不同条件煤粒瓦斯瞬时扩散系数变化特征试验

为研究不同外界条件下瓦斯(甲烷)在煤体内部的扩散规律,根据相似理论和扩散方程建立瓦斯扩散系数计算方法,研制煤粒瓦斯扩散测定系统,并通过试验测定了不同煤体结构、不同压力、不同粒度条件下煤粒瓦斯瞬时扩散系数,分析不同条件下瞬时扩散系数的变化特征。研究结果表明:瞬时扩散系数与时间成幂函数递减关系;瓦斯在构造煤中的初期瞬时扩散系数远大于原生结构煤;随着粒度的增大,原生结构煤和构造煤中的瓦斯瞬时扩散系数明显增大,原生结构煤中的瓦斯瞬时有效扩散系数逐渐增大,但构造煤中瓦斯瞬时有效扩散系数却明显减小。     

煤粒瓦斯瞬时扩散模型研究

为使扩散方程能够准确描述煤粒瓦斯涌出规律,首先依据相似理论和扩散第二定律建立瓦斯扩散系数计算方法,并结合试验数据得到扩散系数与时间的关系。然后基于此构建煤粒瓦斯瞬时扩散球状模型,运用分离变量法对模型进行求解,得到该模型的无穷级数解析解和模型系数的确定方法。最后通过计算值与试验值对比验证瞬时扩散模型的准确性,同时分析瞬时扩散模型与煤体复杂孔隙结构的关系。结果表明:扩散系数随时间的变化符合幂函数递减规律;构建的瞬时扩散模型能够准确描述煤粒瓦斯扩散规律,理论计算高度反映了试验结果;瞬时扩散模型可以从时空角度体现煤粒复杂的孔隙结构。因此该模型可用于计算瓦斯预测参数和研究瓦斯动力灾害形成过程。     

含水率对构造煤煤粒瓦斯扩散的影响研究

为了研究分析不同含水率对煤粒瓦斯扩散的影响,以平煤八矿构造煤为研究对象,利用瓦斯扩散试验装置,测定不同含水率条件下煤粒瓦斯解吸量,对比分析不同扩散模型,优选适合描述含水煤粒瓦斯解吸全过程的扩散模型,进而研究不同含水率对煤粒瓦斯扩散系数的影响。研究结果表明:相同时段下,干燥煤样的累计瓦斯解吸量最大,随着含水率增加煤样的累计瓦斯解吸量越来越小,水分的增加封堵了瓦斯扩散通道,在煤微孔隙内产生一定的蒸气压增大了瓦斯扩散的阻力使得单位时间内的瓦斯解吸量不断减小;通过3种扩散模型的对比发现幂函数模型在误差大小和稳定性方面都优于其他2种模型;利用该幂函数模型对扩散系数进行计算得出4种含水率对煤粒扩散系数的影响发现,扩散系数均经历前期快速下降和后期缓慢下降2个阶段,扩散系数随含水率的增大而减小且扩散速率趋于稳定。     

煤粒瓦斯扩散行为的气压依赖性研究北大核心CSCD

为了研究煤粒瓦斯扩散系数对气压的依赖性,应用自主搭建的煤岩吸附瓦斯实验系统进行不同气压条件下的煤粒瓦斯扩散实验,并通过模型拟合得到不同气压条件下的扩散系数,分析扩散系数对气压的依赖性。研究结果表明:实验煤样具有双重孔隙结构;由于煤粒对瓦斯具有吸附性,导致模型拟合得到的扩散系数是表观扩散系数而不是真实扩散系数;表观扩散系数与真实扩散系数呈正比例关系,与等温吸附线斜率呈反比例关系;在低压阶段,煤粒瓦斯扩散由努森扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈正比例关系;在高压阶段,煤粒瓦斯扩散由分子扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈反比例关系。     

煤粒瓦斯扩散行为的气压依赖性研究

为了研究煤粒瓦斯扩散系数对气压的依赖性,应用自主搭建的煤岩吸附瓦斯实验系统进行不同气压条件下的煤粒瓦斯扩散实验,并通过模型拟合得到不同气压条件下的扩散系数,分析扩散系数对气压的依赖性。研究结果表明:实验煤样具有双重孔隙结构;由于煤粒对瓦斯具有吸附性,导致模型拟合得到的扩散系数是表观扩散系数而不是真实扩散系数;表观扩散系数与真实扩散系数呈正比例关系,与等温吸附线斜率呈反比例关系;在低压阶段,煤粒瓦斯扩散由努森扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈正比例关系;在高压阶段,煤粒瓦斯扩散由分子扩散主导,此时表观扩散系数与气压呈反比例关系。     

