煤粒甲烷扩散系数幂函数模型研究

发布时间：2020-05-15 15:42

【摘要】：甲烷气体在煤岩内部运移过程分为解吸—扩散—渗流三个阶段,由于煤基质特殊复杂的孔裂隙结构,扩散作用在其中发挥着重要的控制作用。数学物理模型结合实验综合分析是深入了解瓦斯扩散规律的重要方法,能够为提高瓦斯灾害预测的准确性、煤层气(瓦斯)抽采量提供理论基础和应用依据,对指导瓦斯灾害预测防治和煤层气勘探开发具有十分重要的意义。论文首先利用煤粒甲烷解吸装置,测定了不同时刻煤粒甲烷解吸量,计算了不同时间段煤粒甲烷扩散系数,分析了扩散系数随时间变化特性。然后,根据Fick定律,结合扩散系数随时间变化特性,构建了煤粒甲烷扩散系数幂函数模型,对比分析了经典扩散模型、指数扩散模型和幂函数扩散模型与实验值的误差。最后,利用建立的模型研究了煤粒甲烷吸附/解吸过程中扩散特征,分析了不同条件下煤粒甲烷吸附/解吸扩散过程中扩散系数变化情况,得出如下结论:(1)基于扩散系数随时间变化特性构建的煤粒甲烷扩散系数幂函数模型能够较好地描述煤粒甲烷整个解吸扩散过程,弥补了经典模型实验前期误差值较大的缺点。(2)煤粒吸附甲烷过程分为初期快速吸附和后续慢速吸附两个阶段,初期快速吸附阶段主要集中在前500 s,随后进行缓慢吸附,直至达到吸附平衡。在整个过程中,扩散系数随时间呈衰减态。随着吸附平衡压力的增大,扩散系数衰减程度愈加明显,吸附量和平均扩散系数逐渐增大,平均扩散系数与吸附平衡时间呈负相关关系。(3)通过煤粒甲烷解吸实验发现:吸附平衡压力对解吸扩散量影响显著。随着吸附平衡压力增大,累计扩散量逐渐增大,扩散系数呈现出逐渐变大的规律;在相同压力下0.5mm-1.0mm粒径煤样的扩散系数均大于0.25mm-0.5mm粒径煤样扩散系数;对于原生结构煤和构造煤来言,相同条件下60min内构造煤甲烷累计扩散量是原生结构煤甲烷扩散量的两倍。在甲烷解吸扩散过程中,构造煤甲烷扩散系数一直大于原生结构煤甲烷扩散系数。结合低温液氮吸附实验结果进一步分析,认为构造煤具有较大的孔容和比表面积是造成其甲烷扩散系数比原生结构煤扩散系数大的主要原因。
【图文】：

扩散机制,气体分子,孔隙,甲烷

线性驱动模型tBteM ∞= 1 菲克放散模型 exp(61[122122FnFtnDMnnM∞=∞= Φ π拓展指数模型1exp[()]2tttMMτ= ∞]是国内较早研究煤粒甲烷扩散模型的学给出了煤屑甲烷扩散方程的理论解，用了煤粒内部的甲烷浓度分布特点和流动粒度的关系。吴世跃等[72,73]建立了对流传质边界条件了甲烷气体在煤体中的扩散模式和微观机通扩散、努森扩散和过渡扩散，不同扩王兆丰等[71,74]在均质煤粒甲烷扩散模型提出理论近似式。

煤样,相关数值,压扩,煤粒

图 2-4∞QQt/ 与 K0之间的关系[90]Fig.2-4 Relationship between∞QQt/ and K0[90]计算可从式（2-14）中得出 lnK0与 ln(/)∞QQt的关ln()0.22ln(/)2.79ln(/)120=+ ∞∞KQQQQtt现象之间存在相似性，，只是相关数值不同。则待求exp(0.22ln(/)2.79ln(/22=+∞∞QQQQtrDttddd待测煤样的平均煤粒粒度，m;煤样的解吸时间，s;过试验方法测得。峰计算方法采用慢速阶段的动力学方程[92, 93]计算甲烷在不同压扩散系数。exp()61Q222rDtQtππ= ∞
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD712

【参考文献】