₂对CH4分子在煤层中的扩散抑制作用更强,从分子动力学扩散系数角度表明煤层注CO₂采气法更有效。     

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.     

构造煤的成因—属性分类

为了研究原生煤和构造煤的吸附扩散特性,采用甲烷吸附装置和解吸装置对2种煤样进行了实验。结果表明,构造煤的极限甲烷吸附量是原生煤的1.18倍,并且在相同甲烷吸附压力下构造煤的吸附能力强于原生煤。当甲烷吸附平衡压力为0.74 MPa和2 MPa时,构造煤的固定扩散系数分别是原生煤的7.3倍和4.5倍,表明构造煤的初始气体扩散能力远高于原生煤。2种煤样的时变扩散系数都随着解吸时间的推移先快速降低后趋于稳定。构造煤的扩散衰减系数在0.74 MPa和2 MPa气体平衡压力下分别达到了96.6%和95.8%,远大于原生煤的扩散衰减系数38.1%和45.7%。

     

瓦斯爆炸烟流浓度和温度的扩散规律

为了了解瓦斯爆炸后所产生高温、毒害性烟流的传播规律,对其进行了数学分析和数值模拟。基于模块化思想将烟流区域分成多个子区域进行分析,推导出了烟流浓度的传播模型;基于对流换热和热传导学建立了烟流温度的传播模型。对该一维烟流温度、浓度扩散模型进行了计算分析。以潘集三矿某掘进工作面发生瓦斯爆炸为例,利用流体模拟软件Fluent进行了烟流温度、CH4和CO浓度的模拟计算,得出了CH₄和CO的浓度、烟流温度的传播规律。对比分析一维模型和Fluent二维计算结果可知二者结论是一致的。     

声场作用下煤中甲烷解吸扩散的特性

为了深入研究超声波的机械振动效应、热效应、空化效应提高煤层气抽采率的机理,研制了可控声场作用下甲烷吸附、解吸试验系统。实验研究了不同频率的超声波、不同声强的声波作用下煤中甲烷的解吸特性,得出：不加声场与声场作用下煤中甲烷的解吸动力学特性一致,甲烷解吸全过程中,初始解吸速度较快,随时间的增加,解吸速度越来越慢,最终趋于0;声场作用下甲烷的解吸量增加了20%～90%,且解吸量随声强的增大而增大;煤中甲烷的扩散规律可用单一扩散模型描述,声场作用下传质毕欧准数减小,扩散系数增大,表明声场作用使煤体内部扩散阻力减小,传质速度加快,扩散能力增强,有利于煤中甲烷的解吸、扩散。     

煤尘润湿动力学模型的研究

在分析液体润湿煤尘机制的基础上建立了液体润湿煤尘的动力学模型,提出了用于表征液体在煤尘表面润湿能力的润湿因子K,并利用几种不同的表面活性剂对煤尘接触角的动力学数据进行验证.结果表明：拟合的相关系数均大于0.978,该润湿模型用来描述润湿剂在煤尘上的润湿动力学过程具有较好的效果.     

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。