煤体瓦斯扩散的衰减特性及其控制机制研究

On the basis of the unknown of the diffusion attenuation characteristics of gas and the corresponding control mechanism, artificial hierarchical materials with a stable and well-distributed pore structure was taken as the experimental object to avoid the uncertain influence caused by the deviate and instable distribution of pore existing in the coal sample. The diffusion process of gas was deeply studied through theoretical analysis, laboratory experiments and molecular dynamics simulation methods. It reveals attenuation characteristics of gas diffusion with the change of time and the corresponding control mechanism through the control equations which could quantify the influence of various elements which may affect the diffusion process of gas. A mathematical model of diffusion rate and diffusion coefficient changing with time was built and verified through experiments and molecular dynamics simulation. The study provides a theoretical basis for the prediction, prevention and control of the outburst of coal mine. But, quite apart from that, it may play an important role in the prediction of the production rate of coal bed methane.

针对当前煤体瓦斯扩散衰减特性及其控制机制不明的问题，以孔隙结构稳定、规整可调的人造孔隙材料为实验介质，避免煤样孔隙分布不均匀和结构不稳定给实验结果带来的不确定影响，综合采用理论分析、实验室实验和分子动力学模拟等手段对扩散过程进行深入分析。通过研究，准确描述煤体瓦斯扩散随时间的衰减特性，量化各因素对扩散衰减的控制作用，构建各因素的控制方程，揭示煤体瓦斯扩散衰减特性的控制机制，并建立扩散率、扩散系数随时间演化的数学模型，最后使用实验和分子动力学模拟相结合的方法对模型进行验证。为今后煤矿突出的预测、防治以及煤层气开采后期生产速率的预测提供理论依据。

针对当前煤体瓦斯扩散衰减特性及其控制机制不明的问题，以孔隙结构稳定、规整可调的人造孔隙材料为实验介质，避免煤样孔隙分布不均匀和结构不稳定给实验结果带来的不确定影响，综合采用理论分析、实验室实验等手段对扩散过程进行深入分析。通过3种不同变质程度煤样在不同温度、实验压力和煤样粒径条件下，使用新研制的扩散实验装置，进行了扩散实验。得到了扩散量、扩散率和有效扩散系数随时间的演化规律，深入分析了了瓦斯扩散的衰减特性，明确了控制机制，并在此基础上建立了煤体瓦斯扩散的数学模型。其中在衰减特性方面，研究发现扩散的衰减过程分段特性较为明显，前段衰减速度快，持续时间短，近似于线性衰减（影响突出预测指标）；中段衰减速度减缓，持续时间一般在1~2h之间，服从负指数规律，且扩散率能达到70%左右（受实验煤样的粒径影响）；后段扩散速度逐渐趋于定值（影响煤层气井后期产气率）。在扩散的控制机制方面，煤中的大孔、中孔和小孔分别对应着衰减特性研究中的前段、中段和后段。前期之所以能够快速扩散，扩散系数大，主要是因为大孔和煤粒表面附近的瓦斯集中向外释放；中段的负指数衰减则是扩散过程的主控因素在不同孔隙中过渡所引起的；后段扩散系数趋于定值则是由于此时煤粒中瓦斯的扩散完全取决于小孔和微孔，已经非常缓慢，扩散过程在实验条件下的时间维度内无法观察出衰减。最后在上述工作的基础上，对煤的孔隙结构做出了假设，并对扩散过程进行了深入分析，建立了瓦斯扩散的数学模型，给出了多级孔隙条件下瓦斯扩散系数的数学表达式。为今后煤矿突出的预测、防治以及煤层气开采后期生产速率的预测提供理论依据。