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。     

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。     

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。     

基于密度差驱动流的非线性瓦斯吸附研究:实验与数值解算

煤瓦斯吸附规律及其数学表征是进行煤层瓦斯含量评估、煤层气产出预测、突出危险性判别的理论基础。在理论描述煤瓦斯吸附时,经典菲克扩散模型仅考虑了吸附瓦斯量的变化,忽略了煤基质孔隙空间内的游离瓦斯,并且煤的孔隙尺度分布广泛,不同尺度孔隙中气体流动机制应有差异,因此仅采用菲克扩散解释瓦斯吸附行为可能不够有效。为对煤瓦斯非线性吸附过程进行精确表征,首先进行了不同尺度煤块在不同初始压力下的瓦斯变压吸附实验,得到瓦斯吸附量随时间的变化曲线;根据菲克模型的推导过程,将吸附瓦斯与游离瓦斯一并计为瓦斯密度,提出基于密度差驱动流的瓦斯非线性吸附数学模型(密度模型);其次,利用有限差分法编制了求解代码分别对菲克模型与密度模型进行了数值解算;最后将两种模型的解算结果与实验结果进行对比,发现:菲克模型计算的瓦斯吸附曲线一定程度上偏离实验曲线,而密度模型的计算曲线与实验曲线吻合良好。结果表明密度模型能更加精确的描述瓦斯非线性吸附。     

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。     

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。     

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。     

不同轴压条件下煤粒瓦斯吸附规律和机理研究

为了研究不同轴压条件下煤粒瓦斯吸附规律和机理,通过自行研制的可以控制温度、瓦斯压力和轴压的吸附实验系统,研究了3种不同变质程度煤样在不同温度、瓦斯压力和轴压条件下的瓦斯吸附规律,讨论了轴压对煤粒瓦斯吸附的影响机理。结果表明：在温度相同时,不同瓦斯压力下吸附量不随轴压的增大单调变化,在瓦斯压力较高时,吸附量随轴压的增大先减小后增大;在瓦斯压力较低时,吸附量随轴压的增大而减小,这是由于瓦斯压力和轴压共同改变了煤的孔隙结构,从而影响了煤的吸附特性;随着轴压的增大,煤的孔隙结构变化存在孔隙压缩、孔隙转变、孔隙压实3个阶段,对应3种吸附量变化阶段。     

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。     

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。     

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。     

煤炭易自燃煤层采空区温度预测方法研究

常用温度预测方法建立的温度预测模型，多采用正向传播的方式，导致温度预测结果与实际测量结果存在较大的误差。针对该问题，提出煤炭易自燃煤层采空区温度预测方法。根据采空区中存在的易燃气体，选择气体浓度传感器采集样本数据，并针对数据采集过程中存在的缺失、重复、多单位等问题进行删除、填充和归一化处理；引入神经网络，建立温度预测模型，采用正向传播和反向传播2种方式训练模型误差；从平均绝对误差、平均绝对百分比误差、均方根误差和判定系数4个方面检验温度预测模型，输出温度预测结果。实验结果表明:设计煤炭易自燃煤层采空区场景，研究方法的预测温度结果与测量温度结果之间的绝对误差小于1，相对误差小于0.01，可认为所述温度预测方法具有较好的精度，能够为煤炭开采提供一定的参考价值。     

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.     

采空垮落区的风流运动和瓦斯运移作用机理

通过对采空区内矸石的特性分析,研究瓦斯在采空区中的扩散规律。建立瓦斯在采空区内扩散的数学模型,描绘了回采中采空区瓦斯的运移与分布的流体动力学原理。给出增大风量后瓦斯分布的算例,由此反映出工作面风压与采空区内部瓦斯压力的动态平衡性。运用质量守恒定律和非线性渗流方程,提出基于Fick扩散定律和Brinkman方程的瓦斯扩散-通风对流运移模型,综合考虑了流体压力梯度和动能作用,比较适合采空垮落区的风流运动和瓦斯对流扩散规律。通过数值模拟并与实验结果对照,研究采煤工作面采空垮落区内瓦斯运移的作用机理。认为采空区内瓦斯扩散的数值模拟的模型是有效可行的,为扩散规律的研究提供理论依据,从而有助于煤矿瓦斯监测与安全管理。     

拟稳态扩散的煤层气井动态模型及应用

扩散对煤层气井生产动态具有非常重要的作用,为现场人员能够快速有效地对煤层气井生产动态进行预测,需要建立解析形式的动态模型。以拟稳态扩散和体积物质平衡方程为基础,建立气体扩散量与含水饱和度的关系,结合拟稳态产能方程,得到考虑煤层气体拟稳态扩散的动态预测模型。模型对煤层气井生产中后期具有较好的拟合度,通过计算,认为扩散作用在整个开发过程中对煤层气产量均有影响。扩散作用能提高煤层气峰值产量,特别是对煤层气后期产量有很重要的稳定作用。扩散系数越大,煤层气峰值越高,后期产气量越高,且稳产时间更长;扩散对累积产水影响较小;煤层气开发后期,扩散作用越强烈,储层压力下降越平缓,煤层气稳产时间越长。     

煤屑瓦斯扩散理论研究与展望

论述了煤屑瓦斯扩散理论及其模型研究成果。其中扩散理论主要有菲克扩散、考虑时变扩散系数时的菲克扩散、温度以及注水对煤扩散系数影响下的菲克扩散以及综合考虑其他因素影响时的扩散理论。煤屑瓦斯扩散的数学模型有定常扩散系数下的菲克扩散模型、时变扩散系数下的扩散模型、不同形状煤粒的瓦斯扩散模型以及其他因素影响下的扩散模型等。分析了各种扩散模型的建立方法,认为现有的煤粒瓦斯扩散模型考虑因素各有侧重,难于涵盖所有的扩散类型;尚未考虑实际应用过程中边界浓度时变条件下的瓦斯扩散特征。     

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。