煤粒多尺度孔隙中瓦斯扩散机理及动扩散系数新模型

• 作者: 刘勇 宋党育 李志强 许彦鹏
• 来源期刊: 煤炭学报
• 学科: 工学
• 关键词: 瓦斯 煤层气 扩散模型 扩散系数 动态
• 年，卷（期）: 2016,（3）
• 页码范围: 633-643
• 分类号: TD712
• 语种: 中文
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2015.0208

摘要

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选出,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.

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序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	宋党育		41	327	10.0	15.0