不同温度下煤粒瓦斯扩散特性试验研究与数值模拟

为探索温度对煤粒瓦斯扩散特性的影响,利用瓦斯吸附/扩散仪分别对不同温度下的等温吸附,同温同压初始条件下的煤粒升温瓦斯扩散,同压不同温初始条件下的恒温煤粒瓦斯扩散进行试验研究。试验结果表明:同温同压初始条件下的等效扩散系数随温度升高呈指数关系增大。同压不同温初始条件下的恒温综合扩散系数随温度升高呈先增大后降低的变化趋势。温度升高时,温度与初始吸附量对综合扩散系数具有相反的影响作用趋势。不同温度下,相同时间内的扩散量取决于二者的配比关系。建立温度影响下的理论扩散方程,数值模拟不同温度下的全过程扩散特征。计算结果表明:随着时间延长,各温度下的恒温扩散曲线呈多点交叉状态,符合试验关系。     

水分对煤粒瓦斯扩散动态过程的影响规律

水分是含瓦斯煤粒扩散规律的重要影响因素之一,运用自制设备,试验研究当水分小于等于平衡水时,3种变质程度煤样的瓦斯扩散量、扩散速度和扩散系数随水分、扩散时间的变化规律;基于气体在多孔介质内的吸附解吸理论和Fick扩散定律,分析水分对瓦斯在煤粒内扩散动力参数和动态过程的影响机理。结果表明,在不大于煤样平衡水分条件下,高、中、低变质程度煤样的瓦斯极限扩散量、解吸速度和瓦斯扩散系数随水分增加而显著降低,同一种变质程度干燥煤样的瓦斯扩散系数基本是平衡水分煤样的3~5倍;水分的增加降低了煤粒内的瓦斯初始质量浓度和扩散系数,进而大幅度降低了瓦斯扩散速度;水分子更容易占据煤基质表面吸附位,致使煤对瓦斯的吸附量减少,水分子在煤粒内表面发生多层吸附,而堵塞部分的瓦斯分子在煤粒内表面扩散,缩小了扩散通道,增大了瓦斯扩散阻力,导致含瓦斯煤粒的瓦斯扩散系数减小。     

水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响

为了研究水分对不同变质程度煤粒瓦斯扩散系数的影响,利用自制设备,对不同煤阶的干燥煤、原煤、湿煤和平衡水煤样进行瓦斯吸附-解吸-扩散实验,分析扩散过程中不同时间段内水分与变质程度两个因素对扩散系数的影响。结果表明:水分的增加,导致瓦斯扩散系数随时间衰减程度变小。寺河矿干燥煤粒和平衡水煤粒在前120min内扩散系数较前5min分别减小了58.75%和53.2%;随着水分的增大,各变质程度煤样的瓦斯扩散系数比值增大。120min内干燥无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.04和2.37倍,平衡水无烟煤扩散系数分别为瘦煤、气肥煤的1.15和2.44倍;随着水分的增加,各煤阶瓦斯扩散系数减小幅度不同,且随着变质程度的减小,扩散系数的减小程度有变大趋势,前5min内随着水分从干燥煤增加到平衡水煤样,扩散系数减小幅度从无烟煤的72.77%增大到了气肥煤的83.49%。     

多尺度煤粒与瓦斯多尺度动扩散系数模型特征参数关系研究

为研究煤基质尺度对瓦斯扩散运移能力的影响,在实验室内开展了0.18~0.25 mm,0.25~1 mm,1~3 mm,3~6 mm,6~10 mm等5种不同尺度煤粒在不同初始吸附平衡压力下的瓦斯扩散实验。基于多尺度动扩散系数新模型,研究了煤粒尺度与多尺度动扩散系数模型特征参数的关系。研究结果表明:新模型对全扩散过程的描述精度要好于经典模型,经典模型最大相对误差达18.4%,而新模型仅为3.9%;相同条件下,初始扩散系数D0值随着粒径的增大呈递增趋势,最大增大了45.3倍;扩散衰减系数β值随着粒径的增大呈递减趋势,最大衰减了89.8%。实验揭示了多尺度煤粒内的瓦斯多尺度扩散特征,大尺度煤粒包含了更大的外在孔隙,导致煤粒尺度越大,初始扩散系数D0值越大,但因大尺度孔隙占比较大,导致孔隙尺度级差变化较小,因而有较小的衰减系数β值;小尺度煤粒因具有较小的外在孔隙,其D0值较小,但因微小孔隙占比较大,且微小孔隙尺度级差变化较大,因而有较大的衰减系数β值。不同煤粒尺度的扩散特征参数D0和β值的这种变化特征反映了当前低渗煤层瓦斯抽采过程中初期抽采量大但衰减迅速的现象,也为瓦斯(煤层气)增产及稳产提供了储层改造方向。     

