摘要
针对煤粒瓦斯扩散过程中各因素的影响及作用机制不明，现有扩散模型无法准确描述扩散过程的衰减特性等问题，本文以三种不同变质程度煤样为研究对象，基于零长柱法设计并搭建了煤粒瓦斯扩散实验平台，使用控制变量的方法进行了不同压力、温度、粒度下煤粒的瓦斯扩散实验，研究了各因素对煤粒瓦斯扩散过程的影响，重点分析了煤粒瓦斯扩散衰减特性及其控制因素。主要取得了以下认识： 使用液氮吸附和CO2吸附实验对无烟煤煤样的孔隙结构进行了表征，得到了煤体中0.1~300nm范围内的孔隙分布特征。液氮吸附法测得的比表面积随孔径变化曲线图与孔容随孔径变化曲线图有一定的相似性，变化的趋势大致相同。CO2吸附法测得的实验结果表明，孔隙相对集中分布在0.4-0.85nm之间的直径范围内，其比表面积占到了总面积的69.8%。同时，实验发现低温液氮吸附/脱附曲线出现了明显的滞后现象，并且没有闭合点以及明显的拐点，说明该无烟煤样含有一定量的开放性孔隙。 通过瓦斯扩散实验，分别得到了不同影响因素条件下煤粒瓦斯扩散量、扩散率和有效扩散系数随时间变化规律。分析了各因素对煤粒瓦斯扩散过程的影响，发现瓦斯扩散量随吸附平衡压力的增大而增大，但吸附平衡压力对瓦斯扩散率和有效扩散系数的影响不太明显；瓦斯扩散量随温度的升高而增大，对于扩散率和有效扩散系数随时间的变化趋势的影响则相对较小；瓦斯扩散量随粒度的减小而增大，对扩散率和扩散系数的影响则存在一定的极限粒径效应，即在煤样粒径达到0.5mm及以上时，其内部孔隙分布受粒径的影响将大大降低，相应地对瓦斯扩散的影响也随着煤样粒径的增大而逐渐减小；煤的变质程度对瓦斯扩散衰减规律的影响较为明显，变质程度越高，瓦斯扩散量、扩散率以及有效扩散系数也越大。 结合无烟煤孔隙分布的结果，得到了孔隙中的瓦斯分布特征，并以此为基础，发现了扩散过程具有明显的分段特征。在扩散初期，以孔径＞1nm的孔隙所吸附的瓦斯向外扩散为主导，有效扩散系数相对较大，达到5.024·10-5cm2/s；扩散中期，以孔径介于0.6~1nm之间的孔隙所吸附的瓦斯向外扩散为主导，有效扩散系数逐渐减小，且瓦斯扩散量增长速率的衰减趋势也明显缓于上一阶段；扩散后期，以孔径＜0.6nm的孔隙所吸附的瓦斯向外扩散为主导，扩散速度更为缓慢，这一阶段决定着整个扩散过程的持续时间。 综合上述研究成果，发现煤的孔隙结构及其分布才是决定扩散衰减过程的根本因素。煤的孔隙及其内部的瓦斯分布规律是煤粒瓦斯扩散分段特性的基础。通过对相关规律的深入研究，可为将来煤层瓦斯含量的反演测定、突出危险性以及煤层气井后期产气率的准确预测等问题奠定基础。
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