【摘要】：甲烷氣體在煤巖內(nèi)部運(yùn)移過程分為解吸—擴(kuò)散—滲流三個(gè)階段,由于煤基質(zhì)特殊復(fù)雜的孔裂隙結(jié)構(gòu),擴(kuò)散作用在其中發(fā)揮著重要的控制作用。數(shù)學(xué)物理模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)綜合分析是深入了解瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的重要方法,能夠?yàn)樘岣咄咚篂?zāi)害預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、煤層氣(瓦斯)抽采量提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用依據(jù),對(duì)指導(dǎo)瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)防治和煤層氣勘探開發(fā)具有十分重要的意義。論文首先利用煤粒甲烷解吸裝置,測(cè)定了不同時(shí)刻煤粒甲烷解吸量,計(jì)算了不同時(shí)間段煤粒甲烷擴(kuò)散系數(shù),分析了擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化特性。然后,根據(jù)Fick定律,結(jié)合擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化特性,構(gòu)建了煤粒甲烷擴(kuò)散系數(shù)冪函數(shù)模型,對(duì)比分析了經(jīng)典擴(kuò)散模型、指數(shù)擴(kuò)散模型和冪函數(shù)擴(kuò)散模型與實(shí)驗(yàn)值的誤差。最后,利用建立的模型研究了煤粒甲烷吸附/解吸過程中擴(kuò)散特征,分析了不同條件下煤粒甲烷吸附/解吸擴(kuò)散過程中擴(kuò)散系數(shù)變化情況,得出如下結(jié)論:(1)基于擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化特性構(gòu)建的煤粒甲烷擴(kuò)散系數(shù)冪函數(shù)模型能夠較好地描述煤粒甲烷整個(gè)解吸擴(kuò)散過程,彌補(bǔ)了經(jīng)典模型實(shí)驗(yàn)前期誤差值較大的缺點(diǎn)。(2)煤粒吸附甲烷過程分為初期快速吸附和后續(xù)慢速吸附兩個(gè)階段,初期快速吸附階段主要集中在前500 s,隨后進(jìn)行緩慢吸附,直至達(dá)到吸附平衡。在整個(gè)過程中,擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間呈衰減態(tài)。隨著吸附平衡壓力的增大,擴(kuò)散系數(shù)衰減程度愈加明顯,吸附量和平均擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大,平均擴(kuò)散系數(shù)與吸附平衡時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。(3)通過煤粒甲烷解吸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):吸附平衡壓力對(duì)解吸擴(kuò)散量影響顯著。隨著吸附平衡壓力增大,累計(jì)擴(kuò)散量逐漸增大,擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸變大的規(guī)律;在相同壓力下0.5mm-1.0mm粒徑煤樣的擴(kuò)散系數(shù)均大于0.25mm-0.5mm粒徑煤樣擴(kuò)散系數(shù);對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤來言,相同條件下60min內(nèi)構(gòu)造煤甲烷累計(jì)擴(kuò)散量是原生結(jié)構(gòu)煤甲烷擴(kuò)散量的兩倍。在甲烷解吸擴(kuò)散過程中,構(gòu)造煤甲烷擴(kuò)散系數(shù)一直大于原生結(jié)構(gòu)煤甲烷擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)合低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析,認(rèn)為構(gòu)造煤具有較大的孔容和比表面積是造成其甲烷擴(kuò)散系數(shù)比原生結(jié)構(gòu)煤擴(kuò)散系數(shù)大的主要原因。
【圖文】：

線性驅(qū)動(dòng)模型tBteM ∞= 1 菲克放散模型 exp(61[122122FnFtnDMnnM∞=∞= Φ π拓展指數(shù)模型1exp[()]2tttMMτ= ∞]是國(guó)內(nèi)較早研究煤粒甲烷擴(kuò)散模型的學(xué)給出了煤屑甲烷擴(kuò)散方程的理論解，用了煤粒內(nèi)部的甲烷濃度分布特點(diǎn)和流動(dòng)粒度的關(guān)系。吳世躍等[72,73]建立了對(duì)流傳質(zhì)邊界條件了甲烷氣體在煤體中的擴(kuò)散模式和微觀機(jī)通擴(kuò)散、努森擴(kuò)散和過渡擴(kuò)散，不同擴(kuò)王兆豐等[71,74]在均質(zhì)煤粒甲烷擴(kuò)散模型提出理論近似式。

圖 2-4∞QQt/ 與 K0之間的關(guān)系[90]Fig.2-4 Relationship between∞QQt/ and K0[90]計(jì)算可從式（2-14）中得出 lnK0與 ln(/)∞QQt的關(guān)ln()0.22ln(/)2.79ln(/)120=+ ∞∞KQQQQtt現(xiàn)象之間存在相似性，，只是相關(guān)數(shù)值不同。則待求exp(0.22ln(/)2.79ln(/22=+∞∞QQQQtrDttddd待測(cè)煤樣的平均煤粒粒度，m;煤樣的解吸時(shí)間，s;過試驗(yàn)方法測(cè)得。峰計(jì)算方法采用慢速階段的動(dòng)力學(xué)方程[92, 93]計(jì)算甲烷在不同壓擴(kuò)散系數(shù)。exp()61Q222rDtQtππ= ∞
【學(xué)位授予單位】：河南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD712

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2665266