巴雷尔法计算煤瓦斯扩散系数的局限性分析

为研究扩散模型近似解中巴雷尔法计算煤瓦斯扩散系数的局限性,采用数值计算与扩散系数理论近似求解方法,对比用平均浓度模型和瓦斯赋存特征模型计算扩散系数的数值解与理论解,分析巴雷尔法仅考虑瓦斯含量梯度,不考虑瓦斯赋存状态对计算扩散系数准确性的影响。研究表明:采用平均浓度模型巴雷尔法和时变系数法的扩散系数数值解与理论解基本一致;采用瓦斯赋存特征模型巴雷尔法和时变系数法计算结果呈先下降后稳定趋势;理论模型中瓦斯含量梯度是扩散动力的前提假设,造成扩散系数计算值小于实际扩散系数。     

静电场对煤体瓦斯扩散特性影响研究

为探究静电场对煤体瓦斯扩散变化特性的影响,自主设计并构建瓦斯解吸-扩散试验系统,选取古汉山矿、鹤壁六矿、平顶山八矿和义马耿村矿4个矿区不同变质程度煤样,用以测定电场强度为0、40、120、240 kV/m下的解吸-扩散量,并利用经典单孔扩散模型计算各煤样在4种场强作用下的扩散系数。结果表明:静电场下,随着施加场强的增大,煤样扩散系数具有先增大后减小的变化特征,且呈抛物线状;特征优势场强为40 kV/m时各煤样扩散系数达到最大,而其他场强作用下扩散系数都有所减小;对比不同变质程度煤样电场下扩散特性,结果显示,平顶山八矿肥煤在电场下扩散系数最大,义马矿褐煤扩散系数最小。静电场下扩散特性变化原因为:煤体和瓦斯分子发生激发极化改变了煤体表面吸附势阱深度;电场能引起煤体内微小孔的体积和比表面积增加(减小)。     

颗粒煤的多扩散系数瓦斯解吸模型及扩散参数反演研究

为研究颗粒煤瓦斯解吸规律,基于Fick定律建立了颗粒煤的多扩散系数瓦斯解吸 模型,完成了颗粒煤瓦斯解吸模型的数值试验。引入了非负约束最小二乘法反演算法（ NNLS）,通过试验数据反演得出颗粒煤的扩散参数的B谱,从而确定出颗粒煤瓦斯扩散 系数D的准确范围。研究结果表明:颗粒煤瓦斯解吸符合Fick扩散定律,颗粒煤的多扩 散系数瓦斯解吸模型能很好地解决单一扩散系数模型的扩散系数随时间衰减的问题,准 确反映了颗粒煤瓦斯解吸规律,单一扩散系数瓦斯解吸模型只是多扩散系数瓦斯解吸模 型的一个特例;NNLS是一种有效的反演算法,利用NNLS方法可以准确反演出颗粒煤瓦斯 解吸过程中的扩散参数的B谱,通过B谱可方便计算出颗粒煤的瓦斯扩散系数。     

扩散时间对经典模型扩散系数影响研究

为研究时间因素对扩散系数拟合计算的影响,基于经典扩散模型分析其拟合过程中的理论误差,并选用不同时间段及时间间隔的颗粒煤瓦斯扩散动力学试验数据,通过常规及定截距2种线性拟合方式分析扩散系数及确定系数R~2随时间的变化趋势。结果表明:拟合理论误差随着扩散时间延长而降低,常规拟合和定截距拟合计算得到的扩散系数随着扩散时间的延长而趋于相同,但两者得到的扩散系数随时间段、时间间隔增大呈现不同变化特征,并受到0点数据的影响。     

煤粒筛分现象与粒度分布特性的试验研究

在求解煤的物性参数时,为探究煤粒平均粒径对参数求解的影响,以5种不同粒级的煤粒为研究对象,系统研究筛分现象和粒度分布;以煤粒瓦斯扩散系数求解为例,分析算术平均值、体积加权平均体积粒径对计算结果的影响.研究结果表明:煤颗粒在筛分过程中会出现特殊分选现象,目标粒级粒度分布仅占真实粒度分布的33.37％～49.32％;算术平...     

