【摘要】：針對原生煤和構(gòu)造煤2類煤種的瓦斯擴散進行對比實驗,結(jié)果表明:與原生煤相比,構(gòu)造煤的瓦斯擴散率前期增加更加迅速,后期衰減也更加迅速;構(gòu)造煤的全過程擴散率一直大于原生煤。實驗發(fā)現(xiàn),擴散系數(shù)是隨時間增大而逐漸衰減的變量,為此提出動擴散系數(shù)的表達式,建立了動擴散系數(shù)新擴散模型。通過驗證,新擴散模型對不同煤種的構(gòu)造煤瓦斯擴散全程能夠準確描述,擬合精度均高于經(jīng)典模型,表明新擴散模型更加精確、適用范圍更廣泛。
【圖文】：

其在相同溫度和瓦斯壓力下吸附的瓦斯量也不相同。為避免因吸附量不同而引起的擴散過程的差異，在比較構(gòu)造煤和原生煤瓦斯擴散特征時采用擴散率Qt/Q∞進行描述，Qt為t時刻累積擴散量，Q∞為極限擴散量(Q∞=Q－Qa，Qa為同溫大氣壓下的含氣量，亦按式(1)計算)。Q=abp1+bp(100－A100)+10p鐖·273ρ(273+tw)(1)式中:Q為各溫度下總瓦斯含量，g/cm3;a、b為各溫度下吸附常數(shù);p為吸附平衡壓力，MPa;A為灰分;鐖為孔隙率;ρ為視密度，g/cm3;tw為溫度，K。實驗結(jié)果如圖1、圖2。由圖1、圖2可知，整體上構(gòu)造煤的瓦斯擴散率前期增加迅速，后期衰減迅速，最后增長趨于平緩;相比而言，原生煤的瓦斯擴散率前期增加幅度和后期的衰減幅度相對較小，整圖1九里山構(gòu)造煤和原生煤的擴散率圖2天府集團構(gòu)造煤和原生煤的擴散率條擴散率曲線相對平緩。2種煤的構(gòu)造煤全程擴散率均大于原生煤。根據(jù)文獻［8］，，構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)非常發(fā)育，微孔和過渡孔的孔容和比表面積所占比例遠大于原生煤，這就使得構(gòu)造煤能夠吸附的瓦斯量也大于原生煤，并且過渡孔比例的增加為孔隙內(nèi)擴散的瓦斯提供了更大的運移通道，能夠使相同時間內(nèi)更多的瓦斯從孔隙中擴散出來�；谶@些特點，構(gòu)造煤的擴散率相比于原生煤才表現(xiàn)出了前期增加迅速、后期衰減迅速的特點。而以上僅是外在實驗現(xiàn)象的定性分析，工程應用時需要一個準確的數(shù)學模型來描述。2動擴散系數(shù)的發(fā)現(xiàn)2．1經(jīng)典擴散模型經(jīng)典擴散模型是在Fick定律基礎上，做以下假設:①煤粒由球形顆粒組成;②煤粒為均質(zhì)、各向同性體;③瓦斯流動遵從質(zhì)量守恒定律。在以上條件下，忽略濃度C和時間t對擴散系數(shù)的影響［1］，從而得到球坐標下擴散第二定律:鐓C鐓t=D(

嗤嚅露群屯咚寡沽ο攣忝降耐咚沽懇膊幌?同。為避免因吸附量不同而引起的擴散過程的差異，在比較構(gòu)造煤和原生煤瓦斯擴散特征時采用擴散率Qt/Q∞進行描述，Qt為t時刻累積擴散量，Q∞為極限擴散量(Q∞=Q－Qa，Qa為同溫大氣壓下的含氣量，亦按式(1)計算)。Q=abp1+bp(100－A100)+10p鐖·273ρ(273+tw)(1)式中:Q為各溫度下總瓦斯含量，g/cm3;a、b為各溫度下吸附常數(shù);p為吸附平衡壓力，MPa;A為灰分;鐖為孔隙率;ρ為視密度，g/cm3;tw為溫度，K。實驗結(jié)果如圖1、圖2。由圖1、圖2可知，整體上構(gòu)造煤的瓦斯擴散率前期增加迅速，后期衰減迅速，最后增長趨于平緩;相比而言，原生煤的瓦斯擴散率前期增加幅度和后期的衰減幅度相對較小，整圖1九里山構(gòu)造煤和原生煤的擴散率圖2天府集團構(gòu)造煤和原生煤的擴散率條擴散率曲線相對平緩。2種煤的構(gòu)造煤全程擴散率均大于原生煤。根據(jù)文獻［8］，構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)非常發(fā)育，微孔和過渡孔的孔容和比表面積所占比例遠大于原生煤，這就使得構(gòu)造煤能夠吸附的瓦斯量也大于原生煤，并且過渡孔比例的增加為孔隙內(nèi)擴散的瓦斯提供了更大的運移通道，能夠使相同時間內(nèi)更多的瓦斯從孔隙中擴散出來�；谶@些特點，構(gòu)造煤的擴散率相比于原生煤才表現(xiàn)出了前期增加迅速、后期衰減迅速的特點。而以上僅是外在實驗現(xiàn)象的定性分析，工程應用時需要一個準確的數(shù)學模型來描述。2動擴散系數(shù)的發(fā)現(xiàn)2．1經(jīng)典擴散模型經(jīng)典擴散模型是在Fick定律基礎上，做以下假設:①煤粒由球形顆粒組成;②煤粒為均質(zhì)、各向同性體;③瓦斯流動遵從質(zhì)量守恒定律。在以上條件下，忽略濃度C和時間t對擴散系數(shù)的影響［1］，從而得到球坐標下擴散第二定律:鐓C鐓t=D(鐓
【作者單位】： 河南理工大學河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地;重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室;中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖氣)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心;
【基金】：國家自然科學基金資助項目(51004041) 長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(PCSIRT1235) 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室開放課題資助項目(2011DA105287-KF201313) 河南理工大學博士基金資助項目(B2010-35)
【分類號】：TD712.3

【參考文獻】

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【共引文獻】

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【二級參考文獻】

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本文編號：2520653