本文關鍵詞：煤粒多尺度孔隙中瓦斯擴散機理及動擴散系數(shù)新模型

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【摘要】：為解決經典擴散模型不能準確描述煤粒瓦斯全時擴散的科學問題。采集我國典型礦區(qū)的代表性煤樣,開展了各種條件下的煤粒瓦斯擴散實驗。采用經典擴散模型擬合實驗表明,某時刻前,擴散率的實驗值大于理論值,此時刻后,實驗值小于理論值,此規(guī)律惟一。經典擴散模型不能準確描述瓦斯擴散全過程,誤差極大,進而發(fā)現(xiàn)了煤粒瓦斯擴散系數(shù)隨時間延長而衰減的特有現(xiàn)象。為此,提出了煤粒多尺度孔隙分布的新物理模型,新模型假設煤粒中孔隙呈非均質多尺度形態(tài)分布,并具有自相似分形結構,這種多尺度分形結構孔隙決定了煤粒擴散系數(shù)的多級分布,進而決定了瓦斯宏觀擴散力學機理,即,煤體由表及里,孔隙由大到小分級分布,其擴散系數(shù)亦相應的由大到小逐級遞減。擴散初期,瓦斯從擴散系數(shù)較大的大孔隙中快速逸出,擴散后期,從擴散系數(shù)較小的小孔隙中慢速逸出,直至深達微孔內部。正是這種逐級遞減的孔隙形態(tài)及相應的多級擴散系數(shù)分布,形成了瓦斯擴散系數(shù)隨時間延長而衰減的擴散機理。根據(jù)這一物理假設,引入初始擴散系數(shù)D0、擴散系數(shù)衰減系數(shù)β兩個參數(shù)反映擴散系數(shù)動態(tài)衰減特征,提出了動擴散系數(shù)數(shù)學模型,經200余組數(shù)據(jù)檢驗,新模型能較準確描述各條件下的煤粒瓦斯(CH4,CO2,N2)擴散全過程。新模型涵蓋了經典單孔隙擴散模型和雙孔隙模型,將其推廣到了多孔隙維度,并能解釋經典單孔隙擴散模型出現(xiàn)的問題,新模型在準確性、簡單性、解釋性、預測性上優(yōu)于國外雙孔隙模型及其它經驗公式。多尺度動擴散系數(shù)擴散模型為準確計算瓦斯(煤層氣)含氣量、儲量、突出預測指標,解釋各種條件下的瓦斯擴散機理提供了新物理模型和計算新方法。
【作者單位】： 河南理工大學河南省瓦斯地質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;河南理工大學中原經濟區(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)
【分類號】：TD712
【正文快照】： 擴散數(shù)學物理模型是描述煤粒瓦斯釋放過程的理論基礎,自20世紀60年代以來,煤礦及煤層氣工業(yè)界一直沿用經典擴散模型進行煤層氣(瓦斯)含氣量測定、儲量計算、瓦斯突出預測及檢驗指標的測定。學術界則以經典擴散模型為理論基礎進行各種條件下CH4,CO2,N2擴散機理的研究。學界早已

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