不同温压下柱状煤芯瓦斯吸附饱和度和进扩散时间的确定

为研究温度压力对吸附饱和度和进扩散时间的影响,以确定实验室内不同温压下原煤煤芯可接受的吸附饱和度和进扩散时间,建立了柱状煤芯瓦斯扩散模型,采用φ50mm×100mm的柱状煤芯开展了不同温压下的瓦斯扩散实验。经实验检验,模型能很好描述原煤柱状煤芯的瓦斯扩散过程。计算了不同温压下柱状原煤煤芯达到不同吸附饱和度所需的吸附进扩散时间和不同时间的瓦斯质量浓度分布。结果表明:温度越高,扩散系数越大,吸附平衡时间越短;压力越高,扩散系数越小,吸附平衡时间越长。考虑实验精度要求和可接受时间,在30~40℃,瓦斯压力0.5~3MPa的范围内,建议渗流实验吸附饱和度为80%,吸附时间为6~8 d;精度要求较高的扩散实验,吸附饱和度为90%,吸附时间为10~12 d。     

动扩散系数新模型下不同粒径构造煤的瓦斯扩散特征

为揭示不同粒径构造煤的瓦斯扩散特征,采用瓦斯解吸仪分别在井下现场和实验室内开展了原煤样和不同粒径的构造煤瓦斯扩散实验,并采用低温氮吸附法测定其孔径分布,采用动扩散系数新扩散模型计算各类扩散实验的初始扩散系数D0及其衰减系数β、有效初始扩散系数De0和有效动扩散系数De(t)。结果表明:各类粒径构造煤的瓦斯扩散率初期增长较快,但衰减迅速。同时刻下,粒径越大,D0越大,β越小,构造煤中孔隙由表及里孔径逐渐缩小,正是这种孔径特征控制了D0和β的大小。同时,粒径越大De0和De(t)越小。与之相反,井下构造煤原煤样具有更小的粒径,致使原煤样的瓦斯扩散速度更快,因此构造煤具有更严重的突出危险性。     

钻屑瓦斯解吸指标K_1影响因素理论分析

工作面突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出的一个重要环节,提高预测指标测定的准确性对于减少"低指标突出"现象,保证安全生产有重要意义。钻屑解吸指标K1是工作面煤与瓦斯突出预测的重要指标之一。基于扩散理论和钻屑瓦斯解吸指标K1物理意义建立了K1的数学表达式,根据该式研究了瓦斯压力、损失时间、煤粒粒度、扩散系数对K1的影响。结果表明:钻屑解吸指标K1与瓦斯压力呈幂指数关系;相同条件下,损失时间越长测得的K1越小,并且钻屑的粒度越小表现越明显;扩散系数表征瓦斯绕过微孔和煤基质的能力,相同条件下扩散系数越大测得的K1越大;煤粒粒度对K1的影响较大,现场测定过程中煤粒粒度组成对获得真实的K1和准确的临界值至关重要。     

现场测定煤层透气性系数计算方法的优化研究

为深入分析瓦斯在煤层内流动的阻力特性,根据煤层瓦斯径向不稳定流动理论,探讨煤层透气性系数的本质内涵及物理意义,指出其现场应用过程中存在的不足。基于无因次流量准数Y和时间准数F0之间的关系,对系数a,b值进行修正,提出透气性系数公式的优化计算方法。给出对比2种计算方法的现场应用实例。结果表明,优化方法的计算过程不必采用试算,计算结果的相对误差小于2%,可满足现场应用的实际要求。依据现场测定值可计算出AB的区间范围,据此可直接选择相应公式计算煤层透气性系数。     

不同粒度煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究

为了证实和完善极限粒度理论,制备了煤粒度毫米级至厘米级(>10 mm)的5种粒度煤样,利用H-Sorb 2600T高温高压气体吸附分析仪对不同粒度的煤样进行等温吸附-解吸实验,并采用动扩散系数模型计算了煤粒瓦斯解吸扩散系数,分析不同粒度煤的扩散系数变化特征。研究结果表明:粒度毫米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大呈现逐渐减小的趋势;粒度厘米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大降幅较小;煤粒度在毫米级范围内,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大快速下降;煤粒度为厘米级时,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大基本保持不变;极限粒度理论正确可靠,煤的极限粒度小于10 mm。     

铀尾矿库中核素U(Ⅵ)的扩散迁移试验

利用自制的设备,采用水平土柱吸渗法,测定了不同参数土壤中铀溶液的质量浓度,通过Fick扩散第二定律推导的公式计算其扩散系数。并对比氯离子迁移试验,探讨了时间、距离、土质、孔隙度等对铀扩散的影响,进而研究尾矿库中核素U(Ⅵ)的运移扩散规律。结果表明:铀和氯离子在砂质土壤中的扩散均比在黏质土壤中快,氯离子在黏土中的扩散系数D=0.354×10~(-3)m~3/d,在砂土中的扩散系数D=1.830×10~(-3)m~3/d,铀在黏土的扩散系数D=0.950×10~(-3)m~3/d,在砂土中的扩散系数D=1.623×10~(-3)m~3/d;铀在土壤中的质量浓度随扩散时间延长逐渐增大,且与扩散距离呈比例关系;铀在土壤中的扩散系数随土壤孔隙度增大而变大。