煤中孔隙结构的微分表征及其对瓦斯吸附解吸特性的作用机制

The adsorption and desorption characteristics of gas are the important basis for the prevention and development of coal seam gas. The pores in the coal are the main places for gas adsorption and storage, and also the main channel for gas diffusion and seepage. Therefore, this study takes the differential characterization of pores in coal and its effect on adsorption and desorption of gas as the research object, and intends to adopt the method combining theoretical analysis, laboratory tests, numerical simulation and field verification. The differential characterization of pore space structure will be realized with pore volume, pore shape and tortuosity, while the differential characterization of pore surface structure will be realized with specific surface area, fractal dimension and surface adsorption potential. Besides, the calculation method of single layer adsorption and micropore filling ratio in coal will be proposed. coal gas adsorption model based on pore surface characteristics will be constructed. the pore morphology variation model will be constructed, and then the effect of pore space and surface characteristics on gas desorption hysteresis will be explored. What’s more, the pore space and surface characteristics will be used to recombine the pore distribution and gas concentration distribution in coal particles and a new physical model of coal particle will be constructed. The phase transformation model of gas will be established by molecular dynamics and interfacial chemistry. Based on the Huhaichang-Washizu trivariate generalized variational principle, a hybrid finite element method for thermal-diffusion-mechanical coupling analysis in unsaturated porous media will be proposed, so a new gas-solid coupling model for coal particle gas emission based on gas phase transition and pore recombination will be constructed. Finally, numerical simulation and field verification will be carried out.

瓦斯吸附解吸特性是进行煤层瓦斯防治和开发的重要依据，而煤中孔隙是瓦斯吸附和储存的主要场所，也是其扩散和渗流的主要通道。因此本课题以煤中孔隙结构的微分表征及其对瓦斯吸附解吸的作用机制为研究对象，拟采用理论分析、实验研究、数值模拟和工程验证相结合的方法，通过孔容和孔形及迂曲度的微分化实现对孔隙空间的微分表征，借助比表面积、分形维数和吸附势阱的微分化实现对孔隙表面的微分表征；提出瓦斯单层吸附和微孔填充比重的计算方法，推导新的吸附模型，构建孔隙形态变化模型，探究孔隙结构对脱附迟滞的作用机制；利用孔隙空间和表面特征对煤粒中孔隙分布和瓦斯浓度分布进行重组，构建新的煤粒模型，通过分子动力学和界面化学建立瓦斯相态转化模型，基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理，提出非饱和多孔介质中热-扩散-力学耦合分析的混合有限元方法，构建基于瓦斯相变和孔隙重组的煤粒瓦斯解吸气固耦合模型，并进行数值模拟和现场验证。

矿井瓦斯不仅是一种灾害性气体，更是一种清洁能源，而煤中孔隙是瓦斯气体吸附和储存的主要场所，也是其扩散和渗流的主要通道。为实现煤矿的安全生产和清洁能源的有效利用，对煤中孔隙和吸附解吸特性的深入研究就显得尤为重要。本项目以吸附理论、界面化学、流体力学等理论方法为指导，通过实验研究、理论分析以及数值模拟展开研究，主要获得如下结论：（1）对六组不同变质程度的煤样进行孔隙测定，并结合其适用范围对孔隙分布进行重组，结果表明微孔所占比重最大，且总孔容和总比表面积随着变质程度的增加先减小后增加；利用压汞实验和液氮吸附实验数据分别计算了六组煤样的分形维数，结果表明两种方法获得的分形维数整体上随着变质程度的升高均是先降低后增加，说明六组煤样的孔隙复杂性和表面粗糙度也是先降低后升高；利用压汞实验数据进行了分形维数的微分计算，获取不同孔径下的分形维数，从而实现孔隙表面粗糙度的微分表征。（2）通过不同条件下的等温吸附脱附实验，探究了各因素对脱附迟滞的影响，结果表明煤粒粒径增大，温度降低，孔隙越复杂，其迟滞程度均越高；最高平衡压力的升高虽导致迟滞量增加，但未改变迟滞比；水分的增加降低了迟滞量，但提高了迟滞比；随着变质程度的提高，迟滞量和迟滞比均是先降低后升高。造成脱附迟滞的主要原因是孔隙喉道、吸附变形和杂质阻塞。结合煤矿生产需要，本项目提出了评价煤的瓦斯脱附迟滞的指标——极限迟滞瓦斯量，表征煤的瓦斯极限迟滞能力。（3）基于孔形状的假设，提出了孔径对应的有效孔长度计算公式，利用前文中获取的孔隙数据，计算得到各个孔直径对应的有效孔长度，此长度即为甲烷分子的扩散路径，结合比表面积与吸附能力的关系，实现煤粒的孔隙重组；基于瓦斯相变过程中温度和浓度的连续变化，建立了基于瓦斯相变和孔隙重组的煤粒瓦斯扩散模型；利用上述模型使用COMSOL软件进行了数值模拟，并与实验结果进行了对比验证。