煤粒多尺度孔隙中瓦斯扩散机理及动扩散系数新模型

李志强^1,2,3，刘勇¹，许彦鹏¹，宋党育^1,3

1. 河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地2. 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室3. 河南理工大学中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心

摘 要：为解决经典扩散模型不能准确描述煤粒瓦斯全时扩散的科学问题。采集我国典型矿区的代表性煤样,开展了各种条件下的煤粒瓦斯扩散实验。采用经典扩散模型拟合实验表明,某时刻前,扩散率的实验值大于理论值,此时刻后,实验值小于理论值,此规律惟一。经典扩散模型不能准确描述瓦斯扩散全过程,误差极大,进而发现了煤粒瓦斯扩散系数随时间延长而衰减的特有现象。为此,提出了煤粒多尺度孔隙分布的新物理模型,新模型假设煤粒中孔隙呈非均质多尺度形态分布,并具有自相似分形结构,这种多尺度分形结构孔隙决定了煤粒扩散系数的多级分布,进而决定了瓦斯宏观扩散力学机理,即,煤体由表及里,孔隙由大到小分级分布,其扩散系数亦相应的由大到小逐级递减。扩散初期,瓦斯从扩散系数较大的大孔隙中快速逸出,扩散后期,从扩散系数较小的小孔隙中慢速逸出,直至深达微孔内部。正是这种逐级递减的孔隙形态及相应的多级扩散系数分布,形成了瓦斯扩散系数随时间延长而衰减的扩散机理。根据这一物理假设,引入初始扩散系数D0、扩散系数衰减系数β两个参数反映扩散系数动态衰减特征,提出了动扩散系数数学模型,经200余组数据检验,新模型能较准确描述各条件下的煤粒瓦斯(CH4,CO2,N2)扩散全过程。新模型涵盖了经典单孔隙扩散模型和双孔隙模型,将其推广到了多孔隙维度,并能解释经典单孔隙扩散模型出现的问题,新模型在准确性、简单性、解释性、预测性上优于国外双孔隙模型及其它经验公式。多尺度动扩散系数扩散模型为准确计算瓦斯(煤层气)含气量、储量、突出预测指标,解释各种条件下的瓦斯扩散机理提供了新物理模型和计算新方法。

关键词：瓦斯;煤层气;扩散模型;扩散系数;动态;